一种无电池温湿度计装置及其控制方法与流程

1.本发明属于电子设备设计技术领域，具体涉及一种无电池温湿度计装置及其控制方法。


背景技术：

2.环境的温湿度对生产和生活影响重大，因此对于温湿度的测量是极其重要的。温湿度计是一种能够以一定时间间隔通过传感器对温湿度进行测量的电子设备，现有的温湿度计是需要电池来进行供电，而且待机功耗较大，占据了总功耗的一半以上，电池的更换往往会降低用户的使用体验。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种无电池温湿度计装置及其控制方法，本发明通过一种零功耗持续电压检测技术，同时降低能量收集系统和负载的功耗，可以让系统收集的光能满足负载需求，避免了更换电池给用户带来的不便，极大地提升了使用的便利性。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无电池温湿度计装置，包括能量收集系统、定时触发系统和温湿度计系统；其中，能量收集系统包括光能量收集转换器、第一lx01电压检测电路、lx02能量收集电路、第一电源管理模块、上拉电阻r1和超级电容c1；光能量收集转换器与第一lx01电压检测电路的输入端v
in
连接，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
通过上拉电阻r1与vbat连接，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
与lx02能量收集电路的使能端连接；光能量收集转换器的输出同时与lx02能量收集电路的输入连接，lx02能量收集电路的输出为vbat，lx02能量收集电路的输出vbat连接储能超级电容c1，lx02能量收集电路的输出vbat同时与第一电源管理模块的输入相连，第一电源管理模块的输出电压为定时触发系统供电，定时触发系统的电压输出端为温湿度计系统供电。
5.定时触发系统包括lx04超低功耗振荡器、逻辑门、分频器、mos开关、rc延时电路和第二电源管理模块；振荡器lx04的输出与分频器的输入相连，分频器的两个输出端分别接逻辑门和rc延时电路；电容c2的正极与逻辑门的输入连接，逻辑门的输出与第二lx01电压检测电路的输入端v
in
连接；
6.第二lx01电压检测电路的输出v
od2
通过上拉电阻r2与开关nmos
‑
q1的栅极相连接，开关nmos
‑
q1的漏极与lx02能量收集电路的输出vbat连接，开关nmos
‑
q1的源极与第二电源管理模块的输入v
in
相连接，第二电源管理模块的输出v
dd2
为负载温湿度计系统提供稳定的电压，电容c2的负极接地；lx01电压检测电路的接地端接地，超级电容c1的负极接地；分频器的两个输出端分别为第一输出a和第二输出b，第一输出a和第二输出b的逻辑相反，其中，第一输出a与逻辑门的输入接口a相连，第二输出b与rc延时电路相连；第一lx01电压检测电路与第二lx01电压检测电路相同，逻辑门采用或非门；振荡器、分频器以及逻辑门的电源接口均与能量收集系统中电压输出v
od1
连接。
7.温湿度计系统包括信号处理及控制单元、低功耗温湿度计和纸屏幕，其中，温湿度传感器连接信号处理及控制模块的输入端，信号处理及控制模块的输出端连接纸屏幕。
8.信号处理及控制模块的输出端连接有zigbee模块。
9.光能量收集转换器采用太阳能板。
10.第一lx01电压检测电路包括高压监控电路、中压监控电路和低压监控电路，高压监控电路的v
o(h)
输出接中压监控单路的控制端，中压监控电路的v
o(m)
输出接低压监控电路的控制端，高压监控电路的输出、中压监控电路的输出和低压监控电路的输出均连接lx01电压监测电路的输出v
od1
。
11.本发明所述无电池温湿度计装置的控制方法，当第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压低于lx01电压检测电路的阈值v
th
时，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
保持低电平，当第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压高于lx01电压检测电路的阈值v
th
时，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
转换为高电平，并保持至第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压低于lx01电压检测电路的下降阈值v
tl
，当室内有光照时，光能量收集转换器板输出高电压，电压超过v
th
，lx02能量收集电路使能，当室内没有光线时，光能量收集转换器输出低电压，lx02能量收集电路进入关机状态，lx02能量收集电路的输出为vbat，vbat与超级电容c1连接，超级电容c1的正极与第一电源管理模块相连，第一电源管理模块的输出为v
dd1
，v
dd1
为定时触发系统供电；当定时触发系统中输出高电压时，负载温湿度计系统被激活，温湿度计传感器开始测量温湿度参数。
12.温湿度计传感器测量温湿度参数并将该参数传递给信号处理及控制模块，信号处理及控制模块通过zigbee模块将信息传递给绑定网关；纸屏幕显示相应温湿度示数，在一个周期中或非门输出低电平时，负载温湿度计系统处于关机时，纸屏幕仍显示温湿度示数。
13.当第二lx01电压检测电路的输出v
od2
输出为高，开关nmos
‑
q1导通，lx02能量收集电路的输出vbat输出电压经第二电源管理模块转化为负载所需的电压，温湿度计系统被激活，第二lx01电压检测电路的输出v
od2
输出为低时开关nmos
‑
q1断开，第二电源管理模块输入为0v，其输出也为0v，温湿度计系统处于关机状态，以此去除温湿度计系统和第二电源管理模块的静态功耗。
14.分频器的用于控制周期的时长，由分频器的位数决定，调节rc延时电路中电阻r3和电容c2的数值来控制周期信号的占空比，即负载被激活的时间与停机时间的比例。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
16.本发明通过一种零功耗持续电压检测技术，通过第一lx01电压检测电路实现了能量收集系统只有在可以收集到的能量大于lx02能量收集电路本身的静态功耗时才工作的功能；降低能量收集系统和负载的功耗，可以让系统收集的光能满足负载需求，避免了充电或更换电池给用户带来的不便，极大地提升了使用的便利性；还通过超低功耗定时触发系统在预设的间隔时间内唤醒温湿度计系统，唤醒之后，温湿度计工作一段时间，之后再次进入零功耗待机模式，降低功耗的同时，便于使用。
17.进一步的，采用了太阳能能量收集技术为系统提供电源，因此系统无需电池和充电，系统提供zigbee作为无线通信方式，同时集成了显示功能。
18.进一步的，一个周期中或非门输出低电平时，负载温湿度计系统处于关机时，纸屏幕仍有显示，不会影响用户的正常读取。
附图说明
19.图1是本发明的系统结构示意图；
20.图2是本发明中lx01电压检测电路的信号控制示意图；
21.图3是定时触发系统的时序图。
具体实施方式
22.本发明提供的一种无电池温湿度计装置，包括能量收集系统、定时触发系统和温湿度计系统；
23.其中能量收集系统包括太阳能板、第一lx01电压检测电路、lx02能量收集电路、第一电源管理模块以及电阻电容。
24.其中能量收集系统中的太阳能板与第一lx01电压检测电路的输入端v
in
连接，lx01电压检测电路的输出v
od1
，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
通过上拉电阻r1与vbat连接。第一lx01电压检测电路的输出v
od1
与lx02能量收集电路的使能端连接；太阳能板的输出同时与lx02能量收集电路的输入连接，lx02能量收集电路的输出为vbat，lx02能量收集电路的输出vbat连接储能超级电容c1，储能超级电容c1为其他系统提供能量，lx02能量收集电路的输出vbat同时与第一电源管理模块的输入相连，第一电源管理模块的输出电压为v
dd1
。
25.定时触发系统包括lx04超低功耗振荡器、逻辑门、分频器、mos开关、rc延时电路和第二电源管理模块；其中，lx04超低功耗振荡器的输出与分频器的输入相连，振荡频率通过分频器的位数来进行大范围的调节，分频器的第一输出a和分频器的第二输出b有着相反的逻辑，其中分频器的输出a与逻辑门的输入接口a相连，分频器的第二输出b与rc延时电路相连，电容c2的正极与逻辑门的输入接口b相连，逻辑门的输出与第二lx01电压检测电路的输入端v
in
连接；振荡器、分频器以及逻辑门的电源接口均与能量收集系统中的第一电源管理模块的输出v
dd1
相连，第二lx01电压检测电路的输出v
od2
通过一上拉电阻r2与lx02能量收集电路的输出vbat连接，并且lx01电压检测电路的输出v
od2
与mos开关nmos
‑
q1的栅极连接，mos开关nmos
‑
q1的漏极接lx02能量收集电路的输出vbat，nmos
‑
q1的源极与第二电源管理模块的输入v
in
相连接，第二电源管理模块的输出v
dd2
为负载温湿度计系统提供稳定的电压，逻辑门采用或非门。
26.温湿度计系统包括zigbee模块、信号处理及控制单元、低功耗温湿度计和纸屏幕，其中，温湿度传感器连接信号处理及控制模块的输入端，信号处理及控制模块的输出端连接zigbee模块和纸屏幕。
27.温湿度计系统被定时触发系统唤醒，唤醒状态下，温湿度传感器将温度和湿度模拟量转化为数字信号后传递给数字信号处理及控制模块，该模块将控制纸屏幕显示相应温度和湿度，控制zigbee模块将温湿度信息传递给绑定网关。
28.作为一个可选的实施例，本发明还能通过一种无线能量收集系统提供电能，例如公开号为cn212674276u专利所述能量收集系统，通过其中的电源管理模块供电。
29.作为优选的实施例，本发明所述lx01电压检测电路采用专利号为zl201710971531.9的专利所述电压检测电路，第一lx01电压检测电路包括高压监控电路、中压监控电路和低压监控电路，高压监控电路的v
o(h)
输出接中压监控单路的控制端，中压监控电路的v
o(m)
输出接低压监控电路的控制端，高压监控电路的输出、中压监控电路的输
出和低压监控电路的输出均连接lx01电压监测电路的输出v
od1
。
30.如图1所示，本发明包括能量收集系统、定时触发系统和温湿度计系统，其中能量收集系统中的太阳能板与第一lx01电压检测电路的输入端v
in
连接。当第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压低于lx01电压检测电路的阈值v
th
时，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
保持低电平，当第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压高于lx01电压检测电路的阈值v
th
时，第一lx01电压检测电路的输出v
od1
转换为高电平，并保持至第一lx01电压检测电路的输入端v
in
的电压低于lx01电压检测电路的下降阈值v
tl
，其信号示意图如图2所示。第一lx01电压检测电路的输出v
od1
通过上拉电阻r1与lx02能量收集电路的使能端en连接，当室内有光照时，太阳能板输出高电压，电压超过v
th
，lx02能量收集电路使能，当室内没有光线时，太阳能板输出低电压，lx02能量收集电路进入关机状态，通过第一lx01电压检测电路实现了能量收集系统只有在可以收集到的能量大于lx02能量收集电路本身的静态功耗时才工作的功能，提高了能量的收集效率。太阳能板的输出同时与lx02能量收集电路的输入端v
in
连接，lx02能量收集电路采用最大功率跟踪提高能量收集效率。lx02能量收集电路的输出为vbat，vbat与超级电容c1连接，超级电容c1作为主要的储能电容，为其他系统的能量来源。超级电容c1的正极与第一电源管理模块相连，第一电源管理模块的输出为v
dd1
，v
dd1
为lx04超低功耗振荡器或非门以及分频器进行供电。
31.定时触发系统可以定时唤醒负载温湿度计，相比于负载系统中的信号处理及控制中心通过定时器来按照一定频率对温湿度进行测量，定时触发系统的静态功耗要小很多，在1.2v供电条件下，平均消耗电流仅为110na左右，而负载系统在没有被定时器激活时，负载系统的功耗为0，通过这种方式大幅度降低了负载温湿度计的功耗。定时触发系统中的lx04超低功耗振荡器的输出与分频器的输入相连，lx04超低功耗振荡器本身的输出为50hz
‑
1000hz左右的方波，分频器的作用是为了大幅度控制周期的时长，由分频器的位数决定，分频器的第一输出a，第二输出b有着相反的逻辑，其中分频器的第一输出a与或非门的输入接口a相连，分频器的第二输出b与rc延时电路相连，电容c2的正极与或非的输入接口b相连，通过调节rc延时电路中电阻r3和电容c2的数值来控制周期信号的占空比，即负载被激活的时间与停机时间的比例。或非门的输出与第二lx01电压检测电路的输入端v
in
连接，振荡器、分频器以及或非门的电源接口与能量收集系统中的第一电源管理模块的输出v
dd1
相连。第二lx01电压检测电路的输出v
od2
通过上拉电阻r2与开关nmos
‑
q1的栅极相连接，开关nmos
‑
q1的漏极与lx02能量收集电路的输出vbat连接，源极与电源管理的输入v
in
相连，由于vbat的电压未经过调整，不适合作为负载的电源，所以通过第一电源管理模块将电压vbat进行直流变换，将其转换为适合负载无线开关系统的电源，第二电源管理模块的输出v
dd2
与温湿度计系统的正极相连。当第二lx01电压检测电路的输出v
od2
输出为高，开关nmos
‑
q1导通，lx02能量收集电路的输出vbat输出电压经第二电源管理模块转化为负载所需的电压，负载系统(即温湿度计系统)被激活，第二lx01电压检测电路的输出v
od2
输出为低时开关nmos
‑
q1断开，电源管理输出v
dd2
输出为0v，温湿度计系统处于关机状态，以此去除温湿度计系统的待机功耗。
32.图3是定时触发系统的逻辑时序图，展示了lx04超低功耗振荡器的输出信号，分频器的第一输出a，第二输出b的信号分别为div_a，div_b，或非门输出out的信号nor和第二lx01电压检测电路输出信号v
od2
之间的时序关系。本发明中的分频器倍数是1/8，对lx04超
低功耗振荡器输出的信号进行分频。div_b，div_a的逻辑相反，信号div_b因为经过电阻r3，电容c2构成的延时电路，上升沿和下降沿会被延长变得平缓，导致或非门信号nor在div_b上升沿阶段出现一个高电平脉冲。第二lx01电压检测电路的输出v
od2
通过上拉电阻将nor信号的高电平电压拉高，其逻辑与nor信号保持一致。
33.温湿度计负载包括低功耗的温湿度传感器、zigbee模块、信号处理及控制单元和纸屏幕；当定时触发系统中的或非门输出高电压时，负载温湿度计系统被激活，温湿度计开始测量温湿度参数，并将该参数传递给信号处理及控制模块，该模块控制纸屏幕显示相应温湿度示数，并通过zigbee模块将信息传递给绑定网关，纸屏幕可以在不被供电的条件下仍然具有显示功能，因此在一个周期中或非门输出低电平时，负载温湿度计系统处于关机时，纸屏幕仍有显示，不会影响用户的正常读取。