一种基于无线充电及能量自收集技术的肌电传感器系统的制作方法

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及无线充电及能量自收集技术相结合的新型肌电传感器领域。

背景技术：

随着物联网和大数据时代的迅速发展，个人信息智能化数字化成为当下新兴、热门的发展领域。在对人体行为或状态进行数字化的范畴里，特别是人体运动学和动力学方面的研究，要能更好地理解及分析人体信息状态，对其建立正确的数学模型，则首先需要有设备可以检测和量化人体的各种状态参数，而这里面可穿戴肌电传感器便是其中一种。肌电传感器主要用于采集人体的肌肉电信号，将其数字化定量化，以用于人体动力学方面的研究。

目前，这类可穿戴肌电传感器产品的电源主要使用电池。但是电池的容量有限，需要对其进行定期的充电或更换。传统的可穿戴肌电传感器，一般使用充电线给内嵌的电池进行充电。较新型的肌电传感器使用无线充电的方法给系统电池充电，但它们两者都面临着一个问题，就是用户需要经常地给系统充电，这样就给用户在系统的使用体验上带来很大的不便。因此，如何解决可穿戴传感器设备的智能充电和可持续工作性，改善用户体验成为了关键课题。

本实用新型提出的一种新型的可穿戴肌电传感器，结合了无线充电以及能量自收集等技术特点，通过传感器系统对充电智能化的管理，能同时解决用户的按需充电要求以及系统长时间工作的可持续性要求，克服了传统肌电传感器的在电源充电管理方面的缺点。

技术实现要素：

本实用新型为克服现有技术的不足，提出一种基于无线充电及能量自收集技术的肌电传感器系统。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提出的基本技术方案为：

一种基于无线充电及能量自收集技术的肌电传感器系统，其特征在于，所述系统包括电池充电器模块、无线充电模块、能量自收集模块、肌电信号模块、电池监控模块、充电源智能切换模块、微控制器以及蓝牙模块；

所述电池充电器模块包括电池充电芯片U12,所述充电芯片U12接收从所述无线充电模块的输出信号Wireless_OUT，以此作为充电的能量来源，然后输出稳定的充电电压OUT_BATT给电池连接头PL2，完成对电池的充电，同时联合所述电池监控模块实现对电池的剩余电量、当前的放电电流参数进行实时监控及管理；

所述无线充电模块包括无线充电接收器芯片U11,电线圈PL1，所述电线圈PL1接收从无线充电基座发出来的电磁感应能量，然后输出到所述无线充电接收器芯片U11，所述无线充电接收器芯片U11将感应电流整合成稳定的电压输出信号Wireless_OUT,然后接到所述电池充电器模块的充电芯片U12，为所述充电芯片U12提供输入电源；同时，所述无线充电接收器芯片U11的输出信号Wireless_OUT连接到充电源智能切换模块的大功率三极管逻辑电路T1，以供所述充电源智能切换模块选择充电来源；

所述能量自收集模块包括升压器芯片U14，太阳能光板PL3，所述能量自收集模块的输入输出信号为Harv_OUT，所述太阳能光板PL3采集太阳能，将光能转换为电能给所述升压器芯片U14，所述升压器芯片U14将采集到的电流做升压整合处理，输出Harv_OUT连接到所述充电源智能切换模块，以供充电源智能切换模块选择充电来源；

所述充电源智能切换模块包括大功率三极管T1，所述大功率三级管T1接收来自无线充电模块的Wireless_OUT信号和所述能量自收集模块的Harv_OUT信号，通过逻辑判断，自动在所述无线充电模式和所述能量自收集充电模式间切换，当所述无线充电源和所述能量自收集充电源同时接入到系统时，设定无线充电源具有更高优先级，在无线充电模式下，所述大功率三级管T1将打通连接Wireless_OUT信号和OUT_BATT信号，在能量自收集充电模式下，所述大功率三级管T1打通连接Harv_OUT信号和OUT_BATT信号，所述大功率三级管T1判断来自于所述电池监控模块的ALM信号，用于过放电保护控制；

所述电池监控模块包括电池管理芯片U13，所述电池管理芯片U13利用I2C1_SCL与I2C1_SDA信号线与微控制器进行通信，以交换电池状态数据，所述电池管理芯片U13通过OUT_BATT信号与电池连接，获取电池的电量、电压和电流参数信息；所述电池管理芯片U13的ALM信号输出到充电源智能切换模块，以提供过放电保护信号；

所述肌电信号模块电路包括放大电路芯片U5和U7，滤波芯片U6，参考电压芯片U8，表面电极E1，E2，E3；所述肌电信号模块通过AA_SDN/，AA_CLK，EMG_AA，EMG_SIG信号与所述微控制器模块进行通信和数据交换；通过表面电极E1，E2，E3电极采集表面肌电信号；所述放大电路芯片U5、U7对电极采集到的微弱的肌电信号放大，输出到所述滤波芯片U6，所述滤波芯片U6对放大后的肌电信号进行滤波整形后，输出到所述微控制器模块；其中，所述参考电压芯片U8为放大电路芯片U5提供参考电压；

所述蓝牙模块电路包括蓝牙芯片U2，晶振芯片U1，电平转换芯片U3,U4，所述蓝牙模块通过USART2_RTS，USART2_TX，USART2_RX，USART2_CTS，BT_RESET#，BT_GPIO4，BT_GPIO3，BT_GPIO1，OSC32_IN信号与所述微控制器模块进行通信和数据交换；所述蓝牙芯片U2通过所述电平转换芯片U3和U4对BT_TX和BT_RTS进行电平转换，转换成USART2_RX和USART2_CTS信号；

所述微控制器电路包括稳压芯片U9，STM32Cortex-M3微控制器U10，三色发光二极管LED1，晶振Y1，所述晶振Y1为U10的晶振源；所述三色发光二极管LED1为系统状态显示灯；所述稳压芯片U9将来自电池的电压信号OUT_BATT稳压成所述STM32Cortex-M3微控制器U10所需要的电压值；所述STM32Cortex-M3微控制器U10通过USART2_RTS，USART2_TX，USART2_RX，USART2_CTS，BT_RESET#，BT_GPIO4，BT_GPIO3，BT_GPIO1，OSC32_IN信号与所述蓝牙模块进行通信以及相关参数设定；所述STM32Cortex-M3微控制器U10通过I2C1_SCL,I2C1_SDA，ALM信号与所述电池监控模块进行通信及参数设定；所述STM32Cortex-M3微控制器U10通过AA_SDN/，AA_CLK，EMG_AA，EMG_SIG信号与所述肌电信号模块进行通信及参数设定，从而对上述各模块进行控制以及对采集到的肌电数据进行标定、校正，然后通过所述蓝牙模块把处理完的数据发送到上位主控机进行实时显示、分析及保存。

本实用新型的有益效果是：本传感器系统提出了无线充电技术与能量自收集技术相结合的复合型充电源结构，为可穿戴肌电传感器提供了新的充电源技术策略。通过无线充电技术，传感器系统能实现快速地、无线地的充电性能。通过能量自收集技术，传感器系统能利用环境能量实现长期地对电池进行充电的性能，保证了系统的可持续工作性。

附图说明

图1为本实用新型的系统整体结构原理图

图2是本实用新型的电池充电器模块电路图

图3是本实用新型的无线充电模块电路图

图4是本实用新型的能量自收集模块电路图

图5是本实用新型的充电源智能切换模块电路图

图6是本实用新型的电池监控模块电路图

图7是本实用新型的微控制器电路图

图8是本实用新型的肌电信号模块电路图

图9是本实用新型的蓝牙模块电路图

图10是本实用新型的系统框架图

具体实施方式

以下将结合附图1至9对本实用新型做进一步的说明，但不应以此来限制本实用新型的保护范围。为了方便说明并且理解本实用新型的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。

如图1所示，为本实用新型的系统整体结构原理图，在本实用新型中，提出了一种基于无线充电及能量自收集技术的肌电传感器系统，该系统包括电池充电器模块、无线充电模块、能量自收集模块、肌电信号模块、电池监控模块、充电源智能切换模块、微控制器以及蓝牙模块；

如图2所示，图2中的电池充电器模块主要元件为U12：充电芯片，实现充电电压电流的控制；PL2：电池连接头，用于连接锂电池。主要输入输出信号：wireless_OUT，OUT_BATT；主要工作原理：U12接收从无线充电模块的输出Wireless_OUT，以此作为充电的能量来源，然后输出稳定的充电电压OUT_BATT给电池连接头PL2，完成对电池的充电。

电池充电器模块通过电池充电芯片对电池的充电电压以及电流进行控制，同时联合电池监控模块实现对电池的剩余电量、当前的放电电流参数进行实时监控及管理；

如图3所示，图3中的无线充电模块主要元件为U11:无线充电接收器芯片；PL1:电线圈。模块主要输入输出信号：Wireless_OUT；无线充电模块利用无线充电接收器芯片整合来自电线圈的感应电流，为电池充电提供稳定的电压源，其主要工作原理：PL1接收从无线充电基座发出来的电磁感应能量，然后输出到U11，U11将感应电流整合成稳定的电压输出Wireless_OUT,然后接到电池充电器模块的U12，为充电芯片提供输入电源。同时，U11的输出Wireless_OUT连接到充电源智能切换模块的大功率三极管逻辑电路T1，以供充电源智能切换模块选择充电来源。

如图4所示，图4中的能量自收集模块主要元件为U14:升压器芯片；PL3:太阳能光板，模块主要输入输出信号：Harv_OUT；其通过升压器芯片收集来自太阳能光板的能量，将光能转换为电能，输出给电池充电；主要工作原理：PL3采集太阳能，将光能转换为电能给U14，U14将采集到的电流做升压整合处理，输出Harv_OUT连接到充电源智能切换模块，以供充电源智能切换模块选择充电来源。

如图5所示，图5中的充电源智能切换模块的主要元件:T1:大功率三极管；其管理充电源的选择，使系统能在多种充电源之下自动切换；模块主要输入输出信号：OUT_BATT，Wireless_OUT，Harv_OUT,ALM；主要工作原理：T1接收来自无线充电模块的Wireless_OUT信号和能量自收集模块的Harv_OUT信号。通过逻辑判断，自动在无线充电模式和能量自收集充电模式间切换。当无线充电源和能量自收集充电源同时接入到系统时，设定无线充电源具有更高优先级。在无线充电模式下，T1将打通连接Wireless_OUT信号和OUT_BATT信号。在能量自收集充电模式下，T1打通连接Harv_OUT信号和OUT_BATT信号。T1判断来自于电池监控模块的ALM信号，用于过放电保护控制。

如图6所示，图6中的电池监控模块电路主要元件:U13:电池管理芯片。模块主要输入输出信号：OUT_BATT，I2C1_SCL，I2C1_SDA,ALM。主要工作原理：U13利用I2C1_SCL与I2C1_SDA信号线与微控制器进行通信，以交换电池状态数据。U13通过OUT_BATT信号与电池连接，获取电池参数信息如电量、电压和电流等。U13的ALM信号输出到充电源智能切换模块，以提供过放电保护信号。

如图7所示，图7中的微控制器电路主要元件:

U9:稳压芯片

U10：STM32Cortex-M3微控制器

LED1：三色发光二极管

Y1:晶振

模块主要输入输出信号：

USART2_RTS

USART2_TX

USART2_RX

USART2_CTS

BT_RESET#

BT_GPIO4

BT_GPIO3

BT_GPIO1

OSC32_IN

I2C1_SCL

I2C1_SDA

ALM

AA_SDN/

AA_CLK

EMG_AA

EMG_SIG

OUT_BATT

所述微控制器对系统中的各模块进行总体控制以及对采集到的肌电数据进行标定、校正，然后通过蓝牙模块把处理完的数据发送到上位主控机进行实时显示、分析及保存。

微控制器的主要工作原理：Y1的为U10的晶振源。LED1主要为系统状态显示灯。U9将来自电池的电压信号OUT_BATT稳压成U10所需要的电压值。U10通过USART2_RTS，USART2_TX，USART2_RX，USART2_CTS，BT_RESET#，BT_GPIO4，BT_GPIO3，BT_GPIO1，OSC32_IN信号与蓝牙模块进行通信以及相关参数设定。U10通过I2C1_SCL,I2C1_SDA，ALM信号与电池监控模块进行通信及参数设定。U10通过AA_SDN/，AA_CLK，EMG_AA，EMG_SIG信号与肌电信号模块进行通信及参数设定。

如图8所示，图8中的肌电信号模块电路的主要元件:

U5和U7:放大电路芯片

U6：滤波芯片

U8：参考电压芯片

E1，E2，E3:表面电极

模块主要输入输出信号：AA_SDN/，AA_CLK，EMG_AA，EMG_SIG

肌电信号模块电路通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大、滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态信息；其主要工作原理：肌电信号模块通过AA_SDN/，AA_CLK，EMG_AA，EMG_SIG信号与微控制器进行通信和数据交换。通过E1，E2，E3电极采集表面肌电信号。U5，U7对电极采集到的微弱的肌电信号放大，输出到U6。U6对放大后的肌电信号进行滤波整形后，输出到微控制器模块。U8为U5提供参考电压。

如图9所示，图9中的蓝牙模块电路的主要元件:

U2：蓝牙芯片

U1：晶振芯片

U4,U3：电平转换芯片

该模块的主要输入输出信号：USART2_RTS，USART2_TX，USART2_RX，USART2_CTS，BT_RESET#，BT_GPIO4，BT_GPIO3，BT_GPIO1，OSC32_IN

该模块的主要工作原理：蓝牙模块通过USART2_RTS，USART2_TX，USART2_RX，USART2_CTS，BT_RESET#，BT_GPIO4，BT_GPIO3，BT_GPIO1，OSC32_IN信号与微控制器进行通信和数据交换。U2通过U3和U4对BT_TX和BT_RTS进行电平转换，转换成USART2_RX和USART2_CTS信号。

本实用新型的有益效果是：本传感器系统提出了无线充电技术与能量自收集技术相结合的复合型充电源结构，为可穿戴肌电传感器提供了新的充电源技术策略。通过无线充电技术，传感器系统能实现快速地、无线地的充电性能。通过能量自收集技术，传感器系统能利用环境能量实现长期地对电池进行充电的性能，保证了系统的可持续工作性。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。