专利名称：无线传感器网络节点太阳能充电及蓄电池放电保护电路的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域中的供电技术，具体涉及太阳能供电装置中太阳能充电和蓄电池放电保护电路，对为无线传感器网络一般节点和汇聚节点供电的铅酸蓄电池进行保护。
背景技术：
无线传感器网络在大面积远程环境监测领域有着广阔的应用前景，但由于网络节点携带的电源能量有限、部署区域面积广大且路途遥远，所以通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。采用太阳能电池板为节点蓄电池充电已成为实现节点持续能量供应的可行方法之一。为蓄电池充电的能源来源于太阳能电池板，为节点提供持续的能量来源于蓄电池，因此要求电路的构成简单，尽可能使耗能最小化，
杨志勇、王卫星著的《无线传感器网络节点电源系统设计》，通信电源技术，2008，25(6) : 63-64，利用二极管降压为节点数传模块提供3V电压，利用升压芯片2301 (需耗电IOOmA)和MC34063 (需耗电IOOmA)分别为传感器提供5V和12V电压。其缺陷是充电和升压芯片增加了电路复杂度和耗能，仅实现充电保护，未实现放电保护，在连续日照不足的极端情况下，电池会因过放电而被损坏。孙浩明、韩焱著的《无线传感器网络电源智能控制系统设计》，现代电子技术，2009,7: 32-34，由低压差线性调压器LM1117、取样电阻0 1，R2, 7P3, R\, 7 5)、电压比较器LM139、反相器74HC04以及编码器74HC148构成，其缺陷是电路仍然较复杂，虽然能实现放电保护，但未解决放电保护中的电压振荡问题，即当作为负载的节点断开后，电池电压会很快升高，电池又会被接回电路中供电，但此时的电压是虚电压，接通负载后很快下降，会重复“断开一接通”的振荡过程，会损坏蓄电池的放电保护电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术中无线传感器网络节点的电源控制系统中太阳能充放电保护电路复杂、能耗高、电池会因过放电而被损坏以及放电保护中的电压会出现振荡的不足，提供了一种电路简单、能耗低、克服电压振荡的太阳能充电和蓄电池放电保护电路。本发明采用的技术方案是由依次串接的充电保护电路、蓄电池、放电保护电路和DC-DC电路组成，充电保护电路连接太阳能电池的输出，DC-DC电路连接WSN节点的输入，充电保护电路具有比较器AR1、三极管VT1、稳压管仍和分流稳压器/1，稳压管M和电阻TPl串接后连接太阳能电池，分流稳压器/I经电阻连接太阳能电池，分流稳压器/I的输出经串接的电阻仍、例分压后连接比较器ARl的正向输入端，比较器ARl的输出端经限流电阻R8连接三极管VTl的基极，三极管VTl的集电极接电阻R9，发射极经电阻RlO后连接蓄电池，蓄电池经串接的电阻/ 5、观分压后连接比较器ARl的反向输入端；所述放电保护电路具有比较器AR2、分流稳压器/2、三极管VT5、P-MOS管VT2、VT4和N-MOS管VT3 ;蓄电池3经分流稳压器/2和可调电阻TPll分压再经电阻7 14、7 15分压连接比较器AR2的反向输入端，蓄电池连接P-MOS管VT2，P-MOS管VT2经分压电阻TPl2、TPl3接比较器AR2的正向输入端，比较器AR2的输出端接N-MOS管VT3，N-M0S管VT3经电阻7P16连接电阻7P15 ;比较器AR2的输出端经限流电阻/P18连接三极管VT5的基极，三极管VT5的集电极接电阻/P19且经P-MOS管VT4连接DC-DC电路。进一步地，本发明的蓄电池在其电压接近蓄电池额定电压-10%，即滞回区低阈值电压时，比较器AR2输出低电平，关断P-MOS管VT4，关断蓄电池向WSN节点供电；同时关断N-MOS管VT3，放电保护电路处于滞回区低阈值电压Vim状态；当蓄电池电压提高接近^THL+0. 3V，即滞回区高阈值电压Vthh时，比较器AR2输出高电平，打开P-MOS管VT4，蓄电池向WSN节点正常供电，同时，打开N-MOS管VT3，放电保护电路处于滞回区高阈值电压 /ΤΗΗ状态。
本发明的有益效果是电路结构简单、功耗低、体积小，通过电路实现蓄电池放电保护和恢复供电的电压差，消除了放电保护电路在作用时的电压振荡现象，保证了蓄电池的使用寿命，延长了整个网络的生命周期；不仅可有效防止太阳能电池板充电过程中对蓄电池的过充，还可在连续日照不足的情况下，不因过放电损坏蓄电池，保证了太阳能供电装置在连续阴、雨、雾、雪和冬季日照短等情况下有比较充足的能量储存。本发明也可用于其他类似的场合。
图I是本发明太阳能充电及蓄电池放电保护电路的总体框 图2是图I中充电保护电路2的结构连接 图3是图I中放电保护电路4的结构连接 图4是图I中DC-DC电路5的结构连接 图中1.太阳能电池；2.充电保护电路；3.蓄电池；4.放电保护电路；5. DC-DC电路；
6.WSN节点；L_是节点负极；L+是节点正极；B+是畜电池正极；B_是畜电池负极；S+是太阳能电池正极；S-是太阳能电池负极。
具体实施例方式如图I所示，本发明是无线传感器网络的一般节点和汇聚节点的铅酸蓄电池的充放电保护电路，应用于无线传感器网络节点的太阳能供电装置中。该太阳能充电及蓄电池放电保护电路由太阳能电池I、充电保护电路2、蓄电池3、放电保护电路4及DC-DC电路5组成，太阳能电池I的输出依次串接充电保护电路2、蓄电池3、放电保护电路4、DC-DC电路5，DC-DC电路5的输出连接作为负载的WSN节点6的输入，最终由DC-DC电路5为节点6供电。图I所示的电路在工作时，无线传感器网络节点6配备6V/12Ah铅酸蓄电池3，无线传感器网络汇聚节点的GPRS (General Packet Radio Service)配备12V/70Ah铅酸蓄电池3。太阳能充电保护电路2自身的电源供应来自太阳能电池I，蓄电池3的放电保护电路4的电源供应来自蓄电池3。为防止太阳能电池I对蓄电池3的过充电，当蓄电池3电压达到一定量值时，应停止充电；当在较长时间日照不足情况下，蓄电池3电压下降到一定程度时，为保护蓄电池3不能过放，此时，蓄电池3应停止向节点6供电。当太阳能电池I充电达到设定值时，蓄电池3应恢复供电。如图2所示，以下以6V/12Ah铅酸蓄电池3为实例说明太阳能充电保护电路2的具体实施过程。充电保护电路2采用微功耗比较器ARl (TS393I)、三极管VTl (2N3904)、分流稳压器/I (LM285Z)以及相关的电阻、电容、稳压管等元器件组成。太阳能电池I连接低频滤波电容Cl，太阳能电池I通过电阻7P2连接分流稳压器/1，提供给分流稳压器/I 一定的电流。稳压管M (IN4742)和电阻TPl串接组成稳压电路连接太阳能电池1，防止充电电压过高，保护蓄电池3。分流稳压器/I输出一个基准电压&ef=2. 5V，该2. 5V基准电压通过串接的电阻仍、例分压后连接比较器ARl的正向输入端(3脚)，提供给比较器ARl正向
输入端电压U。。蓄电池3的正极
B+连接串接的电阻Rb、R&，经电阻Rb、胞分压后连接比较器ARl的反向输入端(2脚)，提供
给比较器ARl反向输入端电压％2。比较器ARl的输出端连接上拉电阻R7，且比较器ARl
的输出端通过限流电阻R8连接三极管VTl的基极，三极管VTl的集电极接电阻R9，发射极接电阻RlO后连接蓄电池3，电阻R9和RlO为太阳能电池I的充电限流电阻。在太阳能电池I给蓄电池3的充电过程中，分流稳压器/I输出的基准电压UWfi.2. 5V)通过电阻7P3JP4分压，提供给比较器ARl的正向输入端；蓄电池3的电压通过电阻7 5、7 6分压，提供给比较器ARl的反向输入端。当比较器ARl反向输入端电压高于正向输入端电压时，比较器ARl输出低电平，三极管VTl截止，充电电路关闭，停止给蓄电池3充电；反之，比较器ARl输出高电平，三极管VTl导通，充电电路开通，蓄电池3开始充电。比较器ARl的正向输入端电压Ut3为
权利要求
1.一种无线传感器网络节点太阳能充电及蓄电池放电保护电路，由依次串接的充电保护电路(2 )、蓄电池(3 )、放电保护电路(4 )和DC-DC电路(5 )组成，充电保护电路(2 )连接太阳能电池(I)的输出，DC-DC电路(5)连接WSN节点(6)的输入，其特征是所述充电保护电路(2)具有比较器AR1、三极管VT1、稳压管M和分流稳压器/1，稳压管仍和电阻TPl串接后连接太阳能电池(1)，分流稳压器/I经电阻连接太阳能电池(1)，分流稳压器/I的输出经串接的电阻仍、M分压后连接比较器ARl的正向输入端，比较器ARl的输出端经限流电阻R8连接三极管VTl的基极、三极管VTl的集电极接电阻R9、发射极经电阻RlO后连接蓄电池(3);蓄电池(3)经串接的电阻7 5、7 6分压后连接比较器ARl的反向输入端；所述放电保护电路(4 )具有比较器AR2、分流稳压器/2、三极管VT5、P-MOS管VT2、VT4和N-MOS管VT3 ;蓄电池(3)经分流稳压器/2和可调电阻TPll分压再经电阻7P14JP15分压连接比较器AR2的反向输入端，蓄电池(3 )连接P-MOS管VT2，P-MOS管VT2经分压电阻TPl 2、TPl 3后接比较器AR2的正向输入端，比较器AR2的输出端接N-MOS管VT3，N-M0S管VT3经电阻7P16连接电阻仍5 ;比较器AR2的输出端经限流电阻/P18连接三极管VT5的基极，三极管VT5的集电极接电阻W19且经P-MOS管VT4连接DC-DC电路(5)。
2.根据权利要求I所述的无线传感器网络节点太阳能充电及蓄电池放电保护电路，其特征是蓄电池(3)在其电压接近蓄电池额定电压-10%，即滞回区低阈值电压Vim时，比较器AR2输出低电平，关断P-MOS管VT4，关断蓄电池(3)向WSN节点(6)供电；同时关断N-MOS管VT3，放电保护电路(4 )处于滞回区低阈值电压状态；当蓄电池(3 )电压提高接近^V+0. 3V，即滞回区高阈值电压Vthh时，比较器AR2输出高电平，打开P-MOS管VT4，蓄电池(3 )向WSN节点(6 )正常供电，同时，打开N-MOS管VT3，放电保护电路(4 )处于滞回区高阈值电压仏Bh状态。
3.根据权利要求I所述的无线传感器网络节点太阳能充电及蓄电池放电保护电路，其特征是太阳能电池(I)给蓄电池(3)充电时，分流稳压器/I输出的基准电压通过电阻/ 3、例分压后提供给比较器ARl的正向输入端；蓄电池(3)的电压通过电阻仍、/ 6分压后提供给比较器ARl的反向输入端；当比较器ARl反向输入端电压高于正向输入端电压时，t匕较器ARl输出低电平，三极管VTI截止，关闭充电保护电路(2 )，停止给蓄电池(3 )充电；反之，比较器ARl输出高电平，三极管VTl导通，开通充电电路充电保护电路(2)，蓄电池(3)充电。
全文摘要
本发明公开一种太阳能供电装置中无线传感器网络节点太阳能充电及蓄电池放电保护电路，充电保护电路具有比较器AR1、三极管VT1、稳压管D1和分流稳压器J1，放电保护电路具有比较器AR2、分流稳压器J2、三极管VT5、P-MOS管VT2、VT4和N-MOS管VT3；蓄电池在其电压接近额定电压-10%时，放电保护电路处于滞回区低阈值电压UTHL状态；蓄电池电压接近UTHL+0.3V时，放电保护电路处于滞回区高阈值电压UTHH状态；通过电路实现蓄电池放电保护和恢复供电的电压差，消除放电保护电路在作用时的电压振荡现象，不仅有效防止太阳能电池板充电过程中的过充，还可在连续日照不足的情况下不因过放电损坏蓄电池。
文档编号H02H7/18GK102801192SQ20121028298
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者陈祖爵, 王冬冬, 严晨哲, 刘文平, 闫述, 曹清华 申请人:江苏大学