一种带有自发电机构的无线运动传感器

1.本发明涉及集成电路和传感器技术领域，具体涉及一种带有自发电机构的无线运动传感器。


背景技术：

2.智能化正在渗透人类社会的各个角落，运动也不例外。为了分析运动过程中的发力大小、方向、姿势和运动量大小，以便更有效发力、控制发力角度、姿势和运动量，低功耗运动传感器对体育的科学化和智能化必不可少。现在的运动传感器为了方便佩戴，多使用内置电池充电或更换电池进行电量维系，一是造成能源浪费，二是容易出现电量不足但用户不知晓从而导致无法运作的意外发生。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供了一种可以自发电的运动传感器，不仅能够保证运动传感器的正常使用，还无需进行外接充电。
4.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种带有自发电机构的无线运动传感器，包括自发电装置，电源管理和模组控制芯片，多维运动传感器，电池和通信模组，自发电装置包括同心且空心的内球（2）和外球（3），内球中设置有一对或多对互相垂直的磁极(1)，外球（3）的内部或外部环绕有一个或多个互相垂直的绕组（4），绕组（4）均与电源管理和模组控制芯片电连接，用于将感应电动势产生的电流整流为电池充电，多维运动传感器设置在外球中，与电源管理和模组控制芯片电连接，用于将运动产生的加速度转换成电压或电流信号，电源管理和模组控制芯片将电压或电流信号放大、滤波、采样后通过通信模组与外部装置电连接，用于进行下一步运算和存储。
5.进一步的，电源管理和模组控制芯片的电路连接结构包括微电压整流电路，充电管理保护电路，所述整流电路与绕组连接，所述充电管理与保护电路为电池充电。
6.进一步的，微电压整流电路包括：一个或多个绕组分别与一个整流电路并联，并联后的电路串联在一起后将两端分别接到充电管理保护电路的正极和负极。
7.进一步的，整流电路为：绕组两端a1、a2分别接入四个晶体管，其中a1接入晶体管p2及n2的栅极、p1的源极和n1的漏极，a2接入晶体管p1及n1的栅极、p2的漏极及n2的源极，p1的漏极与p2的源极相接后连接至充电管理保护电路，n1的源极与n2的漏极相接后串联稳压三极管后连接至充电管理保护电路。
8.进一步的，充电管理保护电路包括两个三极管t1、t2，二极管d1、d2和保护电阻r1、r2，t1的发射极与微电压整流电路一端，t1基极与t2集电极相接后经过保护电阻r1与微电压整流电路另一端相连，t1集电极和t2发射极相连后接入待充电电源，t2基极串联一对反接的稳压二极管d1、d2和r2后接入待充电电源另一端。
9.进一步的，保护电阻r1、r2与待充电电源的连接端接地。
10.进一步的，电源管理和模组控制专用芯片通过通信模组与外部装置存在数据传输，加密、纠错编码和出错重传策略。
11.进一步的，自发电装置为可插拔结构。
12.本发明的优点在于：这种带有自发电机构和微电压整流电路的无线运动传感器可以佩戴在手腕、运动鞋的中央前部或者内置在运动鞋内，多维运动传感器可以收集多维运动信息，专用芯片对这些信号进行所需的处理，将数据存储到所述芯片内置的存储器内，并利用通信模组将数据外传，实现加密、纠错编码和出错重传等传输策略，为运动数据的采集提供了方便。
13.另外，传感器可以将例如但不限于加速度等转换成电压或电流信号，这些电压或电流信号连接到所述电源管理和模组控制专用芯片，其特有的自发电功能和无线充电功能可以将运动产生的动能转换为电能存储，不需要额外过度消耗电能支撑传感器的运作，系统不会因电池电量受限。
14.本方案公开的微电压整流电路可以将微伏级的交流电压进行整流，实现绕组的微型化， 多级微电压整流电路串联可以得到任意高的电压，在电源管理电路的控制下，对电池进行有效充电，而充电管理和保护电路可以防止自发电装置或外部充电装置对电池过度充电。本发明的自发电装置可以插拔，当需要时将自发电装置插入，实现自动发电；当不需要时，可以将其卸下，利用无线充电或者外部有线充电。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图；图2为内球磁极结构示意图；图3为外球绕组结构示意图；图4为绕组、微电压整流电路和充电管理保护电路结构示意图；图5为微电压整流电路放大图；其中，1-磁极，2-内球，3-外球，4-绕组。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明提出一种如图1所示的带有自发电机构的无线运动传感器，包括自发电装置，电源管理和模组控制芯片，多维运动传感器，电池和通信模组，自发电装置包括同心且空心的内球（2）和外球（3）。参考图2，内球（2）中设置有一对或多对互相垂直的磁极(1)，当所述装置安装在运动部位时， 内球（2）会在外球（3）内部滚动或者跳动，从而形成运动的磁场。参考图3，外球（3）的内部或外部环绕有一个或多个互相垂直的绕组（4），所述运动的磁场会在各个绕组内产生感应电动势。
18.绕组（4）均与电源管理和模组控制芯片电连接，用于将感应电动势产生的电流整流为电池充电，多维运动传感器设置在外球中，与电源管理和模组控制芯片电连接，用于将
运动产生的加速度转换成电压或电流信号，电源管理和模组控制芯片将电压或电流信号放大、滤波、采样后通过通信模组与外部装置电连接，用于进行下一步运算和存储。
19.图4示出的是电源管理和模组控制芯片的电路连接结构，包括微电压整流电路，充电管理保护电路，整流电路与绕组连接，充电管理与保护电路为电池充电。
20.微电压整流电路包括：n 个（n为自然数）绕组分别与一个整流电路并联，整流电路如附图 4 中的c1，c2和cn，并联后的电路串联在一起并将两端分别接到充电管理电路的正极和负极。充电管理保护电路包括两个三极管t1、t2，二极管d1、d2和保护电阻r1、r2，t1的发射极与微电压整流电路一端，t1基极与t2集电极相接后经过保护电阻r1与微电压整流电路另一端相连，t1集电极和t2发射极相连后接入待充电电源，t2基极串联一对反接的稳压二极管d1、d2和r2后接入待充电电源另一端。
21.初始时，电池电量为空或者电量比较低，稳压管d1和二极管d2不能导通，晶体管t2关闭，晶体管t1打开，如果串联后经整流的电压足够高，则图4所示电路开始对电池充电。充满电或电池电量足够高时，稳压管d1和二极管d2导通，晶体管t2打开，一方面卸掉过充的电流，另一方面通过负反馈的作用，升高晶体管t1基极的电压，使t1趋于关闭，直到关闭，防止对电池过度充电，从而保护电池。
22.如图5所示，整流电路具体连接方式为：绕组两端a1、a2分别接入四个晶体管，其中a1接入晶体管p2及n2的栅极、p1的源极和n1的漏极，a2接入晶体管p1及n1的栅极、p2的漏极及n2的源极，p1的漏极与p2的源极相接后连接至充电管理保护电路，n1的源极与n2的漏极相接后串联稳压三极管后连接至充电管理保护电路。保护电阻r1、r2与待充电电源的连接端接地。当a1的微电压高于a2端时， 晶体管p1和晶体管n2导通或者亚阈值导通，产生端点z到节点x到端点f的电流；当a2的微电压高于a1端时，晶体管p2和晶体管n1导通或者亚阈值导通，产生端点z到节点x到端点f的电流。晶体管n3防止电流由端点f流入。多级微电压整流电路串联后可以得到任意高的电压，在所述专用芯片的控制下对电池充电。
23.电源管理和模组控制专用芯片可以对运动传感器所产生的电信号进行滤波、放大、采样和运算，得到所需的运动数据，将数据存储到芯片内置的存储器内，并利用通信模组将数据外传，例如但不限于实现加密、纠错编码和出错重传等传输策略。
24.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。