低功耗无线测温装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911299394.4 (22)申请日 2019.12.17 (71)申请人 协成科技股份有限公司 地址 361000 福建省厦门市同安区环东海 域美溪道湖里工业园41#厂房一层 (72)发明人 刘建宁 (74)专利代理机构 厦门市精诚新创知识产权代 理有限公司 35218 代理人 何家富 (51)Int.Cl. G01K 1/02(2006.01) G08C 17/02(2006.01) (54)发明名称 一种低功耗无线测温装置 (57)摘要 本发明公开了一种低功耗无线测。

2、温装置, 涉 及电力检测设备领域, 包括微控制器、 温度传感 器、 无线模块、 电池和电源管理模块; 所述微控制 器做如下配置: 在休眠状态采用停止模式, 采用 RTC时钟自动唤醒; 所有未使用的I/O口被配置为 模拟输入; 所有使用的I/O被配置为停止模式下 的电平位置; 在进入休眠状态时, 停止外设和时 钟, 停止PLL、 HSI、 HSE; 在唤醒后, 配置系统时钟, 开启外设和时钟, 执行温度采集和/或无线发送; 所述温度传感器在控制器的控制下, 周期性地进 行温度采集; 所述无线模块由控制器控制休眠或 唤醒, 周期性第进行数据发送。 通过全面的低功 耗优化, 实现无线温度检测装置的超。

3、低功耗长时 间运行。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 110793655 A 2020.02.14 CN 110793655 A 1.一种低功耗无线测温装置, 包括微控制器、 温度传感器、 无线模块、 电池和电源管理 模块; 所述微控制器做如下配置: 在休眠状态采用停止模式, 采用RTC时钟自动唤醒; 所述微 控制器的所有未使用的I/O口被配置为模拟输入; 所有使用的I/O被配置为停止模式下的电 平位置; 在进入休眠状态时, 配置外设模式为停止外设和时钟, 停止控制器内部的PLL、 HSI、 HSE; 在唤醒后, 配置系统时钟, 开启外设和时钟, 执行温度采集和/或无线发送; 所述。

4、温度传感器在控制器的控制下, 周期性地进行温度采集; 所述无线模块采用射频模块CC1101, 所述无线模块由控制器控制睡眠或唤醒, 周期性 地进行数据发送; 所述电源管理模块为升压降压DC-DC转换模块, 电池经电源管理模块后给控制器、 温度 传感器和无线模块供电。 2.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 所述微控制器为STM32L051 系列微控制器。 3.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 所述温度传感器为TMP112。 4.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 所述无线模块的工作频段为 400-464MHz。 5.如权利要求1所述的低功。

5、耗无线测温装置, 其特征在于: 所述执行温度采集和/或无 线发送, 为多次温度采集后集中发送。 6.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 所述电池为锂亚电池。 7.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 所述电源管理模块的电源管 理芯片为XC6201P332MR。 8.如权利要求1所述的低功耗无线测温装置, 其特征在于: 低功耗无线测温装置还设置 有外部天线, 所述外部天线用于增大无线模块的发射增益。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110793655 A 2 一种低功耗无线测温装置 技术领域 0001 本发明涉及电力检测设备领域, 尤其涉及一种低功耗无线测温装。

6、置。 背景技术 0002 无线测温在开关柜在线测温中虽然有较多的优点, 但在实际应用中也面临着一些 问题。 其中, 温度传感器和微处理器供电电源是关键问题。 一般采用如下方法: 0003 1.光电池供电。 光电池是一种特殊的半导体二极管, 能将可见光转化为直流电。 在 光线的照射下将光能转变为电动势来达到供电的目的。 此方案很难在高压开关中应用, 因 为开关柜内部空间狭小, 安装光源不易, 光源利用率不高, 寿命难以保证。 0004 2.CT感应取电。 在母线上安装电流互感器通过电磁感应原理获得电源经过整流、 滤波、 稳压等处理后得到直流电作为供电电源。 这种方法不需要外部供电, 但也存在一定。

7、的 局限性, 最关键问题就是感应电流的不稳定性。 母线电流在正常运行过程中经常变化, 从几 安培到几千安培, 变化波动范围广, 通过感应母线电流得到的电压大小也会产生极大波动 变化。 实时在线测温系统在工作时需要稳定电源, 所以不太适用于实时在线测温。 发明内容 0005 有鉴于现有技术的上述缺陷, 本发明的目的是提供一种采用电池供电的低功耗无 线测温装置, 通过节能控制, 以实现长时间超低功耗运行, 在开关柜的检修周期内, 可以持 续监测而不需要更换电池。 0006 为实现上述目的, 本发明提供了一种低功耗无线测温装置, 包括微控制器、 温度传 感器、 无线模块、 电池和电源管理模块; 00。

8、07 所述微控制器做如下配置: 在休眠状态采用停止模式, 采用RTC时钟自动唤醒; 所 述微控制器的所有未使用的I/O口被配置为模拟输入; 所有使用的I/O被配置为停止模式下 的电平位置; 在进入休眠状态时, 配置外设模式为停止外设和时钟, 停止控制器内部的PLL、 HSI、 HSE; 在唤醒后, 配置系统时钟, 开启外设和时钟, 执行温度采集和/或无线发送; 0008 所述温度传感器在控制器的控制下, 周期性地进行温度采集; 0009 所述无线模块采用射频模块CC1101, 所述无线模块由控制器控制睡眠或唤醒, 周 期性地进行数据发送; 0010 所述电源管理模块为升压降压DC-DC转换模块。

9、, 电池经电源管理模块后给控制器、 温度传感器和无线模块供电。 0011 进一步的, 所述微控制器为STM32L051系列微控制器。 0012 进一步的, 所述温度传感器为TMP112。 0013 进一步的, 所述无线模块的工作频段为400-464MHz。 0014 进一步的, 所述执行温度采集和/或无线发送, 为多次温度采集后集中发送。 0015 进一步的, 所述电池为锂亚电池。 0016 进一步的, 所述电源管理模块的电源管理芯片为XC6201P332MR。 说明书 1/4 页 3 CN 110793655 A 3 0017 进一步的, 低功耗无线测温装置还设置有外部天线, 所述外部天线用。

10、于增大无线 模块的发射增益。 0018 本发明实现了如下技术效果: 0019 本发明的一种低功耗无线测温装置, 通过选择低功耗的控制器、 温度传感器和无 线模块, 还进一步优化控制器和无线模块的管脚及内部模式的配置, 及提高电池的转换效 率和电能的有效利用, 通过全面的低功耗优化, 实现无线温度检测装置的超低功耗长时间 运行。 附图说明 0020 图1是本发明的一个较佳实施例的无线测温装置的电路原理图; 0021 图2是本发明实施例的无线模块的电路原理图; 0022 图3是本发明实施例的微控制器的休眠-唤醒流程图; 0023 图4是本发明实施例的的无线模块的工作流程。 具体实施方式 0024 。

11、为进一步说明各实施例, 本发明提供有附图。 这些附图为本发明揭露内容的一部 分, 其主要用以说明实施例, 并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。 配合参 考这些内容, 本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。 图中 的组件并未按比例绘制, 而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。 0025 现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 0026 如图1所示, 本发明给出了一种低功耗无线测温装置, 包括电池、 电源管理模块、 温 度传感器、 控制器和无线模块。 0027 在本实施例中, 微处理器选用选用ST公司的STM32L051系列低功耗微处理器。 由于 本装置。

12、仅负责温度监测, 而温度监测仅需要周期性的工作, 因此, 为达到超低功耗, 微控制 器需要采用唤醒机制, 在唤醒期间进行温度采集和无线发送; 在完成后采集发送后, 微控制 器进入低功耗的休眠状态。 0028 微处理器STM32L051的低功耗模式有: 待机模式和STOP模式。 0029 待机模式, 控制器的功耗最低, 但在待机模式下, MCU处于不受控制的状态, 存在如 下问题: 所有的I/O管脚都工作在高阻抗的状态下, 每次唤醒相当于系统复位, RAM中的数据 全部丢失, 在有外部器件连接的情况下, 器件管脚可能会吸收大量的电流, 反而达不到低功 耗要求。 0030 在本实施例中, 微处理器。

13、的休眠状态采用停止模式(STOP模式), 在停止模式下, PLL、 HSI、 HSE都被停止, RAM和寄存器的值保留。 同时为减少器件管脚的引流, 没有使用的管 脚设置为模拟输入, 使用中的I/O管脚根据该管脚在微处理器处于停止模式时的电平进行 设置。 0031 微控制器在唤醒状态, 执行温度采集和无线发送。 0032 微控制器的 “唤醒” 方式有多种, 如外部中断、 中断事件、 RTC自动唤醒等。 RTC自动 唤醒中断符合无线测温装置无人工操作的需求, 设置倒计时一定时间后, 自动唤醒微控制 器以执行程序。 因此, 在本实施例中, 采用RTC自动唤醒模式, 在唤醒后进行定时的温度采集 说明。

14、书 2/4 页 4 CN 110793655 A 4 和数据发送。 为进一步降低功耗, 微控制器还可以降低系统时钟和关闭APB和AHB总线上未 被使用的外设时钟。 0033 微控制器的休眠-唤醒流程具体如图3所示, 包括以下步骤: 0034 (1)MCU上电初始化, 配置RTC模式; 0035 (2)配置RTC的唤醒时间, 将唤醒时间写入计数寄存器; 0036 (3)将与外设连接的GPIO管脚配置为上拉模拟输入, 关闭系统时钟及外设时钟; 0037 (4)进入停止模式(STOP模式)选择关闭电源, 清除唤醒标记, 等待RTC计数器递减 唤醒; 0038 (5)唤醒后, 重新配置系统时钟, 开启。

15、外设及时钟, 进入TMP112温度采集程序和/或 无线发送程序。 0039 在本实施例中, 温度传感器采用TI公司的超低功耗数字温度传感器TMP112。 TMP112采用超小型外形尺寸晶体管SOT563封装。 测温精度在0至+65时, 为0.5(最大 值)读取分辨率能够达到0.0625。 静态电流达到10 A, 关断电流可达到1 A。 供电电源范围 在1.4V至3.6V, 采集分辨率可达12位, 满足开关柜的温度监测要求。 其参考电路图如图1所 示。 温度传感器TMP112通过I2C接口(SCL和SDA)和微控制器连接, SCL和SDA线上通过接上拉 电阻R132、 R133输出高电平, 温度。

16、传感器TMP112没有做关断设置, 为保证测量温度的准确, 温度传感器TMP112是一直处于工作状态, 以保证当微控制器唤醒时, 可即时采集温度传感 器TMP112测量的温度。 0040 在本实施例中, 无线模块采用CC1101射频模块, CC1101射频模块的电路图如图2所 示。 无线模块CC1101工作频段为300-348MHz、 400-464MHz和800-928MHz, 可通过软件配置到 433MHz, 信号穿透性强, 传输距离远, 适用于工业数据采集场合。 同时CC1101配置简单, 启动 快, 可在短时间内完成唤醒、 数据发送, 然后返回休眠状态。 无线模块可接外部天线, 通过外。

17、 部天线增益, 传输距离可达1KM。 无线模块CC1101的电流损耗低,在接收模式为15.6mA, 休眠 模式小于0.5uA。 输出功率可编程, 最大发射电流28.8mA, 发射功率可达+10dBm, 采用SPI通 信接口。 CCll01主要有睡眠、 空闲、 发送、 接收四种工作模式。 考虑采集侧的特殊性, 只需要 关注发送模式下的低功耗, 模块发送模式消耗电流是整个节点系统中功耗最大的一部分, 通过调整无线模块的发射功率, 可以降低节点整体功耗。 0041 如图4所示, 为了使CC1101模块运行低功耗, CC1101模块等待发送数据的时间间隔 内, CC1101模块处于睡眠状态, 由MCU。

18、控制CC1101模块的CSn管脚状态将其唤醒。 CC1101模块 唤醒后进入IDLE模式, 再写入SRX或STX指令, 并进行频率校准后, CC1101模块进入RX或TX模 式。 0042 为进一步降低无线模块的功耗, 在本实施例中, 采用多次采集后集中发送的方式, 从表1的数据可以看出, 这种方式可有效降低无线发送功耗。 0043 表1无线测温装置每小时功耗 说明书 3/4 页 5 CN 110793655 A 5 0044 0045 在本实施例中, 电池采用锂亚电池, 标准输出电压为3.6V。 该电池安全可靠, 不会 因放电过度在20电量时, 电压跌落到1.3V, 进入低电压。 0046 。

19、常规的采用电池直供或LDO降压的电路, 线路的损耗较大, 同时当电池处于低电压 时, 系统不能正常工作。 0047 在本实施例中, 电池通过电源管理模块给系统供电, 提供稳定电源。 电源管理模块 采用XC6201P332MR, 为升压降压DC-DC转换模块, 输入电压范围为1.3V-6.0V, 电源管理模块 XC6201在输出为3.3V/100mA下转换效率可达90, 可大大提高电池的利用率, 在低电压模 式仍能正常工作, 当电池剩余电量为10时, 仍能有效工作, 可有效延长运行时间。 0048 通过控制工作时间的单位功耗和待机时间的功耗, 可通过合理限度的延长温度采 集周期和无线发送周期, 以进一步提高装置的运行周期。 0049 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明, 但所属领域的技术人员应该明 白, 在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内, 在形式上和细节上可以对 本发明做出各种变化, 均为本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 110793655 A 6 图1 说明书附图 1/4 页 7 CN 110793655 A 7 图2 说明书附图 2/4 页 8 CN 110793655 A 8 图3 说明书附图 3/4 页 9 CN 110793655 A 9 图4 说明书附图 4/4 页 10 CN 110793655 A 10 。

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