專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器，尤其是一種低功 耗、高精度的鋰電池電量檢測的方法。
背景技術(shù)L無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體積為小， 一般攜帶能量十分有限的電池，當(dāng)電池電量 耗盡時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即失效。故節(jié)點(diǎn)能量的檢測對于估計(jì)節(jié)點(diǎn)壽命和通信能力有重要意義，在 分層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簇首輪換時(shí)，節(jié)點(diǎn)能量也是首先要考慮的因素。最早應(yīng)用的方法是通過監(jiān)視 電池開路電壓來獲得剩余容量。這是因?yàn)殡姵囟穗妷汉褪Ｓ嗳萘恐g有一個(gè)確定的關(guān)系， 測量電池端電壓即可估算其剩余容量。這種方法的局限是1)對于不同廣商生產(chǎn)的電池， 其開路電壓與容量之間的關(guān)系各不相同。2)只有通過測量電池空載時(shí)的開路電壓才能獲 得相對準(zhǔn)確的結(jié)果，但是大多數(shù)應(yīng)用都需要在運(yùn)行中了解電池的剩余容量，此時(shí)負(fù)載電流 在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降將會影響開路電壓測量精度。而電池內(nèi)阻的離散性很大，且隨著電池 老化這種離散性將變得更大，因此要補(bǔ)償該壓降帶來的誤差將十分困難。綜上所述，通過 開路電壓來實(shí)時(shí)估算電池剩余容量的方法在實(shí)際應(yīng)用中無法達(dá)到足夠的精度，只能提供一 個(gè)大致的參考值。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種低功耗、高精度 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器。
本實(shí)用新型根據(jù)電池閑置一段時(shí)間后的開路電壓來估算可充電鋰離子和鋰離子聚合 物電池的可用電量；高速率放電時(shí)使用庫侖計(jì)來估算相對電量；并根據(jù)測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn) 行補(bǔ)償，能夠獲得較精確的電池剩余電量值。
本實(shí)用新型由Maxim公司的基于開路電壓(OCV)的獨(dú)立式電量計(jì)芯片DS2786、檢流 電阻及外圍無源器件構(gòu)成鋰電池電量計(jì)，并通過Silicon Laboratories公司的超低功耗微控 制器C8051F920對其進(jìn)行控制，二者通過PC總線進(jìn)行連接。
電量計(jì)由Maxim公司的基于開路電壓(OCV)的獨(dú)立式電量計(jì)芯片DS2786、檢流電阻 及外圍無源器件構(gòu)成，并通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線與控制單元相連；該電路的連接關(guān)系為第 一電阻(Rl)與第二電阻(R2)—端同時(shí)接DS2786 (U2)的VOUT端，第一電阻(Rl) 的另一端通過第三電阻(R3)串接到DS2786 (U2)的AIN1端，第二電阻(R2)的另一 端通過第四電阻(R4)串接到DS2786 (U2)的AIN0端；第五電阻(R5) —端接系統(tǒng)地， 另一端接第一電阻(Rl)和第三電阻(R3)的公共節(jié)點(diǎn)；第六電阻(R6) —端接系統(tǒng)地， 另一端接第二電阻(R2)和第四電阻(R4)的公共節(jié)點(diǎn)；第七電阻(R7)和第八電阻(R8) —端同時(shí)接電池正極，第七電阻(R7)另一端接DS2786 (U2)的VIN端；第八電阻(R8) 另一端經(jīng)第一電容(Cl)后和電池負(fù)極接DS2786 (U2)的VSS端；第九電阻(R9)為 檢流電阻， 一端接電池負(fù)極，另一端接系統(tǒng)地；第八電阻(R8)和第一電容(Cl)的公共節(jié)點(diǎn)接DS2786 (U2)的VDD端。
控制單元由Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外圍電路 構(gòu)成，并通過標(biāo)準(zhǔn)的fC總線與電量計(jì)芯片DS2786 (U2)相連；該電路的連接關(guān)系為 第一晶振(Yl)連接在C8051F920 (Ul)的XTAL4和XTAL3端，構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘；第三 電容(C3)、第四電容(C4)、第二晶振(Y2)構(gòu)成了C8051F920 (Ul)的外圍振蕩電路， 其中，第二晶振(Y2)并接在C8051F920 (Ul)的XTAL1和XTAL2兩端，第三電容(C3) 一端接第二晶振(Y2)，另一端接地，第四電容(C4)—端接第二晶振(Y2)，另一端接 地；第二電容(C2)與第一按鍵(SW1)并聯(lián)， 一端接地另一端經(jīng)第十電阻(R10)后接 電源正極，構(gòu)成復(fù)位電路，第二電容(C2)、第一按鍵(SW1)和第十電阻(R10)的公 共節(jié)點(diǎn)通過第^^一電阻(R11)和第十二電阻(R12)連到C8051F920 (Ul)的RST復(fù)位 端；第十三電阻(R13)和第十四電阻(R14)的一端同時(shí)接連接器J1的第4管腳，第十 三電阻(R13)的另一端接C8051F920 (Ul)的P2.7/C2D端，第十四電阻(R14)的另一 端接連接器J1的第6管腳，構(gòu)成了C8051F920 (Ul)的JTAG調(diào)試電路。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
本實(shí)用新型為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)能量檢測提供了一種低功耗、高精度的解 決方案和檢測方法。

圖l是本實(shí)用新型能量檢測器原理框圖2是由DS2786和外圍無源器件構(gòu)成的電量計(jì)原理圖3是由C8051F920和外圍器件構(gòu)成的控制單元原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:
如圖1所示，本實(shí)用新型提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器，由相互連接的電 量計(jì)和控制單元及其外圍電路構(gòu)成。
圖2是由DS2786和外圍無源器件構(gòu)成的電量計(jì)原理圖，其中，鋰離子電池包接在V 十和DS2786的VSS端。該電路的具體連接關(guān)系為第一電阻(Rl)與第二電阻(R2) —端同時(shí)接DS2786 (U2)的VOUT端，第一電阻(Rl)的另一端通過第三電阻(R3) 串接到DS2786 (U2)的AIN1端，第二電阻(R2)的另一端通過第四電阻(R4)串接到 DS2786 (U2)的AINO端；第五電阻(R5)—端接系統(tǒng)地，另一端接第一電阻(Rl)和 第三電阻(R3)的公共節(jié)點(diǎn)；第六電阻(R6) —端接系統(tǒng)地，另一端接第二電阻(R2) 和第四電阻(R4)的公共節(jié)點(diǎn)；第七電阻(R7)和第八電阻(R8) —端同時(shí)接電池正極， 第七電阻(R7)另一端接DS2786 (U2)的VIN端；第八電阻(R8)另一端經(jīng)第一電容(Cl)后和電池負(fù)極接DS2786 (U2)的VSS端；第九電阻(R9)為檢流電阻， 一端接 電池負(fù)極，另一端接系統(tǒng)地；第八電阻(R8)和第一電容(C1)的公共節(jié)點(diǎn)接DS2786 (U2) 的VDD端。
該電量計(jì)安裝在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源入口處，可以實(shí)時(shí)檢測該節(jié)點(diǎn)的剩余電量。在 工作模式下，DS2786作為高精度電池監(jiān)視器連續(xù)測量溫度、電壓、輔助輸入和累積電流 并更新測量寄存器中的結(jié)果數(shù)據(jù)。在電池充電或放電期間，DS2786對流入或流出電池的 電流進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，DS2786等待電池電壓恢復(fù)，然后根據(jù)存儲在器件 EEPROM中的電池開路電壓模型對庫侖計(jì)進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算結(jié)果以0%至100%范圍的百分 比形式向系統(tǒng)報(bào)告。
圖3是控制單元原理圖，控制單元由Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器 C8051F920及其外圍電路構(gòu)成，并通過標(biāo)準(zhǔn)的fC總線與電量計(jì)芯片DS2786 (U2)相連； 該電路的連接關(guān)系為第一晶振(Yl)連接在C8051F920 (Ul)的XTAL4和XTAL3端， 構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘；第三電容(C3)、第四電容(C4)、第二晶振(Y2)構(gòu)成了 C8051F920 (Ul) 的外圍振蕩電路，其中，第二晶振(Y2)并接在C8051F920 (Ul)的XTAL1和XTAL2 兩端，第三電容(C3) —端接第二晶振(Y2)，另一端接地，第四電容(C4) 一端接第二 晶振(Y2)，另一端接地；第二電容(C2)與第一按鍵(SW1)并聯(lián)， 一端接地另一端經(jīng) 第十電阻(R10)后接電源正極，構(gòu)成復(fù)位電路，第二電容(C2)、第一按鍵(SW1)和 第十電阻(R10)的公共節(jié)點(diǎn)通過第i電阻(R11)和第十二電阻(R12)連到C8051F920 (Ul)的RST復(fù)位端；第十三電阻(R13)和第十四電阻(R14)的一端同時(shí)接連接器J1 的第4管腳，第十三電阻(R13)的另一端接C8051F920 (Ul)的P2.7/C2D端，第十四 電阻(R14)的另一端接連接器J1的第6管腳，構(gòu)成了C8051F920 (Ul)的JTAG調(diào)試電 路。
C8051F920是業(yè)界首款操作電壓最低可達(dá)0.9V的微控制器，其8位架構(gòu)包含1個(gè)高 效率直流升壓轉(zhuǎn)換器，最多提供65mW電力給內(nèi)部微控制器和其它組件，特別適合可更換 電池的產(chǎn)品，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，支持單/雙電池模式。在本應(yīng)用中，使用了C8051920 的fC^功能，通過fC接口對DS2786的狀態(tài)寄存器、配置寄存器和測量寄存器進(jìn)行讀/ 寫訪問。其它IO口可以作為通用IO或模擬電壓輸入連接無線模塊、傳感器模塊、顯示模 塊等。
權(quán)利要求1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器，由相互連接的DS2786電量計(jì)和C8051F920控制單元及其外圍電路構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器，其特征在于所述的電 量計(jì)由Maxim公司的基于開路電壓(OCV)的獨(dú)立式電量計(jì)芯片DS2786、檢流電阻及外圍 無源器件構(gòu)成，并通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線與控制單元相連；該電路的連接關(guān)系為第一電阻(Rl)與第二電阻(R2) —端同時(shí)接DS2786 (U2)的VOUT端，第一電阻(Rl)的另 —端通過第三電阻(R3)串接到DS2786 (U2)的AIN1端，第二電阻(R2)的另一端通 過第四電阻(R4)串接到DS2786 (U2)的AIN0端；第五電阻(R5) —端接系統(tǒng)地，另 一端接第一電阻(Rl)和第三電阻(R3)的公共節(jié)點(diǎn)；第六電阻(R6) —端接系統(tǒng)地， 另一端接第二電阻(R2)和第四電阻(R4)的公共節(jié)點(diǎn)；第七電阻(R7)和第八電阻(R8) —端同時(shí)接電池正極，第七電阻(R7)另一端接DS2786 (U2)的VIN端；第八電阻(R8) 另一端經(jīng)第一電容(Cl)后和電池負(fù)極接DS2786 (U2)的VSS端；第九電阻(R9)為 檢流電阻， 一端接電池負(fù)極，另一端接系統(tǒng)地；第八電阻(R8)和第一電容(Cl)的公 共節(jié)點(diǎn)接DS2786 (U2)的VDD端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器，其特征在于所述的控 制單元由Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外圍電路構(gòu)成，并 通過標(biāo)準(zhǔn)的fC總線與電量計(jì)芯片DS2786 (U2)相連；該電路的連接關(guān)系為第一晶振(Yl)連接在C8051F920 (Ul)的XTAL4和XTAL3端，構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘；第三電容(C3)、 第四電容(C4)、第二晶振(Y2)構(gòu)成了C8051F920 (Ul)的外圍振蕩電路，其中，第二 晶振(Y2)并接在C8051F920 (Ul)的XTAL1和XTAL2兩端，第三電容(C3) —端接 第二晶振(Y2)，另一端接地，第四電容(C4) 一端接第二晶振(Y2),另一端接地；第 二電容(C2)與第一按鍵(SW1)并聯(lián)， 一端接地另一端經(jīng)第十電阻(R10)后接電源正 極，構(gòu)成復(fù)位電路，第二電容(C2)、第一按鍵(SW1)和第十電阻(R10)的公共節(jié)點(diǎn) 通過第H^—電阻(R11)和第十二電阻(R12)連到C8051F920 (Ul)的RST復(fù)位端；第 十三電阻(R13)和第十四電阻(R14)的一端同時(shí)接連接器J1的第4管腳，第十三電阻(R13)的另一端接C8051F920 (Ul)的P2.7/C2D端，第十四電阻(R14)的另一端接連 接器J1的第6管腳，構(gòu)成了C8051F920 (Ul)的JTAG調(diào)試電路。
專利摘要一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量檢測器。本實(shí)用新型提供的能量檢測器，由Maxim公司的基于開路電壓(OCV)的獨(dú)立式電量計(jì)芯片DS2786和控制核心——SiliconLaboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外圍電路構(gòu)成。本實(shí)用新型提供了一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量管理的硬件解決方案，根據(jù)電池閑置一段時(shí)間后的開路電壓來估算可充電鋰離子和鋰離子聚合物電池的可用電量；高速率放電時(shí)使用庫侖計(jì)來估算相對電量；并根據(jù)測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠獲得較精確的電池剩余電量值。
文檔編號G01R31/36GK201293826SQ200820143409
公開日2009年8月19日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者波 劉, 孫桂玲, 張潺潺, 李維祥, 紀(jì)永鑫 申請人:南開大學(xué)