CN201293826Y - 无线传感器网络节点的能量检测器 - Google Patents
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Abstract
一种无线传感器网络节点的能量检测器。本实用新型提供的能量检测器，由Maxim公司的基于开路电压(OCV)的独立式电量计芯片DS2786和控制核心——SiliconLaboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外围电路构成。本实用新型提供了一种低功耗无线传感器网络节点能量管理的硬件解决方案，根据电池闲置一段时间后的开路电压来估算可充电锂离子和锂离子聚合物电池的可用电量；高速率放电时使用库仑计来估算相对电量；并根据测得的温度数据进行补偿，能够获得较精确的电池剩余电量值。
Description
【技术领域】：
本实用新型涉及一种无线传感器网络节点的能量检测器，尤其是一种低功耗、高精度的锂电池电量检测的方法。
【背景技术】：
无线传感器节点的体积为小，一般携带能量十分有限的电池，当电池电量耗尽时，节点立即失效。故节点能量的检测对于估计节点寿命和通信能力有重要意义，在分层网络进行簇首轮换时，节点能量也是首先要考虑的因素。最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间有一个确定的关系，测量电池端电压即可估算其剩余容量。这种方法的局限是：1)对于不同厂商生产的电池，其开路电压与容量之间的关系各不相同。2)只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果，但是大多数应用都需要在运行中了解电池的剩余容量，此时负载电流在内阻上产生的压降将会影响开路电压测量精度。而电池内阻的离散性很大，且随着电池老化这种离散性将变得更大，因此要补偿该压降带来的误差将十分困难。综上所述，通过开路电压来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度，只能提供一个大致的参考值。
【实用新型内容】：
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种低功耗、高精度的无线传感器网络节点的能量检测器。
本实用新型根据电池闲置一段时间后的开路电压来估算可充电锂离子和锂离子聚合物电池的可用电量；高速率放电时使用库仑计来估算相对电量；并根据测得的温度数据进行补偿，能够获得较精确的电池剩余电量值。
本实用新型由Maxim公司的基于开路电压(OCV)的独立式电量计芯片DS2786、检流电阻及外围无源器件构成锂电池电量计，并通过Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920对其进行控制，二者通过I2C总线进行连接。
电量计由Maxim公司的基于开路电压(OCV)的独立式电量计芯片DS2786、检流电阻及外围无源器件构成，并通过标准的I2C总线与控制单元相连；该电路的连接关系为：第一电阻(R1)与第二电阻(R2)一端同时接DS2786(U2)的VOUT端，第一电阻(R1)的另一端通过第三电阻(R3)串接到DS2786(U2)的AIN1端，第二电阻(R2)的另一端通过第四电阻(R4)串接到DS2786(U2)的AIN0端；第五电阻(R5)一端接系统地，另一端接第一电阻(R1)和第三电阻(R3)的公共节点；第六电阻(R6)一端接系统地，另一端接第二电阻(R2)和第四电阻(R4)的公共节点；第七电阻(R7)和第八电阻(R8)一端同时接电池正极，第七电阻(R7)另一端接DS2786(U2)的VIN端；第八电阻(R8)另一端经第一电容(C1)后和电池负极接DS2786(U2)的VSS端；第九电阻(R9)为检流电阻，一端接电池负极，另一端接系统地；第八电阻(R8)和第一电容(C1)的公共节点接DS2786(U2)的VDD端。
控制单元由Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外围电路构成，并通过标准的I2C总线与电量计芯片DS2786(U2)相连；该电路的连接关系为：第一晶振(Y1)连接在C8051F920(U1)的XTAL4和XTAL3端，构成实时时钟；第三电容(C3)、第四电容(C4)、第二晶振(Y2)构成了C8051F920(U1)的外围振荡电路，其中，第二晶振(Y2)并接在C8051F920(U1)的XTAL1和XTAL2两端，第三电容(C3)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地，第四电容(C4)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地；第二电容(C2)与第一按键(SW1)并联，一端接地另一端经第十电阻(R10)后接电源正极，构成复位电路，第二电容(C2)、第一按键(SW1)和第十电阻(R10)的公共节点通过第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)连到C8051F920(U1)的RST复位端；第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)的一端同时接连接器J1的第4管脚，第十三电阻(R13)的另一端接C8051F920(U1)的P2.7/C2D端，第十四电阻(R14)的另一端接连接器J1的第6管脚，构成了C8051F920(U1)的JTAG调试电路。
本实用新型的优点和积极效果：
本实用新型为无线传感器网络节点的实时能量检测提供了一种低功耗、高精度的解决方案和检测方法。
【附图说明】：
图1是本实用新型能量检测器原理框图；
图2是由DS2786和外围无源器件构成的电量计原理图；
图3是由C8051F920和外围器件构成的控制单元原理图。
【具体实施方式】：
实施例1：
如图1所示，本实用新型提供的无线传感器网络节点的能量检测器，由相互连接的电量计和控制单元及其外围电路构成。
图2是由DS2786和外围无源器件构成的电量计原理图，其中，锂离子电池包接在V+和DS2786的VSS端。该电路的具体连接关系为：第一电阻(R1)与第二电阻(R2)一端同时接DS2786(U2)的VOUT端，第一电阻(R1)的另一端通过第三电阻(R3)串接到DS2786(U2)的AIN1端，第二电阻(R2)的另一端通过第四电阻(R4)串接到DS2786(U2)的AIN0端；第五电阻(R5)一端接系统地，另一端接第一电阻(R1)和第三电阻(R3)的公共节点；第六电阻(R6)一端接系统地，另一端接第二电阻(R2)和第四电阻(R4)的公共节点；第七电阻(R7)和第八电阻(R8)一端同时接电池正极，第七电阻(R7)另一端接DS2786(U2)的VIN端；第八电阻(R8)另一端经第一电容(C1)后和电池负极接DS2786(U2)的VSS端；第九电阻(R9)为检流电阻，一端接电池负极，另一端接系统地；第八电阻(R8)和第一电容(C1)的公共节点接DS2786(U2)的VDD端。
该电量计安装在无线传感器节点的电源入口处，可以实时检测该节点的剩余电量。在工作模式下，DS2786作为高精度电池监视器连续测量温度、电压、辅助输入和累积电流并更新测量寄存器中的结果数据。在电池充电或放电期间，DS2786对流入或流出电池的电流进行计数。当系统不工作时，DS2786等待电池电压恢复，然后根据存储在器件EEPROM中的电池开路电压模型对库仑计进行调整。计算结果以0％至100％范围的百分比形式向系统报告。
图3是控制单元原理图，控制单元由Silicon Laboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外围电路构成，并通过标准的I2C总线与电量计芯片DS2786(U2)相连；该电路的连接关系为：第一晶振(Y1)连接在C8051F920(U1)的XTAL4和XTAL3端，构成实时时钟；第三电容(C3)、第四电容(C4)、第二晶振(Y2)构成了C8051F920(U1)的外围振荡电路，其中，第二晶振(Y2)并接在C8051F920(U1)的XTAL1和XTAL2两端，第三电容(C3)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地，第四电容(C4)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地；第二电容(C2)与第一按键(SW1)并联，一端接地另一端经第十电阻(R10)后接电源正极，构成复位电路，第二电容(C2)、第一按键(SW1)和第十电阻(R10)的公共节点通过第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)连到C8051F920(U1)的RST复位端；第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)的一端同时接连接器J1的第4管脚，第十三电阻(R13)的另一端接C8051F920(U1)的P2.7/C2D端，第十四电阻(R14)的另一端接连接器J1的第6管脚，构成了C8051F920(U1)的JTAG调试电路。
C8051F920是业界首款操作电压最低可达0.9V的微控制器，其8位架构包含1个高效率直流升压转换器，最多提供65mW电力给内部微控制器和其它组件，特别适合可更换电池的产品，例如无线传感器网络等，支持单/双电池模式。在本应用中，使用了C8051920的I2CTM功能，通过I2C接口对DS2786的状态寄存器、配置寄存器和测量寄存器进行读/写访问。其它IO口可以作为通用IO或模拟电压输入连接无线模块、传感器模块、显示模块等。
Claims (3)
1、一种无线传感器网络节点的能量检测器，由相互连接的DS2786电量计和C8051F920控制单元及其外围电路构成。
2、根据权利要求1所述的无线传感器网络节点的能量检测器，其特征在于所述的电量计由Maxim公司的基于开路电压(OCV)的独立式电量计芯片DS2786、检流电阻及外围无源器件构成，并通过标准的I2C总线与控制单元相连；该电路的连接关系为：第一电阻(R1)与第二电阻(R2)一端同时接DS2786(U2)的VOUT端，第一电阻(R1)的另一端通过第三电阻(R3)串接到DS2786(U2)的AIN1端，第二电阻(R2)的另一端通过第四电阻(R4)串接到DS2786(U2)的AIN0端；第五电阻(R5)一端接系统地，另一端接第一电阻(R1)和第三电阻(R3)的公共节点；第六电阻(R6)一端接系统地，另一端接第二电阻(R2)和第四电阻(R4)的公共节点；第七电阻(R7)和第八电阻(R8)一端同时接电池正极，第七电阻(R7)另一端接DS2786(U2)的VIN端；第八电阻(R8)另一端经第一电容(C1)后和电池负极接DS2786(U2)的VSS端；第九电阻(R9)为检流电阻，一端接电池负极，另一端接系统地；第八电阻(R8)和第一电容(C1)的公共节点接DS2786(U2)的VDD端。
3、根据权利要求1所述的无线传感器网络节点的能量检测器，其特征在于所述的控制单元由SiliconLaboratories公司的超低功耗微控制器C8051F920及其外围电路构成，并通过标准的I2C总线与电量计芯片DS2786(U2)相连；该电路的连接关系为：第一晶振(Y1)连接在C8051F920(U1)的XTAL4和XTAL3端，构成实时时钟；第三电容(C3)、第四电容(C4)、第二晶振(Y2)构成了C8051F920(U1)的外围振荡电路，其中，第二晶振(Y2)并接在C8051F920(U1)的XTAL1和XTAL2两端，第三电容(C3)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地，第四电容(C4)一端接第二晶振(Y2)，另一端接地；第二电容(C2)与第一按键(SW1)并联，一端接地另一端经第十电阻(R10)后接电源正极，构成复位电路，第二电容(C2)、第一按键(SW1)和第十电阻(R10)的公共节点通过第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)连到C8051F920(U1)的RST复位端；第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)的一端同时接连接器J1的第4管脚，第十三电阻(R13)的另一端接C8051F920(U1)的P2.7/C2D端，第十四电阻(R14)的另一端接连接器J1的第6管脚，构成了C8051F920(U1)的JTAG调试电路。
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