利用單片機io口微弱能量收集技術的電路和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用單片機IO口微弱能量收集技術的電路和方法。電路包括：微能量源、低損耗整流模塊、負載設備以及能量收集單片機。方法包括步驟：S10.設定微弱能量采集指定值；S20.實時監(jiān)測微弱能量是否達到指定值；S30.如果微弱能量達到指定值，利用能量收集單片機輸出控制信號，吸收能量對儲能器件充電；S40.利用能量收集單片機輸出控制信號，釋放儲能器件的能量為負載設備供電。本發(fā)明根據(jù)微弱能量和低功耗單片機的特點，無需采用大電感、MOS管耗能器件，用極其精簡的電路和方法，實現(xiàn)了輸出可控的微能量收集功能，具有采集效率高、損耗低、成本低特點，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。本發(fā)明可廣泛應用于各種微能量采集電路。
【專利說明】利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路和方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及能量采集轉換領域，尤其涉及利用單片機10 口微弱能量收集技術的 電路，本發(fā)明還涉及一種利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法。

【背景技術】
[0002] 收集自然環(huán)境中的微弱能量，利用高效率和低自損耗的能量采集電路，直接單片 機算法自動識別各類微能量的特性，根據(jù)各自的特性最大效率化的采集電能，以達成為后 續(xù)負載提供永續(xù)能源，解決現(xiàn)在類似負載供電對電池的依賴，極大的降低了使用和維護成 本，以及避免因使用電池對環(huán)境造成的污染。
[0003] 現(xiàn)有技術中，微能量采集電路和方法需要各種各的樣的DC-DC，單片機，M0S，電感 管等等元器件，這些元器件的自身的耗損相對于微弱的能量來說，耗損是極其巨大的，甚至 無法讓這些電路工作起來。具體的說，現(xiàn)有技術中微能量采集效率低，自損耗大，能量采集 方法單一，無法為后續(xù)負載提供有效能量，在提供相同能量時無法做到小型化、多樣化和模 塊化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種采集效率高、低損耗、輸出可控 和結構簡單，而且多樣化的微能量收集電路。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明的另一個目的是提供一種采集效率高、低損耗和 輸出可控的微能量收集方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是： 利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其包括：微能量源；低損耗整流模塊，與微 能量源連接，用于電路整流濾波；負載設備，與低損耗整流模塊連接；能量收集單片機，所 述能量收集單片機包括內(nèi)部具有上拉開關管的第一 10 口和/或內(nèi)部具有上拉開關管和保 護二極管的第二10 口，所述能量收集單片機的第一 10 口和/或第二10 口與低損耗整流模 塊連接，構成升壓電路和/或降壓電路，用于調節(jié)輸出到負載設備的電壓。
[0007] 作為本發(fā)明的第一種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括儲能器件、二極管 和濾波電容，所述儲能器件一端與微能量源連接，另一端與二極管的正極連接，所述濾波電 容一端與二極管的負極連接，另一端接地，所述二極管的負極連接到負載設備，所述第一 10 口連接到儲能器件和二極管正極之間的結點，構成升壓電路。
[0008] 優(yōu)選的，所述儲能器件為儲能電感或儲能電容。
[0009] 作為本發(fā)明的第二種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括電感和濾波電容， 所述微能量源連接到能量收集單片機的電源輸入端，所述濾波電容一端與負載設備連接， 另一端接地，所述電感一端與負載設備連接，另一端與第二10 口連接，構成降壓電路。
[0010] 作為本發(fā)明的第三種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括電感、二極管和濾 波電容，所述微能量源連接到能量收集單片機的電源輸入端，所述濾波電容一端與負載設 備連接，另一端接地，所述電感一端與第一 10 口連接，另一端與第二10 口連接，所述第一 ΙΟ 口與二極管的正極連接，構成升降壓混合電路。
[0011] 優(yōu)選的，所述負載設備為蓄電池或用電設備。
[0012] 優(yōu)選的，所述微能量源為壓電片、太陽能電池板或風壓壓電片。
[0013] 利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法，其包括步驟： S10,設定微弱能量采集指定值； S20,實時監(jiān)測微弱能量是否達到指定值； S30,如果微弱能量達到指定值，利用能量收集單片機輸出控制信號，吸收能量對儲能 器件充電； S40,利用能量收集單片機輸出控制信號，釋放儲能器件的能量為負載設備供電。
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟S30還包括子步驟： S31，對儲能器件充電過程中繼續(xù)監(jiān)測微弱能量是否在達到指定值； 532, 如果步驟S31結果為是，則為儲能器件充電到最佳磁場強度點，然后執(zhí)行步驟 S40 ； 533, 如果步驟S31結果為否，則直接執(zhí)行步驟S40。
[0015] 優(yōu)選的，所述負載設備為蓄電池，所述步驟S40還包括子步驟： S41，監(jiān)測蓄電池的電壓情況； 542, 如果蓄電池電壓已滿，則利用能量收集單片機啟動消耗能量； 543, 如果蓄電池電壓未滿，則返回執(zhí)行步驟S20。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路根據(jù)微弱能量和低功耗單片機的特 點，無需采用大電感、MOS管耗能器件，用極其精簡的電路，實現(xiàn)了輸出可控的微能量收集功 能，電路具有采集效率高、損耗低、成本低、結構簡單的特點，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
[0017] 本發(fā)明的另一個有益效果是： 本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法根據(jù)微弱能量和低功耗單片機的特 點，無需采用大電感、MOS管耗能器件，用極其精簡的方法，實現(xiàn)了輸出可控的微能量收集功 能，方法采集效率高、損耗低的特點，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
[0018] 本發(fā)明可廣泛應用于各種微能量采集電路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明： 圖1是本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路基本構思的電路框圖； 圖2是本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路第一種實施例的電路原理 圖； 圖3是本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路第二種實施例的電路原理 圖； 圖4是本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路第三種實施例的電路原理 圖； 圖5是本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法一種實施例的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0020] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。
[0021] 如圖1所示，利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其包括：微能量源；低損 耗整流模塊，與微能量源連接，用于電路整流濾波；負載設備，與低損耗整流模塊連接；能 量收集單片機，所述能量收集單片機包括內(nèi)部具有上拉開關管的第一 10 口和/或內(nèi)部具有 上拉開關管和保護二極管的第二10 口，所述能量收集單片機的第一 10 口和/或第二10 口 與低損耗整流模塊連接，構成升壓電路和/或降壓電路，用于調節(jié)輸出到負載設備的電壓。 需要說明的是，微能量源輸入的能量可能是連續(xù)的，也可能是不連續(xù)的。當微能量源輸入的 能量是不連續(xù)的時候，電路收集的方式就是變成一種間隙式的采集。本發(fā)明以下的實施例 中，能量收集單片機中的上拉開關管均為上拉M0S管，其具有速度快、開關特性好的特點。
[0022] 下面詳細講述本發(fā)明三種實施例的詳細電路結構和工作原理。
[0023] 如圖2所示，作為本發(fā)明的第一種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括儲能 器件、二極管D1和濾波電容C1，所述儲能器件一端與微能量源連接，另一端與二極管D1的 正極連接，所述濾波電容C1 一端與二極管D1的負極連接，另一端接地，所述二極管D1的負 極連接到負載設備，所述第一 10 口 101連接到儲能器件和二極管D1正極之間的結點，構成 升壓電路。
[0024] 優(yōu)選的，所述儲能器件為儲能電感L1或儲能電容。該實施例中采用儲能電感L1。 由于第一 10 口 101中的上拉M0S管Q速度特性非常的好，所以儲能電感L1有時使用引線 電感L1，因此實際只需一個電容C1就可以完成電壓變換。
[0025] 第一種實施例的工作原理如下： 在儲能電感L1充電過程中，能量收集單片機的第一 10 口 101輸出低電平信號，微能量 源輸入電壓流過儲能電感L1。二極管D1用于防止電容C1對10 口放電。由于輸入是直流 電，所以儲能電感L1上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感L1大小有關。隨著 儲能電感L1電流增加，儲能電感L1里儲存了一些能量。
[0026] 在儲能電感L1放電過程中，能量收集單片機的第一 10 口 101輸出高電平信號，由 于儲能電感L1的電流保持特性，流經(jīng)儲能電感L1的電流不會馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充 電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是儲能電感L1只能通過新電路放電，即通過 二極管D1開始給負載供電，電容C1兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了，升壓完 畢。利用對第一 10 口皿輸出PWM信號的控制，可以隨意的輸出指定的電壓。
[0027] 如圖3所示，作為本發(fā)明的第二種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括電感 L2和濾波電容C1，所述微能量源連接到能量收集單片機的電源輸入端VDD，所述濾波電容 C1 一端與負載設備連接，另一端接地，所述電感L2 -端與負載設備連接，另一端與第二10 口 102連接，構成降壓電路。由于第二10 口 102中的上拉M0S管Q速度特性非常的好，所 以電感L2有時使用引線電感L2,因此實際只需一個電容C1就可以完成電壓變換。
[0028] 第二種實施例的工作原理如下： 開始時刻第二10 口 102輸出高電平信號，第二10 口 102內(nèi)部上拉M0S管Q導通，微 能量源通過電感L2和電容C1，為負載設備供電，負載電壓Uo=VDD，負載設備電流按指數(shù)曲 線上升。第二時刻第二10 口 102輸出低電平信號，第二10 口 102內(nèi)部上拉MOS管Q截止， 第二10 口 102內(nèi)部的保護二極管D續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降， 降壓完畢。利用對第二10 口 102輸出PWM信號的控制，可以隨意的輸出指定的電壓。
[0029] 如圖4所示，作為本發(fā)明的第三種較優(yōu)實施方式，所述低損耗整流模塊包括電感 L3、二極管D1和濾波電容C1，所述微能量源連接到能量收集單片機的電源輸入端VDD，所述 濾波電容C1 一端與負載設備連接，另一端接地，所述電感L3-端與第一 10 口 101連接，另 一端與第二10 口 102連接，所述第一 10 口 101與二極管D1的正極連接，構成升降壓混合 電路。
[0030] 第三種實施例的工作原理為第一種和第二種實施例工作原理的混合，在此不再累 述。
[0031] 優(yōu)選的，所述負載設備為蓄電池或用電設備。用電設備可以是傳感器、RF發(fā)射接 收模塊或IXD顯示屏等等。
[0032] 優(yōu)選的，所述微能量源為壓電片、太陽能電池板或風壓壓電片等等。微能量源來源 于換能器件產(chǎn)生的電能，它可能是形變產(chǎn)生電荷的壓電片，光產(chǎn)生電荷的太陽能電池板，也 有可能是風力作用于物體表面，壓力產(chǎn)生形變而電荷的設備，也同樣適合于熱差產(chǎn)生的能 量收集，切割磁力線的發(fā)電機等。
[0033] 本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路根據(jù)微弱能量和低功耗單片機 的特點，無需采用大電感、M0S管耗能器件，用極其精簡的電路，實現(xiàn)了輸出可控的微能量收 集功能，電路具有采集效率高、損耗低、成本低、結構簡單的特點，具有良好的經(jīng)濟和社會效
[0034] 如圖5所示，利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法，下面以一種實施例詳述 該方法流程。
[0035] 初始化設備。
[0036] S10,設定微弱能量采集指定值。
[0037] S20,實時監(jiān)測微弱能量是否達到指定值；判斷是否達到指定值可以采用計較器將 實時監(jiān)測微弱能量的電壓和基準電壓做比較得出結果。
[0038] 設置完成后系統(tǒng)進入零功耗模式等待微弱能量達到指定值； S30,如果微弱能量達到指定值，利用能量收集單片機輸出控制信號，吸收能量對儲能 器件充電；該實施例中儲能器件為儲能電感，當然也可以是儲能電容；當能量收集單片機 輸出低電平信號時，微弱能量對電感充電。
[0039] S31，對儲能器件充電過程中繼續(xù)監(jiān)測微弱能量是否在達到指定值； 532, 如果步驟S31結果為是，則為儲能器件充電到最佳磁場強度點，然后執(zhí)行步驟 S40 ； 533, 如果步驟S31結果為否，則直接執(zhí)行步驟S40。
[0040] S40,利用能量收集單片機輸出控制信號，釋放儲能器件的能量為負載設備供電。
[0041] 優(yōu)選的，所述負載設備為蓄電池，所述步驟S40還包括子步驟： S41，監(jiān)測蓄電池的電壓情況； 542, 如果蓄電池電壓已滿，則利用能量收集單片機啟動消耗能量； 543, 如果蓄電池電壓未滿，則返回執(zhí)行步驟S20。
[0042] 需要說明的是，微能量源輸入的能量可能是連續(xù)的，也可能是不連續(xù)的。當微能量 源輸入的能量是不連續(xù)的時候，手機的方式就是變成一種間隙式的采集。
[0043] 本發(fā)明利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法根據(jù)微弱能量和低功耗單片機 的特點，無需采用大電感、M0S管耗能器件，用極其精簡的方法，實現(xiàn)了輸出可控的微能量收 集功能，方法采集效率高、損耗低的特點，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。本發(fā)明可廣泛應用 于各種微能量采集電路。
[0044] 以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施 例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替 換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1. 利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特征在于，其包括： 微能量源； 低損耗整流模塊，與微能量源連接，用于電路整流濾波； 負載設備，與低損耗整流模塊連接； 能量收集單片機，所述能量收集單片機包括內(nèi)部具有上拉開關管的第一 10 口和/或內(nèi) 部具有上拉開關管和保護二極管的第二10 口，所述能量收集單片機的第一 10 口和/或第 二10 口與低損耗整流模塊連接，構成升壓電路和/或降壓電路，用于調節(jié)輸出到負載設備 的電壓。
2. 根據(jù)權利要求1所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特征在于：所 述低損耗整流模塊包括儲能器件、二極管和濾波電容，所述儲能器件一端與微能量源連接， 另一端與二極管的正極連接，所述濾波電容一端與二極管的負極連接，另一端接地，所述二 極管的負極連接到負載設備，所述第一 10 口連接到儲能器件和二極管正極之間的結點，構 成升壓電路。
3. 根據(jù)權利要求2所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特征在于：所 述儲能器件為儲能電感或儲能電容。
4. 根據(jù)權利要求1所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特征在于：所 述低損耗整流模塊包括電感和濾波電容，所述微能量源連接到能量收集單片機的電源輸入 端，所述濾波電容一端與負載設備連接，另一端接地，所述電感一端與負載設備連接，另一 端與第二10 口連接，構成降壓電路。
5. 根據(jù)權利要求1所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特征在于：所 述低損耗整流模塊包括電感、二極管和濾波電容，所述微能量源連接到能量收集單片機的 電源輸入端，所述濾波電容一端與負載設備連接，另一端接地，所述電感一端與第一 10 口 連接，另一端與第二10 口連接，所述第一 10 口與二極管的正極連接，構成升降壓混合電路。
6. 根據(jù)權利要求1至5任一項所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特 征在于：所述負載設備為蓄電池或用電設備。
7. 根據(jù)權利要求1至5任一項所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的電路，其特 征在于：所述微能量源為壓電片、太陽能電池板或風壓壓電片。
8. 利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法，其特征在于，其包括步驟： S10,設定微弱能量采集指定值； S20,實時監(jiān)測微弱能量是否達到指定值； S30,如果微弱能量達到指定值，利用能量收集單片機輸出控制信號，吸收能量對儲能 器件充電； S40,利用能量收集單片機輸出控制信號，釋放儲能器件的能量為負載設備供電。
9. 根據(jù)權利要求8所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法，其特征在于，所 述步驟S30還包括子步驟： S31，對儲能器件充電過程中繼續(xù)監(jiān)測微弱能量是否在達到指定值； 532, 如果步驟S31結果為是，則為儲能器件充電到最佳磁場強度點，然后執(zhí)行步驟 S40 ； 533, 如果步驟S31結果為否，則直接執(zhí)行步驟S40。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的利用單片機10 口微弱能量收集技術的方法，其特征在 于，所述負載設備為蓄電池，所述步驟S40還包括子步驟： S41，監(jiān)測蓄電池的電壓情況； S42，如果蓄電池電壓已滿，則利用能量收集單片機啟動消耗能量； S43,如果蓄電池電壓未滿，則返回執(zhí)行步驟S20。
【文檔編號】G05B19/042GK104155892SQ201410331860
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權日:2014年7月11日
【發(fā)明者】華建武 申請人:深圳市邁安杰科技有限公司