基于低溫差半導(dǎo)體發(fā)電的智能示溫片

趙俊霖++劉強(qiáng)+郭珂

摘 要：文章結(jié)合XH-F241A1117半導(dǎo)體發(fā)電片、TPS61200升壓芯片、DS18B20傳感器以及基于Zigbee通信協(xié)議的CC2530芯片設(shè)計(jì)了一種智能示溫片，該智能示溫片可以利用被測(cè)電力設(shè)備與環(huán)境的溫差進(jìn)行自發(fā)電，所發(fā)的電能被存儲(chǔ)在超級(jí)電容中并為溫度檢測(cè)和無(wú)線無(wú)聯(lián)網(wǎng)模塊供電，檢測(cè)的溫度將通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞剿偷诫娔X進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體發(fā)電；TPS61200；溫度檢測(cè)；無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM913 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0023-03

Abstract： Combined with XH-F241A1117 semiconductor chip， TPS61200 booster chip， DS18B20 sensor and the CC2530 chip based on Zigbee communication protocol， this research has designed an intelligent thermometer chip. The intelligent thermometer can self-generate electricity using the temperature difference between the measured power equipment and the environment， and the generated electric energy is stored in the super capacitor and supplied to the temperature detection and wireless unconnected module. The measured temperature will be sent to the computer by wireless transmission for real-time monitoring.

Keywords： semiconductor power generation； TPS61200； temperature detection； wireless Internet of things

引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)的電力供電負(fù)荷日益增加，在持續(xù)擴(kuò)大供電的同時(shí)也給電網(wǎng)電器設(shè)備帶來(lái)一系列的安全問(wèn)題，電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)好壞直接決定電力系統(tǒng)的安全和效益[1]，而溫度是反映電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)設(shè)備各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度對(duì)于發(fā)現(xiàn)并排除系統(tǒng)的故障具有重大的實(shí)際意義[2]。目前，電力系統(tǒng)采用的測(cè)溫方法主要有示溫片法、紅外測(cè)溫技術(shù)、光纖式測(cè)溫技術(shù)以及接觸式數(shù)字測(cè)溫技術(shù)，但在精確度、可靠性、成本和供電方式上都具有各自的不足。本文介紹的是一種精確度高、可靠性強(qiáng)、成本較低，供電方便并且傳輸便捷的智能示溫片，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 智能示溫片的工作原理

該智能示溫片主要由低溫差半導(dǎo)體發(fā)電模塊、電源模塊、溫度檢測(cè)模塊與無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊組成，它的工作原理框圖如圖1所示。各模塊之間的協(xié)調(diào)工作過(guò)程如下：首先低溫差半導(dǎo)體發(fā)電片利用被測(cè)電力設(shè)備與環(huán)境的溫差進(jìn)行發(fā)電，再通過(guò)電源管理模塊（包括微功率能量收集電路和電能儲(chǔ)存裝置兩部分）將此電能收集并儲(chǔ)存于超級(jí)電容中，為溫度檢測(cè)模塊與無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊供電。溫度檢測(cè)模塊主要是利用高精度的溫度傳感器對(duì)設(shè)備表面的溫度進(jìn)行檢測(cè)，并利用無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨褭z測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)隨后將數(shù)據(jù)傳輸至電腦。三個(gè)模塊通過(guò)相互協(xié)調(diào)工作就可以完成自發(fā)電和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

2 智能示溫片的設(shè)計(jì)

智能示溫片的設(shè)計(jì)包括三部分，分別是基于XH-F241A1117發(fā)電片的低溫差半導(dǎo)體發(fā)電模塊設(shè)計(jì)、基于TPS61200升壓芯片的電源管理模塊設(shè)計(jì)和基于DS18B20傳感器和CC2530芯片的溫度檢測(cè)和無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)，下面對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹。

2.1 低溫差半導(dǎo)體發(fā)電模塊設(shè)計(jì)

此智能示溫片計(jì)劃采用4塊相同型號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)電片串聯(lián)組成低溫差半導(dǎo)體發(fā)電模塊，但是為了使發(fā)電模塊擁有最佳的發(fā)電性能和輸出功率，需要對(duì)半導(dǎo)體發(fā)電片進(jìn)行選型。本次專門搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用來(lái)測(cè)試不同型號(hào)的溫差半導(dǎo)體在不同的溫差以及不同負(fù)載時(shí)的輸出功率，再通過(guò)對(duì)比不同型號(hào)的溫差半導(dǎo)體的發(fā)電數(shù)據(jù)，選擇出擁有最佳工作性能的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由半導(dǎo)體溫差發(fā)電片、恒溫裝置、散熱器、測(cè)量電路、測(cè)溫儀器組成。本次試驗(yàn)選取了三種常見的溫差半導(dǎo)體發(fā)電片，分別為SP1848-27145，TEP1-126T20000，XH-F241A1117，需要測(cè)量的參數(shù)包括：開路電壓、短路電流，并計(jì)算出輸出功率，把實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)做成折線圖，這樣可以更好地對(duì)比不同條件下不同型號(hào)的溫差半導(dǎo)體的輸出特性。下圖為三種半導(dǎo)體溫差發(fā)電片在不同溫差下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

綜合三個(gè)型號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)電片的輸出特性可知，隨著溫差的增大，三種半導(dǎo)體發(fā)電片的輸出功率都會(huì)增大，但XH型號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)電片在同等溫差條件下具有更大的輸出功率，即具有最好的發(fā)電性能，所以本次采用4片XH型號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)電片串聯(lián)組成低溫差半導(dǎo)體發(fā)電模塊。

2.2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊主要是對(duì)發(fā)電片發(fā)出的能量進(jìn)行有效的收集和存儲(chǔ)，本次電源管理模塊采用了TI公司生產(chǎn)的TPS61200升壓變換芯片，通過(guò)芯片升壓后最終把電能成功收集并儲(chǔ)存于超級(jí)電容器中為溫度監(jiān)測(cè)和無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊供電?；谠撔酒碾娫垂芾砟K的電路原理圖如下圖4所示。

超級(jí)電容在電源管理模塊的控制電路中主要起到收集電能和存儲(chǔ)電能的作用。從原理圖可以看出發(fā)電模塊輸出端連接一個(gè)超級(jí)電容C8作為預(yù)儲(chǔ)能電容，使之對(duì)電能進(jìn)行初步的收集，再結(jié)合升壓芯片的使能端控制，當(dāng)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊給預(yù)儲(chǔ)能電容充電，使其電壓值達(dá)到一個(gè)能觸發(fā)升壓芯片正常啟動(dòng)并工作的電壓值時(shí)，通過(guò)控制電路拉高使能端電平進(jìn)而啟動(dòng)芯片。由于電容充電時(shí)相當(dāng)于輸出短路，并且放電時(shí)具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，一方面使得絕大部分電能都預(yù)先儲(chǔ)存到超級(jí)電容C8中，另一方面，通過(guò)電容放電可以觸發(fā)升壓芯片正常啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行。另外，在升壓芯片TPS61200的輸出端也連接了一個(gè)超級(jí)電容作為升壓后的儲(chǔ)能裝置，最終直接為溫度檢測(cè)和無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊供電。endprint

升壓芯片的控制是利用預(yù)儲(chǔ)能電容兩端的電壓值來(lái)控制使能端，控制電路由三級(jí)分壓電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成，當(dāng)預(yù)儲(chǔ)能電容充電到接近設(shè)定電壓值時(shí)，第一級(jí)分壓電路輸出端電位與Q1源極的電位差Vgs使得Q1的導(dǎo)通電阻迅速減小，第二級(jí)分壓輸出端電位也隨之驟降，進(jìn)而使得Q2導(dǎo)通電阻也迅速減小，升壓芯片使能端電位迅速被升高。在不同的輸入電壓條件下，當(dāng)使能端電位達(dá)到表1中所對(duì)應(yīng)的高電平條件時(shí)使能芯片。升壓芯片正常啟動(dòng)后，預(yù)儲(chǔ)能電容的能量通過(guò)升壓后儲(chǔ)存到升壓芯片輸出端連接的儲(chǔ)能電容。

根據(jù)供電電壓要求，設(shè)置升壓芯片輸出端電壓為3.3V，則可根據(jù)TPS61200升壓芯片外圍電路設(shè)計(jì)要求[6]，計(jì)算其控制電路的元件參數(shù)。為了保證控制電路在發(fā)電電壓低的條件下工作，本電路采用了導(dǎo)通門檻電壓最小絕對(duì)值為0.7V的小功率PMOS管AO3401和NMOS管AO3400，預(yù)存儲(chǔ)超級(jí)電容和輸出儲(chǔ)能超級(jí)電容都為15F。第一級(jí)分壓電阻R6主要是起調(diào)節(jié)作用，為了減小消耗，阻值選為100kΩ，第二級(jí)和第三級(jí)分壓電阻R7、R8選為10kΩ，主要作用是確保在電壓值設(shè)定范圍內(nèi)MOS管導(dǎo)通電阻Ron隨Vgs變化率較大，同時(shí)還保證了在MOS管導(dǎo)通過(guò)程中分壓電阻和MOS管能量損耗小。

2.3 溫度檢測(cè)與無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

本次無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊是基于Zigbee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸，Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線傳輸技術(shù)。它具有低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等特點(diǎn)，所以十分適合該智能示溫片的數(shù)據(jù)傳輸。智能示溫片相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，它對(duì)被測(cè)電力設(shè)備的溫度進(jìn)行檢測(cè)后會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器，隨后路由器又會(huì)把數(shù)據(jù)打包送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò)有線傳輸?shù)姆绞桨褦?shù)據(jù)送到電腦進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，它的網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖5所示。

智能示溫片作為終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)溫度采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，本次設(shè)計(jì)所使用的是DS18B20型號(hào)的溫度傳感器，它具有接線方便、協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低，且工作溫度范圍寬，采集溫度精度高等特點(diǎn)。CC2530獲取到溫度傳感器的數(shù)據(jù)后，其內(nèi)置的RF射頻模塊通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器。

CC2530的程序運(yùn)行過(guò)程如下：當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)初始化完成后，將嘗試加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，成功加入網(wǎng)絡(luò)后，CC2530芯片將與DS18B20通信并獲得設(shè)備表面溫度，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器后進(jìn)入休眠。當(dāng)?shù)竭_(dá)休眠定時(shí)，芯片退出休眠模式并進(jìn)行下一次溫度采集與發(fā)送，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。另外，合理設(shè)置休眠時(shí)間，能使CC2530在完成功能的前提下最大限度地節(jié)省電能。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要是驗(yàn)證該智能示溫片在自發(fā)電情況下能否完成溫度檢測(cè)功能，并且對(duì)它的檢測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證。在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，用數(shù)控恒溫加熱臺(tái)模擬電力設(shè)備表面，把智能示溫片通過(guò)導(dǎo)熱硅膠固定在加熱臺(tái)表面模擬實(shí)際工作環(huán)境發(fā)電并實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的溫度值，溫度超過(guò)安全值時(shí)可設(shè)置電腦端報(bào)警。圖6和圖7分別為智能示溫片的實(shí)物測(cè)試圖和電能儲(chǔ)存裝置充電過(guò)程電壓變化，由圖7可知，預(yù)存儲(chǔ)電容兩端的電壓周期性地控制升壓芯片的使能端進(jìn)行升壓，電能存儲(chǔ)裝置最終的電壓可以達(dá)到供電電壓，智能示溫片就實(shí)現(xiàn)了自發(fā)電的功能。表2為加熱臺(tái)實(shí)際溫度和智能示溫片發(fā)送回電腦的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比，可知示溫片的測(cè)試值與實(shí)際溫度值的誤差都小于0.3℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文不僅對(duì)智能示溫片的工作原理進(jìn)行了理論分析，同時(shí)也通過(guò)實(shí)物測(cè)試對(duì)它的可靠性進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。表明這種基于低溫差半導(dǎo)體發(fā)電的智能示溫片可以利用環(huán)境與電力設(shè)備表面的溫差進(jìn)行自發(fā)電，產(chǎn)生的電能可以支持溫度檢測(cè)與無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊分別進(jìn)行溫度檢測(cè)和無(wú)線傳輸，電力設(shè)備表面的溫度最終可以被傳送到電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。綜上所述，該智能示溫片是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)電和溫度檢測(cè)功能的智能環(huán)保產(chǎn)品。

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