基于低溫差半導體發電的智能示溫片

趙俊霖++劉強+郭珂

摘 要：文章結合XH-F241A1117半導體發電片、TPS61200升壓芯片、DS18B20傳感器以及基于Zigbee通信協議的CC2530芯片設計了一種智能示溫片，該智能示溫片可以利用被測電力設備與環境的溫差進行自發電，所發的電能被存儲在超級電容中并為溫度檢測和無線無聯網模塊供電，檢測的溫度將通過無線傳輸的方式送到電腦進行實時監測。

關鍵詞：半導體發電；TPS61200；溫度檢測；無線物聯網

中圖分類號：TM913 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著國家電網的電力供電負荷日益增加，在持續擴大供電的同時也給電網電器設備帶來一系列的安全問題，電力設備的運行狀態好壞直接決定電力系統的安全和效益[1]，而溫度是反映電力設備運行狀態的一個重要參數，因此，及時、準確地監測電力系統設備各個關鍵點的溫度對于發現并排除系統的故障具有重大的實際意義[2]。目前，電力系統采用的測溫方法主要有示溫片法、紅外測溫技術、光纖式測溫技術以及接觸式數字測溫技術，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、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體發電模塊、電源模塊、溫度檢測模塊與無線物聯網模塊組成，它的工作原理框圖如圖1所示。各模塊之間的協調工作過程如下：首先低溫差半導體發電片利用被測電力設備與環境的溫差進行發電，再通過電源管理模塊（包括微功率能量收集電路和電能儲存裝置兩部分）將此電能收集并儲存于超級電容中，為溫度檢測模塊與無線物聯網模塊供電。溫度檢測模塊主要是利用高精度的溫度傳感器對設備表面的溫度進行檢測，并利用無線傳輸的方式把檢測數據發送到網關，網關隨后將數據傳輸至電腦。三個模塊通過相互協調工作就可以完成自發電和溫度實時監測的功能。

2 智能示溫片的設計

智能示溫片的設計包括三部分，分別是基于XH-F241A1117發電片的低溫差半導體發電模塊設計、基于TPS61200升壓芯片的電源管理模塊設計和基于DS18B20傳感器和CC2530芯片的溫度檢測和無線物聯網模塊設計，下面對各個模塊的設計過程進行介紹。

2.1 低溫差半導體發電模塊設計

此智能示溫片計劃采用4塊相同型號的半導體發電片串聯組成低溫差半導體發電模塊，但是為了使發電模塊擁有最佳的發電性能和輸出功率，需要對半導體發電片進行選型。本次專門搭建了一個實驗平臺，用來測試不同型號的溫差半導體在不同的溫差以及不同負載時的輸出功率，再通過對比不同型號的溫差半導體的發電數據，選擇出擁有最佳工作性能的溫差半導體發電片。實驗平臺主要由半導體溫差發電片、恒溫裝置、散熱器、測量電路、測溫儀器組成。本次試驗選取了三種常見的溫差半導體發電片，分別為SP1848-27145，TEP1-126T20000，XH-F241A1117，需要測量的參數包括：開路電壓、短路電流，并計算出輸出功率，把實驗得到的數據做成折線圖，這樣可以更好地對比不同條件下不同型號的溫差半導體的輸出特性。下圖為三種半導體溫差發電片在不同溫差下的實驗數據。

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

2.2 電源管理模塊設計

電源管理模塊主要是對發電片發出的能量進行有效的收集和存儲，本次電源管理模塊采用了TI公司生產的TPS61200升壓變換芯片，通過芯片升壓后最終把電能成功收集并儲存于超級電容器中為溫度監測和無線物聯網模塊供電。基于該芯片的電源管理模塊的電路原理圖如下圖4所示。

超級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電能的作用。從原理圖可以看出發電模塊輸出端連接一個超級電容C8作為預儲能電容，使之對電能進行初步的收集，再結合升壓芯片的使能端控制，當半導體溫差發電模塊給預儲能電容充電，使其電壓值達到一個能觸發升壓芯片正常啟動并工作的電壓值時，通過控制電路拉高使能端電平進而啟動芯片。由于電容充電時相當于輸出短路，并且放電時具有很強的帶負載能力，一方面使得絕大部分電能都預先儲存到超級電容C8中，另一方面，通過電容放電可以觸發升壓芯片正常啟動并穩定運行。另外，在升壓芯片TPS61200的輸出端也連接了一個超級電容作為升壓后的儲能裝置，最終直接為溫度檢測和無線物聯網模塊供電。endprint

升壓芯片的控制是利用預儲能電容兩端的電壓值來控制使能端，控制電路由三級分壓電路級聯構成，當預儲能電容充電到接近設定電壓值時，第一級分壓電路輸出端電位與Q1源極的電位差Vgs使得Q1的導通電阻迅速減小，第二級分壓輸出端電位也隨之驟降，進而使得Q2導通電阻也迅速減小，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，當使能端電位達到表1中所對應的高電平條件時使能芯片。升壓芯片正常啟動后，預儲能電容的能量通過升壓后儲存到升壓芯片輸出端連接的儲能電容。

根據供電電壓要求，設置升壓芯片輸出端電壓為3.3V，則可根據TPS61200升壓芯片外圍電路設計要求[6]，計算其控制電路的元件參數。為了保證控制電路在發電電壓低的條件下工作，本電路采用了導通門檻電壓最小絕對值為0.7V的小功率PMOS管AO3401和NMOS管AO3400，預存儲超級電容和輸出儲能超級電容都為15F。第一級分壓電阻R6主要是起調節作用，為了減小消耗，阻值選為100kΩ，第二級和第三級分壓電阻R7、R8選為10kΩ，主要作用是確保在電壓值設定范圍內MOS管導通電阻Ron隨Vgs變化率較大，同時還保證了在MOS管導通過程中分壓電阻和MOS管能量損耗小。

2.3 溫度檢測與無線物聯網模塊設計

本次無線物聯網模塊是基于Zigbee協議進行無線傳輸，Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線傳輸技術。它具有低花費、低能量、高容錯性等特點，所以十分適合該智能示溫片的數據傳輸。智能示溫片相當于網絡中的終端節點，它對被測電力設備的溫度進行檢測后會把數據發送到路由器，隨后路由器又會把數據打包送到協調器，協調器再通過有線傳輸的方式把數據送到電腦進行溫度監測，它的網絡原理圖如圖5所示。

智能示溫片作為終端節點負責溫度采集并將數據發送給路由器，本次設計所使用的是DS18B20型號的溫度傳感器，它具有接線方便、協議簡單、功耗低，且工作溫度范圍寬，采集溫度精度高等特點。CC2530獲取到溫度傳感器的數據后，其內置的RF射頻模塊通過天線將數據發送到路由器。

CC2530的程序運行過程如下：當終端節點初始化完成后，將嘗試加入Zigbee網絡，成功加入網絡后，CC2530芯片將與DS18B20通信并獲得設備表面溫度，將溫度數據發送給路由器后進入休眠。當到達休眠定時，芯片退出休眠模式并進行下一次溫度采集與發送，如此循環往復實現溫度監測。另外，合理設置休眠時間，能使CC2530在完成功能的前提下最大限度地節省電能。

3 實驗測試

實驗測試主要是驗證該智能示溫片在自發電情況下能否完成溫度檢測功能，并且對它的檢測精度進行驗證。在本次實驗測試過程中，用數控恒溫加熱臺模擬電力設備表面，把智能示溫片通過導熱硅膠固定在加熱臺表面模擬實際工作環境發電并實時顯示檢測的溫度值，溫度超過安全值時可設置電腦端報警。圖6和圖7分別為智能示溫片的實物測試圖和電能儲存裝置充電過程電壓變化，由圖7可知，預存儲電容兩端的電壓周期性地控制升壓芯片的使能端進行升壓，電能存儲裝置最終的電壓可以達到供電電壓，智能示溫片就實現了自發電的功能。表2為加熱臺實際溫度和智能示溫片發送回電腦的溫度數據對比，可知示溫片的測試值與實際溫度值的誤差都小于0.3℃。

4 結束語

本文不僅對智能示溫片的工作原理進行了理論分析，同時也通過實物測試對它的可靠性進行了實踐驗證。表明這種基于低溫差半導體發電的智能示溫片可以利用環境與電力設備表面的溫差進行自發電，產生的電能可以支持溫度檢測與無線物聯網模塊分別進行溫度檢測和無線傳輸，電力設備表面的溫度最終可以被傳送到電腦進行實時監測。綜上所述，該智能示溫片是一個能夠實現自發電和溫度檢測功能的智能環保產品。

參考文獻：

[1]D.M.Rowe，高敏，張景韶.溫差電轉換及其應用[M].北京：兵器工業出版社，1996，08.

[2]劉全越.高壓線路無線測溫系統及感應電源的設計[D].太原理工大學，2008.

[3]黃沛昱.基于TPS61200的太陽能電能收集充電器設計[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2013，25（04）：500-504.

[4]陳建明，梁德成，李鐵山.一種基于TPS61200的無線測溫裝置[J].微計算機信息，2010，26（11）：53-55.

[5]徐朋豪，馮玉光，奚文駿，等.基于Zigbee的無線溫濕度采集系統研究[J].國外電子測量技術，2013，32（01）：33-36.

[6]TI.TPS6120X具有1.3A開關的低輸入電壓同步升壓轉換器[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps61200.pdf.2016-08.endprint