基于低温差半导体发电的智能示温片

赵俊霖++刘强+郭珂

摘 要：文章结合XH-F241A1117半导体发电片、TPS61200升压芯片、DS18B20传感器以及基于Zigbee通信协议的CC2530芯片设计了一种智能示温片，该智能示温片可以利用被测电力设备与环境的温差进行自发电，所发的电能被存储在超级电容中并为温度检测和无线无联网模块供电，检测的温度将通过无线传输的方式送到电脑进行实时监测。

关键词：半导体发电；TPS61200；温度检测；无线物联网

中图分类号：TM913 文献标志码：A 文章编号：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

随着国家电网的电力供电负荷日益增加，在持续扩大供电的同时也给电网电器设备带来一系列的安全问题，电力设备的运行状态好坏直接决定电力系统的安全和效益[1]，而温度是反映电力设备运行状态的一个重要参数，因此，及时、准确地监测电力系统设备各个关键点的温度对于发现并排除系统的故障具有重大的实际意义[2]。目前，电力系统采用的测温方法主要有示温片法、红外测温技术、光纤式测温技术以及接触式数字测温技术，但在精确度、可靠性、成本和供电方式上都具有各自的不足。本文介绍的是一种精确度高、可靠性强、成本较低，供电方便并且传输便捷的智能示温片，具有十分广阔的应用前景。

1 智能示温片的工作原理

该智能示温片主要由低温差半导体发电模块、电源模块、温度检测模块与无线物联网模块组成，它的工作原理框图如图1所示。各模块之间的协调工作过程如下：首先低温差半导体发电片利用被测电力设备与环境的温差进行发电，再通过电源管理模块（包括微功率能量收集电路和电能储存装置两部分）将此电能收集并储存于超级电容中，为温度检测模块与无线物联网模块供电。温度检测模块主要是利用高精度的温度传感器对设备表面的温度进行检测，并利用無线传输的方式把检测数据发送到网关，网关随后将数据传输至电脑。三个模块通过相互协调工作就可以完成自发电和温度实时监测的功能。

2 智能示温片的设计

智能示温片的设计包括三部分，分别是基于XH-F241A1117发电片的低温差半导体发电模块设计、基于TPS61200升压芯片的电源管理模块设计和基于DS18B20传感器和CC2530芯片的温度检测和无线物联网模块设计，下面对各个模块的设计过程进行介绍。

2.1 低温差半导体发电模块设计

此智能示温片计划采用4块相同型号的半导体发电片串联组成低温差半导体发电模块，但是为了使发电模块拥有最佳的发电性能和输出功率，需要对半导体发电片进行选型。本次专门搭建了一个实验平台，用来测试不同型号的温差半导体在不同的温差以及不同负载时的输出功率，再通过对比不同型号的温差半导体的发电数据，选择出拥有最佳工作性能的温差半导体发电片。实验平台主要由半导体温差发电片、恒温装置、散热器、测量电路、测温仪器组成。本次试验选取了三种常见的温差半导体发电片，分别为SP1848-27145，TEP1-126T20000，XH-F241A1117，需要测量的参数包括：开路电压、短路电流，并计算出输出功率，把实验得到的数据做成折线图，这样可以更好地对比不同条件下不同型号的温差半导体的输出特性。下图为三种半导体温差发电片在不同温差下的实验数据。

综合三个型号的半导体发电片的输出特性可知，随着温差的增大，三种半导体发电片的输出功率都会增大，但XH型号的半导体发电片在同等温差条件下具有更大的输出功率，即具有最好的发电性能，所以本次采用4片XH型号的半导体发电片串联组成低温差半导体发电模块。

2.2 电源管理模块设计

电源管理模块主要是对发电片发出的能量进行有效的收集和存储，本次电源管理模块采用了TI公司生产的TPS61200升压变换芯片，通过芯片升压后最终把电能成功收集并储存于超级电容器中为温度监测和无线物联网模块供电。基于该芯片的电源管理模块的电路原理图如下图4所示。

超级电容在电源管理模块的控制电路中主要起到收集电能和存储电能的作用。从原理图可以看出发电模块输出端连接一个超级电容C8作为预储能电容，使之对电能进行初步的收集，再结合升压芯片的使能端控制，当半导体温差发电模块给预储能电容充电，使其电压值达到一个能触发升压芯片正常启动并工作的电压值时，通过控制电路拉高使能端电平进而启动芯片。由于电容充电时相当于输出短路，并且放电时具有很强的带负载能力，一方面使得绝大部分电能都预先储存到超级电容C8中，另一方面，通过电容放电可以触发升压芯片正常启动并稳定运行。另外，在升压芯片TPS61200的输出端也连接了一个超级电容作为升压后的储能装置，最终直接为温度检测和无线物联网模块供电。endprint

升压芯片的控制是利用预储能电容两端的电压值来控制使能端，控制电路由三级分压电路级联构成，当预储能电容充电到接近设定电压值时，第一级分压电路输出端电位与Q1源极的电位差Vgs使得Q1的导通电阻迅速减小，第二级分压输出端电位也随之骤降，进而使得Q2导通电阻也迅速减小，升压芯片使能端电位迅速被升高。在不同的输入电压条件下，当使能端电位达到表1中所对应的高电平条件时使能芯片。升压芯片正常启动后，预储能电容的能量通过升压后储存到升压芯片输出端连接的储能电容。

根据供电电压要求，设置升压芯片输出端电压为3.3V，则可根据TPS61200升压芯片外围电路设计要求[6]，计算其控制电路的元件参数。为了保证控制电路在发电电压低的条件下工作，本电路采用了导通门槛电压最小绝对值为0.7V的小功率PMOS管AO3401和NMOS管AO3400，预存储超级电容和输出储能超级电容都为15F。第一级分压电阻R6主要是起调节作用，为了减小消耗，阻值选为100kΩ，第二级和第三级分压电阻R7、R8选为10kΩ，主要作用是确保在电压值设定范围内MOS管导通电阻Ron随Vgs变化率较大，同时还保证了在MOS管导通过程中分压电阻和MOS管能量损耗小。

2.3 温度检测与无线物联网模块设计

本次无线物联网模块是基于Zigbee协议进行无线传输，Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线传输技术。它具有低花费、低能量、高容错性等特点，所以十分适合该智能示温片的数据传输。智能示温片相当于网络中的终端节点，它对被测电力设备的温度进行检测后会把数据发送到路由器，随后路由器又会把数据打包送到协调器，协调器再通过有线传输的方式把数据送到电脑进行温度监测，它的网络原理图如图5所示。

智能示温片作为终端节点负责温度采集并将数据发送给路由器，本次设计所使用的是DS18B20型号的温度传感器，它具有接线方便、协议简单、功耗低，且工作温度范围宽，采集温度精度高等特点。CC2530获取到温度传感器的数据后，其内置的RF射频模块通过天线将数据发送到路由器。

CC2530的程序运行过程如下：当终端节点初始化完成后，将尝试加入Zigbee网络，成功加入网络后，CC2530芯片将与DS18B20通信并获得设备表面温度，将温度数据发送给路由器后进入休眠。当到达休眠定时，芯片退出休眠模式并进行下一次温度采集与发送，如此循环往复实现温度监测。另外，合理设置休眠时间，能使CC2530在完成功能的前提下最大限度地节省电能。

3 实验测试

实验测试主要是验证该智能示温片在自发电情况下能否完成温度检测功能，并且对它的检测精度进行验證。在本次实验测试过程中，用数控恒温加热台模拟电力设备表面，把智能示温片通过导热硅胶固定在加热台表面模拟实际工作环境发电并实时显示检测的温度值，温度超过安全值时可设置电脑端报警。图6和图7分别为智能示温片的实物测试图和电能储存装置充电过程电压变化，由图7可知，预存储电容两端的电压周期性地控制升压芯片的使能端进行升压，电能存储装置最终的电压可以达到供电电压，智能示温片就实现了自发电的功能。表2为加热台实际温度和智能示温片发送回电脑的温度数据对比，可知示温片的测试值与实际温度值的误差都小于0.3℃。

4 结束语

本文不仅对智能示温片的工作原理进行了理论分析，同时也通过实物测试对它的可靠性进行了实践验证。表明这种基于低温差半导体发电的智能示温片可以利用环境与电力设备表面的温差进行自发电，产生的电能可以支持温度检测与无线物联网模块分别进行温度检测和无线传输，电力设备表面的温度最终可以被传送到电脑进行实时监测。综上所述，该智能示温片是一个能够实现自发电和温度检测功能的智能环保产品。

参考文献：

[1]D.M.Rowe，高敏，张景韶.温差电转换及其应用[M].北京：兵器工业出版社，1996，08.

[2]刘全越.高压线路无线测温系统及感应电源的设计[D].太原理工大学，2008.

[3]黄沛昱.基于TPS61200的太阳能电能收集充电器设计[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2013，25（04）：500-504.

[4]陈建明，梁德成，李铁山.一种基于TPS61200的无线测温装置[J].微计算机信息，2010，26（11）：53-55.

[5]徐朋豪，冯玉光，奚文骏，等.基于Zigbee的无线温湿度采集系统研究[J].国外电子测量技术，2013，32（01）：33-36.

[6]TI.TPS6120X具有1.3A开关的低输入电压同步升压转换器[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps61200.pdf.2016-08.endprint