[发明专利]低功耗智能SO2传感器模块

摘要

低功耗智能SO₂传感器模块，本发明的电路均采用高精度低功耗器件设计，系统可分为工作模式和低功耗模式。工作模式下绝大部分时间系统电流大小为2～3mA，无线发送数据时电流达到25mA，低功耗模式下电流<1mA，系统可采用电池供电。本发明可用来监测户外SO₂浓度，完成对nA级输出电流信号处理，测得SO₂精度可达5ppb。实现整个模块的系统包括单片机控制模块、电压管理模块、传感器模块、电源管理模块、信号放大电路模块、ADC模拟输入滤波电路模块、无线传输模块、风扇控制模块、单片机外围电路模块和标准接口模块。单片机控制模块能够自动采集传感器数据，并根据智能化处理结果协调各模块工作。标准接口包括JTAG接口、系统电源接口和UART接口，方便系统维护和开发。

主权项

1.低功耗智能SO2传感器模块，其特征在于：该模块包括单片机及其外围电路、电源管理电路、无线传输电路、信号放大电路、散热电路、ADC模拟输入滤波电路和标准接口、风扇控制电路；单片机及其外围电路、电源管理电路、信号放大电路、散热电路、无线传输电路、ADC模拟输入滤波电路和标准接口、风扇控制电路均设置在同一电路板上；标准接口与电源管理电路、单片机和无线传输电路连接，电源管理电路分别与传感器、信号放大电路、单片机及其外围电路、风扇控制电路、无线传输电路相连，传感器、信号放大电路、单片机及其外围电路、风扇控制电路依次相连；ADC模拟输入滤波电路设在信号放大电路与单片机及其外围电路之间；该模块外接有风扇，风扇通过风扇控制电路与单片机及其外围电路连接，由单片机控制；传感器为高精度SO2气体传感器；电源管理电路用以提供电路板上各模块所需要的电压；信号放大电路主要是将SO2传感器输出信号放大，然后经过ADC模拟输入滤波电路与单片机的ADC模拟输入管脚相连，单片机能够以相应的时间间隔采集电压数据，计算SO2浓度并储存，并且能够定时将数据无线发送给协调器；当空气中SO2浓度超过设定值时无线传输模块还会发送警示标志；通过控制小风扇间隔工作实现散热功能；标准接口包括JTAG接口、UART接口；系统工作在正常工作模式和低功耗工作模式下， 系统上电复位以后，各个电路均正常工作，单片机首先采集电源电压信号，判断电池是否能维持系统正常工作，如果不能，则单片机控制其他电路关断电源，发送报警信息；在确定电源电压正常后，系统会采集SO2浓度数据和温度，完成对SO2浓度分析处理存储后，系统会关闭信号放大电路的电源，然后判断电路板温度，如果温度过高，则单片机控制散热风扇工作来降低温度，之后单片机会以更小时间间隔测电路板温度，当低于设定值时关闭风扇，风扇功耗为6mA， 需要注意的是，无线传输数据时，系统功耗最高，为25mA，但持续时间非常短，为毫秒量级，而无线传输模块不工作时，CC2530进入休眠模式，电流为1mA，一般情况下电路板温度不会过高，散热单元不用工作，除去这两部分，系统工作的电流大约为2～3mA；如果温度正常，则单片机直接进入休眠模式，此时功耗最低，系统电流<1mA；电路板外接3.3V和5V电源，3.3V提供数字电路部分电源；5V经过滤波后为信号放大电路中的放大器提供电源；5V电压还经过降压芯片降至2.5V，为传感器参考电压引脚以及工作电极提供参考电压，同时还经过电阻分压后为放大器的同相输入端提供参考电压；后者属模拟电路部分，电路板上模拟与数字部分分开布局和走线；单片机外围电路包括电源滤波电路，ADC模拟输入管脚滤波电路，晶振电路和复位电路；风扇控制电路与单片机相连，用来控制风扇工作间隔和时间；ADC模拟输入滤波电路由两个大小分别为0.1uF和10nF的电容组成；风扇控制电路在电源与风扇回路中加入了一个NMOS管，通过单片机I/O口高低电平来控制MOS管导通与否，从而控制风扇工作。