我爱方案网
28人浏览/8人投稿
103天前
待托管赏金
一、 系统总体架构与工作流程
系统利用阀门旋转的机械能发电，并储存到储能元件中，为整个电子系统供电。电子系统监测阀门旋转的绝对角度，并通过无线方式将状态变化上传。
1. 机械旋转：用户转动阀门手柄。
2. 能量转换：手柄的旋转通过齿轮箱驱动微型发电机，产生交流或直流电。
3. 电能处理：产生的电能经过整流、稳压后，给储能单元（超级电容/电池）充电。
4. 状态感知：安装在转轴上的磁铁随之旋转。磁角度传感器芯片非接触地读取磁场变化，计算出绝对角度（0-360°）。
5. 智能处理与传输：低功耗MCU读取角度值。当检测到角度发生显著变化或达到定时上报时间时，MCU唤醒无线模块，将阀门状态数据发送出去。
6. 深度休眠：完成所有任务后，整个系统进入超低功耗的深度睡眠模式，等待下一次被旋转事件或定时器中断唤醒。
---
二、 机械结构设计
这是实现自发电的关键，需要精心设计。
1. 发电机选型与连接：
· 推荐部件：采用 微型直流齿轮电机 （常用在玩具车或模型上）。齿轮箱可以增加扭矩，使得在慢速旋转手柄时也能有效发电。
· 规格建议：工作电压3.3V-5V，带有减速齿轮箱。注意：电机作为发电机使用时，输出电压和转速成正比。
· 连接方式：
· 方式A（直接连接）：如果阀门手柄的轴可以延长，则通过联轴器将发电机与阀轴直接相连。效率最高，但安装可能不便。
· 方式B（摩擦连接）：在阀门手柄上套一个摩擦轮，使其与安装在发电机轴上的齿轮摩擦接触。安装灵活，但可能存在打滑。
· 方式C（传动带连接）：类似方式B，但使用小皮带传动，更可靠。
2. 磁铁安装：
· 在阀门手柄的转轴上（发电机同一根轴），粘贴一个径向充磁的钕铁硼强磁铁（例如Ø6x3mm）。
· 确保磁铁与传感器芯片的距离在2-5mm以内，且磁铁在旋转时正对传感器芯片中心。
3. 外壳：
· 使用3D打印设计一个防水外壳，将发电机、电路板固定其中，并留出与阀门手柄连接的机械接口。
---
三、 硬件电路设计 (核心电路框图)
```mermaid
graph TD
A[微型发电机] --> B[整流桥]
B --> C[电源管理电路]
C --> D[储能单元: 超级电容]
D --> E[LDO稳压: 3.3V]
E --> F[低功耗MCU]
E --> G[磁角度传感器]
E --> H[LoRa无线模块]
F G
F H
I[磁铁] -- 磁场变化 --> G
```
1. 发电与电源管理电路： * 整流桥：发电机输出可能是交流，需经过一个微型全桥整流电路（MB6S贴片桥堆）变为直流。 * 储能单元：推荐使用5.5V 1F 的法拉电容/超级电容。它循环寿命长、充放电快，非常适合这种频繁、短时充放电的场景。比锂电池更安全耐用。 * 充电管理：一个简单的二极管（如1N5817） 和 限流电阻 即可防止电容的电能倒灌回发电机。更专业的可以用能量收集芯片如LTC3588-1，但成本较高。 * 稳压：超级电容电压会变化（例如2V-4V），需要一颗超低静态电流的LDO稳压芯片（如TI的TPS7A02，静态电流仅25nA）为后级MCU和传感器提供稳定的3.3V电压。
2. 传感与主控电路： * MCU：STM32L071是极佳选择。它基于超低功耗Cortex-M0+内核，拥有多种低功耗模式，在停止（Stop）模式下功耗可低于1μA，且外设丰富。 * 角度传感器：AMS AS5600或 AS5048A。它们是12位高分辨率磁编码器，通过I2C或PWM输出绝对角度值，工作电流约1mA，待机电流更低。
3. 通信电路： * 无线模块：推荐使用LoRa模块（如E22-400T22S或EByte的E78系列）。LoRa以其远距离和低功耗著称，非常适合地下车库等环境。发射时电流较大（~100mA），但持续时间极短（几十毫秒至几百毫秒），之后立即关闭，平均功耗很低。
---
四、 软件逻辑流程
软件的核心是 “事件驱动” 和 “最大化休眠”。
```mermaid
flowchart TD
A[系统上电初始化] --> B[配置所有外设
设置IO状态、定时器]
B --> C[读取AS5600角度值]
C --> D[角度变化超过阈值?]
D -- 否 --> E[达到定时上报时间?]
D -- 是 --> F[记录新角度值]
E -- 否 --> G[进入Stop深度睡眠模式
（等待中断）]
G -- 被旋转事件或定时器唤醒 --> C
F --> H[唤醒LoRa模块]
E -- 是 --> H
H --> I[通过LoRa发送数据包
（包含角度、电量等）]
I --> J[关闭LoRa模块电源]
J --> G
```
1. 中断唤醒源： * EXTI（外部中断）：将磁编码器的中断引脚（如果有，如AS5048A的PROG引脚可配置为报警输出）连接到MCU的EXTI引脚。当磁铁旋转导致磁场变化超过一定阈值时，硬件自动产生中断，瞬间唤醒MCU。这是最高效的方式。 * 定时器中断：即使阀门一直不动，系统也应定时（例如每24小时）上报一次状态和电容电压（相当于系统健康状态），防止因故障导致“死机”的假象。
---
五、 关键实现细节与注意事项
1. 功耗预算：
· 休眠电流：MCU（~1μA） + LDO（~25nA） + 传感器（~1μA） ≈ 2μA。这是系统待机的底线。
· 工作电流：MCU（~2mA） + 传感器（~1mA） ≈ 3mA（读取角度时）。
· 发射电流：LoRa模块（~120mA for ~500ms）。这是最耗电的阶段。
· 发电能力：需要测试旋转一圈阀门能给超级电容充入多少能量（mJ）。确保发电量 > （一次测量+一次发射的总耗电量）。
2. 数据包设计： 无线数据包应尽可能小，以缩短发射时间，节省能量。例如：
设备ID (2Byte) 阀门角度 (2Byte) 电容电压 (1Byte) 状态标志 (1Byte)
0xAA01 0x0E10 (3600 -> 360.0°) 0xDC (2.2V) 0x01 (开关事件触发)
3. 防水与密封：
· 整个传感单元需要安装在防水等级IP67及以上的外壳中。
· 所有出线孔（如发电机轴）需要使用橡胶防水格兰头或密封胶进行密封。
4. 磁铁校准：
· 代码中需要加入磁铁校准程序。上电后，让阀门在全开和全关之间缓慢旋转一圈，记录磁编码器读数的最大值和最小值，用于后续的线性映射，消除安装误差。
