Leitungsfreies energieautarkes SchaltelementLine-free self-powered switching element
Die Erfindung betrifft ein leitungsfreies energieautarkes Schaltelement für eine vorzugsweise Nutzung im Innenraum von Kraftfahrzeugen.The invention relates to a line-free energy self-sufficient switching element for preferably use in the interior of motor vehicles.
Aus der DE 102 56 156 A1 ist ein energieautarker elektromechanischer Funkschalter, bekannt, welcher mindestens ein Wandlerelement zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie aufweist sowie zumindest ein Betätigungsfeld zum Einbringen der mechanischen Energie und zumindest einen Sensor für jedes Betätigungsfeld zur Erkennung des Schaltbefehls und zumindest eine Elektronik zur Erzeugung und Absendung eines Funksignals und eine Mechanik zur Umlenkung der durch das Betätigungsfeld eingebrachten Kräfte auf das Wandlerelement besitzt.DE 102 56 156 A1 discloses an energy-autonomous electromechanical radio switch, which has at least one transducer element for converting mechanical energy into electrical energy and at least one actuation field for introducing the mechanical energy and at least one sensor for each actuation field for detecting the switching command and at least one Has electronics for generating and sending a radio signal and a mechanism for deflecting the forces introduced by the actuation field forces on the transducer element.
II
Der Nachteil besteht hierbei darin, daß zusätzliche Sensoren (mechanische Taster) zur i Erkennung des Schaltbefehls erforderlich sind bzw. zur Auswertung derThe disadvantage here is that additional sensors (mechanical buttons) for i detection of the switching command are required or for the evaluation of
Betätigungsrichtung benötigt werden.Actuation direction are needed.
In der DE 101 55 125 B4 wird eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler beschrieben, wobei durch eine Weguntersetzung der Verformungsweg der Verformungsmechanik beim Speichern der mechanischen Energie größer ist als bei der Abgabe der mechanischen Energie an den Piezowandler, so daß durch die Hebelwirkung eine auf den Piezowandler einwirkende Kraft erreicht wird, die um den durch Hebelwirkung erzielten Faktor der Wegverkürzung verstärkt ist.
Die DE 101 03 952 A1 gibt eine Vorrichtung zur Energieversorgung, insbesondere eines Sensors, mit einem piezoelektrischen Wandler an, welcher durch einen mechanischen Energiespeicher deformierbar ist und eine entsprechende elektrische Spannung liefert, wider, bei welcher der passive piezoelektrische Wandler durch eine vom Energiespeicher abgegebene Deformationsarbeit biegbar ist, wobei hier der Wandler stabförmig ausgebildet ist und sein eines Stabende gegenüber einem anderen fest gehaltenen Stabende insbesondere in zwei entgegengesetzte Richtungen biegbar ist.In DE 101 55 125 B4 a device for converting mechanical energy into electrical energy is described with a piezoelectric transducer, wherein by a path reduction of the deformation of the deformation mechanism when storing the mechanical energy is greater than in the delivery of mechanical energy to the piezoelectric transducer, so that a force acting on the piezoelectric transducer force is achieved by the leverage effect, which is reinforced by the achieved by leveraging factor of Wegverkürzung. DE 101 03 952 A1 discloses a device for supplying energy, in particular a sensor, with a piezoelectric transducer which is deformable by a mechanical energy store and supplies a corresponding electrical voltage, in which the passive piezoelectric transducer is replaced by a deformation work delivered by the energy store is bendable, in which case the transducer is rod-shaped and its one end of the bar relative to another firmly held rod end, in particular in two opposite directions is bendable.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verbesserung für ein leitungsfreies energieautarkes Schaltelement zu schaffen.The present invention is therefore based on the object to provide an improvement for a line-free energy self-sufficient switching element.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem leitungsfreien energieautarken Schaltelement mit einem Funksendermodul, im Gehäuse des Schaltelements mit einem Betätigungselement in Baueinheit ein Energiewandler, eine Auswerteschaltung und ein Mikrocontroller angeordnet sind, wobei der Mikrocontroller mit nur einem Reset-Pin und mindestens einem Datenspeicher bestückt ist und dabei nur einen Ein- und einen Ausgang aufweist. Die Startauslösung des Programmablaufes im Mikrocontroller erfolgt durch die infolge der Betätigung des Energiewandlers anliegende Betriebsspannung.According to the invention, this object is achieved in that in a lead-free energy self-sufficient switching element with a radio transmitter module, an energy converter, an evaluation circuit and a microcontroller are arranged in the housing of the switching element with an actuating element in construction, wherein the microcontroller with only one reset pin and at least one data memory equipped with only one input and one output. The start triggering of the program sequence in the microcontroller is effected by the operating voltage applied as a result of the actuation of the energy converter.
Die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Betätigungsrichtung des Betätigungselements besteht vorzugsweise aus einem Vorwiderstand und einer Z- Diode, wobei in einem Schaltzustand ein Einschaltsignal und im anderen Schaltzustand ein Ausschaltsignal generiert wird und dem Eingang (IN) des Mikrocontrollers zugeführt wird.The evaluation circuit for determining the actuation direction of the actuating element preferably consists of a series resistor and a Zener diode, wherein in one switching state a turn-on signal and in the other switching state a turn-off signal is generated and the input (IN) of the microcontroller is supplied.
Als einer der wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung ist zu nennen, daß der Energiewandler nicht nur, wie bei den bekannten Produkten, der Energieerzeugung dient, sondern auch zur Schaltsignalgenerierung und zur Statusbestimmung ob das Schaltelement gedrückt oder losgelassen ist.
Von Vorteil ist weiterhin, daß auf Grund der gleichzeitigen Nutzung des Energiewandlers zur Spannungsversorgung und zur Generierung des Schaltsignals auf die Verwendung weiterer mechanischer Taster zur Detektion des Schaltzustandes verzichtet werden kann und damit die den mechanisch betätigten Taster eigenen Nachteile ausgeschlossen werden können.As one of the main advantages of this solution according to the invention is to mention that the energy converter not only, as in the known products, the power generation, but also for switching signal generation and status determination whether the switching element is pressed or released. A further advantage is that due to the simultaneous use of the energy converter for power supply and for generating the switching signal can be dispensed with the use of further mechanical probe for detecting the switching state and thus the disadvantages of the mechanically actuated button disadvantages can be excluded.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend an Hand der Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel ersichtlich.Advantageous developments and refinements of the invention can be seen from the remaining dependent claims and from the embodiment described in principle below with reference to the drawings.
Es zeigenShow it
Figur 1 : eine Darstellung des Grundprinzips des leitungsfreien Schaltelementes;FIG. 1 shows an illustration of the basic principle of the line-free switching element;
Figur 2: eine Darstellung des Blockschaltbildes des leitungsfreien Schaltelementes.Figure 2 is an illustration of the block diagram of the line-free switching element.
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung des Grundprinzips des leitungsfreien Schaltelementes.FIG. 1 shows a representation of the basic principle of the line-free switching element.
Für die konstruktive Gestaltung eines leitungsfreien Schaltelements, welches im Innenraum eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommen soll, wird eine Kombination aus einem Energiewandler 1 , vorzugsweise einem Piezowandler, zur autarken Energieversorgung und eine elektromagnetische Signalübertragung im 868 MHz SRD-Band gewählt.For the structural design of a circuit-free switching element, which is to be used in the interior of a motor vehicle, a combination of an energy converter 1, preferably a piezoelectric transducer, for self-sufficient energy supply and electromagnetic signal transmission in the 868 MHz SRD band is selected.
Der über einen Betätigungselement betätigte piezoelektrische Wandler 1 erzeugt bei seinem Betätigen eine bestimmte Energiemenge, welche durch einen Spannungswandler 2 in eine für den Mikrocontroller 3 und für das HF-Modul 4 geeignete Form konvertiert wird. Durch Auswertung der Impulsform der erzeugten
- A -When actuated, the piezoelectric transducer 1 actuated via an actuating element generates a specific amount of energy, which is converted by a voltage converter 2 into a form suitable for the microcontroller 3 and for the HF module 4. By evaluating the pulse shape of the generated - A -
Spannung kann der Mikrocontroller 3 bei Bedarf zwischen den Zuständen "Betätigungselement gedrückt" oder "freigegeben" unterscheiden. Damit sind auch Applikationen realisierbar, bei denen die Schaltfunktion von Geräten von der Betätigungsdauer des Betätigungselementes abhängig ist.Voltage, the microcontroller 3 if necessary between the states "actuator pressed" or "released" differ. This also applications can be realized in which the switching function of devices on the operating duration of the actuating element is dependent.
Nach erfolgter Betätigung des Betätigungselements und der damit verbundenen Energieversorgung und Erzeugung des Ein- oder Ausschaltsignals generiert der Mikrocontroller 3 ein im Speicher abgelegtes Sendetelegramm mit einem eindeutigen Identifier, und der Ein- oder Ausschaltinformation.After actuation of the actuating element and the associated power supply and generation of the on or off signal, the microcontroller 3 generates a stored in the memory transmission message with a unique identifier, and the on or off information.
Dieses Sendetelegramm wird anschließend im HF-Modul 4 moduliert und über die Schnittstelle (Antenne) 5 versendet.This transmission telegram is then modulated in the RF module 4 and sent via the interface (antenna) 5.
Um die Übertragungssicherheit zu erhöhen, besteht die Möglichkeit, das Sendetelegramm mehrmals in sehr kurzen Zeitabständen hintereinander auszusenden.In order to increase the transmission reliability, it is possible to transmit the transmission telegram several times in very short time intervals in succession.
Die Nutzung des 868 MHz SRD-Bandes zur Datenübertragung bietet einen Vorteil gegenüber anderen zur öffentlichen Nutzung freigegebenen Frequenzbändern. Der Vorteil besteht in einem festgelegten Duty Cycle von 1 %, d.h. bei einer angenommenen Telegram-Übertragungsdauer von ca. 3 bis 4 ms, inklusive 2maliger Wiederholung, kann das Schaltelement pro Stunde bis zu 9000mal betätigt werden.The use of the 868 MHz SRD band for data transmission offers an advantage over other frequency bands released for public use. The advantage is a fixed duty cycle of 1%, i. with an assumed telegram transmission time of approx. 3 to 4 ms, including 2 repetitions, the switching element can be actuated up to 9000 times per hour.
Durch den Duty Cycle werden gegenseitige Störungen auf ein Minimum reduziert. Auf Grund der sehr kurzen Sendetelegramme können viele Sender in einer Funkzelle betrieben werden, ohne daß die Kollisionswahrscheinlichkeit ansteigt.The duty cycle reduces mutual interference to a minimum. Due to the very short transmission telegrams, many transmitters can be operated in one radio cell without the probability of collision increasing.
Der Einsatz, zum Beispiel, eines 32 Bit Identifiers erlaubt den Empfangsmodulen eine Differenzierung zwischen 232 Sendern, d.h. 4.295 Milliarden Sender können
unterschieden werden. Das bedeutet, daß bei etwa 20 Schaltelementen pro Kraftfahrzeug, über 214 Millionen Fahrzeuge mit leitungsfreien Schaltelementen im selben Frequenzband betrieben werden können.The use, for example, of a 32-bit identifier allows the receiving modules to differentiate between 2 32 transmitters, ie 4,295 billion transmitters be differentiated. This means that with about 20 switching elements per motor vehicle, over 214 million vehicles can be operated with circuit-free switching elements in the same frequency band.
Den Informationen des Sendetelegramms werden in einem nachgeordneten Steuergerät, das sich außerhalb des erfindungsgemäßen Schaltelements befindet, verschiedene Schaltfunktionen zugeordnet. Möglich sind beispielsweise die Ein- /Ausschaltfunktion oder eine zeitabhängige Schaltfunktion.The information of the transmission telegram is assigned in a downstream control unit, which is located outside of the switching element according to the invention, various switching functions. For example, the on / off function or a time-dependent switching function are possible.
Die Realisierung der vorgenannten konstruktiven Lösung eines leitungsfreien Schaltelements für den Innenraum von Kraftfahrzeugen erfolgt nach dem Blockschaltbild gemäß Figur 2.The realization of the aforementioned constructive solution of a line-free switching element for the interior of motor vehicles is carried out according to the block diagram of Figure 2.
Durch Drücken des Betätigungselements wird der Piezo-Wandler 1 betätigt und erzeugt einen positiven Impuls, der über eine Gleichrichterschaltung geführt wird. Der nachgeschaltete „Step-down"-Spannungsregler 9 reguliert die Spannung auf eine für den Mikrocontroller 3 und für das HF Modul 4 benötigte Betriebsspannung von 5 Volt und lädt einen Kondensator 8 auf.By pressing the actuating element of the piezoelectric transducer 1 is actuated and generates a positive pulse, which is passed through a rectifier circuit. The downstream "step-down" voltage regulator 9 regulates the voltage to a required for the microcontroller 3 and the RF module 4 operating voltage of 5 volts and charges a capacitor 8.
Nach Bereitstellung der Betriebsspannung führt der Mikrocontroller 3 einen Hardware-Reset aus und startet das Programm neu.After provision of the operating voltage, the microcontroller 3 performs a hardware reset and restarts the program.
Der vom Piezo-Wandler 1 erzeugte positive Impuls wird gleichzeitig über eineThe generated by the piezoelectric transducer 1 positive pulse is simultaneously on a
Spannungsbegrenzung, bestehend aus dem Vorwiderstand 6 und der Diode 7 dem Eingang IN des Mikrocontrollers 3 zugeführt. Durch die Diode 7 ist es möglich, den Ein-/Ausschalt-Status zu erkennen, da bei einem positiven Impuls (Drücken des Betätigungselements) am Eingang IN ein H-Pegel anliegt; bei einem negativen Impuls (Loslassen des Betätigungselements) liegt am Eingang IN ein L-Pegel an.Voltage limiting, consisting of the series resistor 6 and the diode 7 is supplied to the input IN of the microcontroller 3. Through the diode 7, it is possible to recognize the on / off status, since at a positive pulse (pressing the actuator) at the input IN is an H level; in the case of a negative pulse (release of the actuating element), an L level is present at the input IN.
Der Mikrocontroller 3 fragt im Programmablauf den Pegel am Eingang IN ab.
Darauf gibt der MikroController 3 das Sendetelegramm, bestehend aus Identifier und der Ein- oder Ausschaltinformation über den Ausgang OUT an das HF-Modul 4 weiter.The microcontroller 3 queries the program flow from the level at the input IN. Then the microcontroller 3 transmits the transmission telegram consisting of the identifier and the on or off information via the output OUT to the RF module 4.
Das HF-Modul 4 moduliert das Sendetelegramm mit einer vorgesehenen ASK-Modulation und sendet es mittels einer Antenne 5 aus.The RF module 4 modulates the transmission telegram with an intended ASK modulation and transmits it by means of an antenna 5.
Beim Loslassen des Betätigungselements erfolgen die vorbeschriebenen Prozesse analog.When releasing the actuator, the above-described processes take place analogously.
Das Programm des Mikrocontrollers 3 muß folgende Programmablaufpunkte enthalten:The program of the microcontroller 3 must contain the following program execution points:
• Initialisierung von Ein- und Ausgang, sowie des Reset-Pins;• Initialization of input and output, as well as the reset pin;
• Pegelabfrage des Eingangs IN;• Level query of input IN;
• Generierung des Sendetelegramms, bestehend aus einem im Datenspeicher abgelegten 32 Bit Identifier und dem Ein-/Ausschalt-Status; • Ausgabe des Sendetelegramms an das HF-Modul 4, inklusive einer zweimaligen Wiederholung.• Generation of the send telegram, consisting of a 32-bit identifier stored in the data memory and the on / off status; • Output of the send telegram to the RF module 4, including a repetition twice.
Die Gestaltung der Antenne 5 könnte direkt als Leiterzug auf der Platine erfolgen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist Kosten und Platz einzusparen.
The design of the antenna 5 could be done directly as a circuit on the board, which gives the possibility to save costs and space.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Energiewandlerenergy converters
2 - Spannungswandler2 - Voltage transformer
3 - Prozessor3 - processor
4 - HF-Modul4 - RF module
5 - Antenne5 - antenna
6 - Vorwiderstand6 - series resistor
7 - Z-Diode7 - Zener diode
8 - Kondensator8 - capacitor
9 - Spannungsregler 10 - Gleichrichter
9 - Voltage regulator 10 - Rectifier