CN104931757B - 广域测控智能充电日历万用表 - Google Patents

Abstract

广域测控智能充电日历万用表，属于先进制造领域，能对蓄电池在智能仪表全程监控下进行充电，同时具备智能充电器、广域测控智能万用表、智能台式万年历三大功能。机壳正面有三排数码管，每排四位。作充电器时，第一排显示时间，第二排显示充电电压，第三排交替显示充电电流和机内温度；作万年历时三排依次显示时间、月、日、星期、室温；作万用表时第一排显示测量数据，其余两排消隐。整机通过七个按键进行调节和设置。内部由广域测控智能万用表、开关电源及相关控制机构组成。本发明制作的产品一机多用，置于案头是创意台式万年历历，需要时是智能充电器，轻点按键变成智能万用表，再一切换变为智能时间控制器或温度控制器。

Description

广域测控智能充电日历万用表

技术领域 发明属于先进制造领域，是新一代多功能智能仪表。

技术背景

直至今日，在世界范围内普适性智能仪表尚未问世。而公知的数字仪表，只有肉眼读数功能，不能与智能产品配套，从而大大制约了智能产品的发展进程。申请人的前期发明智能万用安伏表和广域测控智能万用表，其核心技术足以支持数字仪表系列智能化升级改造，但二者都只能针对一项信号进行测量，不能同时对智能充电技术所必需的电压、电流、温度实时进行测量，无法实现多源异构数据集成及可视化，也不具备对充电过程进行实时测量监控保护功能。

铅酸蓄电池自发明以来，一直都是由专业人员操作充电机在电压表、电流表的监测下进行充电，以确保充电安全和充电质量。由于在世界范围内普适性智能仪表国内外部未突破，而公知的数字仪表，只有肉眼读数功能，不能与智能产品配套，从而大大制约了智能充电技术的发展。电动车问世以后，因消费者绝大多数是非专业人士，与电动车铅酸蓄电池配套的傻瓜式充电器应运而生。通过市场调查得知，这种产品存在多种隐患。

首先，傻瓜充电器的充电安全得不到保证。电动车充电引发火灾的报道每每见诸报端。究其原因，傻瓜式充电器″接上不管″的充电法，不能对充电过程、零件失效、温升过高等意外进行精确监控并实时作出反应，因而引发火灾。

其次，充电质量得不到保证。铅酸蓄电池的充电有严格的操作规程。只有严格按照规章充电，才能确保既电量充足，又于蓄电池无损害。傻瓜式充电器一切按理想条件应对，以不变应万变，不能保证既能充足电量，又无损于电池寿命。现行电动车充电器必须更新换代。

第三，综合效益低下。电动车一组电池价格近千元。此种充电器因不能保证电量充足且无损于电池寿命，常常造成用户电池提前报废。造成上述现象的根本原因是，在世界范围内标准化智能仪表尚未问世。而公知的数字仪表，只有肉眼读数功能，不能与智能产品配套，从而大大制约了智能充电技术的发展。

随着社会进步和社会科技发展进程，及时用万用表对电气设备进行检查判断或修理，已是现代家庭普遍存在的需求。市售″家庭款万用表″是在数字万用表基础上压缩档位、降低售价。产品推出后因设计毫无新意，消费者反映平淡。

本发明将两个前期发明专利″智能万用安伏表″和″广域测控智能万用表″中的技术进行融合升级，组合成一款大数据体系架构的新型仪表——广域测控智能充电日历万用表。

本发明作为智能仪表普及的先驱，在工业领域尚未实现电工仪表智能化之前，先在民用产品中广泛普及应用，积累经验后在工业智能化领域普及应用。本发明的终极目标是将智能充电技术融合工业互联网。

发明内容

本发明是基于申请人已授权的前期发明广域测控智能万用表和智能万用安伏表的技术，再加扩展升级而成，由智能万用表、智能万年历和开关电源充电器三大部分组成。面板上设有V\A\Ω、10A、COM三个输入插孔和H(置高位)、L(置低位)、M(复用键)、V(电压键)、A(电流键)、Ω(电阻键)和R(复位键)共七只按键。

广域测控智能万用表和万年历是现有技术。本发明以48V蓄电池的应用为例，说明蓄电池智能充电表的工作原理：参看原理图，单片机经JDQ5控制充电开关电源，AD转换器的IN口是智能充电表的信号输入端，开关电源通过二极管DV2输出电流。

广域测控智能充电日历万用表，包括：一体化AC220V/DC59V开关电源、广域测控智能万用表、万年历和智能充电表。智能充电表主要由单片机、AD转换器、模拟开关4和温度传感器DS18B20组成。开关电源的电源开关JDQ5，其控制端经ULN2803与单片机相连，DC59V电压通过二极管DV2的输出端输出，DV2与48V蓄电池正极相连，还和1M与1K电阻组成的分压器相连，充电过程中41-59V的电压，经分压降至41.0-59.0mV；0.1欧电阻下端通地，上端接蓄电池负极，充电电流为2.0A以下，取样值约200mV；两组数据经模拟开关4送到A/D转换器IN脚，万用表自动设置在DC400mV档；DV2输出端口通过电阻连接三极管DV1，DV1连接单片机P1.7口，蓄电池接入后经DV1发出充电请求；单片机P1.6口通过电阻、二极管、电位器与开关电源的LM431相连用以调节输出电压；温度传感器DS18B20与单片机相连，用于充电表温度采样。智能充电的流程见图8：单片机按程序调用上述相关器件，实时动态搭建电压表、电流表、温度表的测量模型，将电压、电流、温度数据集成为一条数据链进行判断处理显示，实现了用一只表实时完成充电电压、电流和温度的全数字化测量显示控制和防护。

智能充电的电压测控原理是，实时参照充电电流实施对充电电压的智能测控。单片机响应P1.7的请求，进入充电模式，恒流充电开始，当充电电压达到44.5V时，恒流充电结束，转为涓流充电；当涓流充电电流降至50mA时，电已充足，充电结束，此时显示的是蓄电池完全充满的端电压。

智能充电的电流测控原理是，实时参照充电电压对充电电流进行智能测控。当充电电压达到44.5V时，恒流充电结束，P1.6口由0V变为5V，调节TL431的比较电压，使开关电源降低输出电压，进行涓流充电。涓流充电初始电流为500mA。涓流充电使蓄电池电压稳步升高，当充电电流降至50mA时电已充足，充电结束；全过程中充电电流超过3A时，继电器断开，充电停止。

参看流程图8，智能充电的温度测控原理是，充电过程中，在实时常显充电电压值的基础上，按10秒周期交替显示电流值和温度值。智能充电表按照程序参看时钟的秒值，个位为零时自主切换至温度传感器DS18B20进行温度采样，将实时温度值与设定值进行比对，当机内温度高于设定值时，继电器断开，充电停止。

智能万用表是发明人已申报并已经公布的发明专利″广域测控智能万用表″的简化版。概括地说，所述万用表由单片机、12位A/D转换器、AC/DC转换器、模拟开关和继电器组成。点击V、A、Ω键，仪表分别进入电压自动档、电流自动档或电阻自动档。测量交流时，点击V或A键后，再点一下L(AC)键。选定测量档位后，第一次测量得到的数据被送入单片机。单片机根据数据大小判断是否需要换档及换入哪一档。由于是纯数字化分析判断，确保测量数据快捷准确地以最佳分辨率显示。在测量过程中，一旦发现电阻值过量程或电压、电流值为零立即返回自动待机档。自动待机档电压为400V档，电阻为4M欧姆档，电流为400mA档。大于400mA的电流从10A插孔输入。所有测量一键到位，智能换档。

智能电子钟由时钟芯片DS1302和单片机组成。本发明制作的产品在不充电时是一只可显示月、日、时、分、温度的电子台历。新颖而美观的造型，使产品可以方便地置于案头、床头或悬于壁上，不仅使用方便，而且赏心悦目。通过B键(位选键)、TU键(调节键)可以调节时间值，此二键与M键配合，可以作为倒顺计时和定时开机的定时器和温度控制器，实现万用表的广域测控功能。

充电器主体是一只标准的开关电源，其与智能万用表配合，对铅酸蓄电池充电的全过程在智能仪表监控下按程序进行。在充电过程中，初始的恒流充电和此后的涓流充电，实时充电电流和电池端电压以及仪表内部温度，都精确显示出来；当电池电压达到预定值后，自动从恒流充电切换到涓流充电；当充电已足时，充电电源断开，仪表显示电池的空载端电压；当仪表内部温度超限时，停止充电；蓄电池与充电插孔对接完毕，仪表即显示当时的电池端电压，若属于过低的不宜充电状态，充电器不启动充电程序。以48V铅酸蓄电为例，仅当电池电压大于40V以上的正常值时，充电才会开始。完善的保护机制和严密的数字化判断，使蓄电池既确保充电质量和充电安全，又大大地延长蓄电池的使用寿命。

本发明集智能万用表、智能控制器、电子台历、智能充电器于一身，旨在为人们提供一款安全、高效、便捷、新颖的创意电子产品。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

破解难题现在市场公知的各种电动车充电器都是以开关电源加电压比较器的办法控制充电过程，其误差大、故障率高、安全隐患严重的缺陷众所周知。消费者强烈要求新一代智能充电器早日面市。本发明可以充分破解此难题，满足新需求。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明在充电时的显示图；

图3是本发明作电子台历时的显示图；

图4是本发明作万用表时的显示图；

图5是本发明作时控器时的显示图；

图6是本发明作温控器时的显示图；

图7是本发明的电子台历流程图；

图8是本发明的充电器流程图。

具体实施方式

机壳尺寸为160×90×50mm。正面设三排数码管，每排四位，通常作电子台历使用。第一排显示当前时刻，第二排的月、日透光彩指示灯配合显示月、日数。第三排前三位显示××C，为当前室温值。第四位配合″星期″透光彩，显示当天为星期几。

上述功能，是由与单片机相连的时钟芯片DS1302、与单片机相连的温度芯片DS18B20和与单片机相连的显示器及指示灯共同完成的。单片机随时访问时钟芯片DS1302读取时间值。秒点每秒闪功一次，时间每分钟刷新一次，温度值每10秒更新一次。月、日、星期指示灯随时间值一起每分钟刷新一次。

机壳左上方有MODEL标志，下方设有秒表、倒计秒、倒计分、倒计时、正计时、定时开、温控7个透光彩指示灯。点击多功能键M，依次进入上述7个控制模式。点击H键设置高位值，点击L键设置低位值。V键此时为启停键，点击V键计时或测温开始。运行中点击V键，可暂停。运行结束，蜂鸣器响，进行提示。

所述发明一开机便进入万年历模式。在万年历模式点击V、A、Ω三键中的任意一个，单片机置7F＝1，便立即切换到万用表的相应模式。

电压档测量信号从V\A\Ω插孔进入，经吸合的继电器JDQ4常开触点，再经10M电阻进入模拟开关1。此时分压电阻1K被接通，与A/D转换器构成400V直流电压表。转换后的测量数据进入单片机。单片机对测量值Vx进行判断，若400V＞Vx＞40V为本档，显示，测量继续；若Vx＞400V，单片机切换到1000V档，再次测量，显示；若40V＞Vx＞4V，切换到40V档，再测量，显示；若Vx＜4V，切换到4V档，再测量，显示。显示后的再次测量值，若不为0，显示，测量继续；若为0返回自动档，待机。测量交流电压时在点击V键后再点击AC[L]键。

电流档选择直流电流档时，继电器JDQ1吸合，将输入口V\A\Ω与1Ω取样电阻联通，模拟开关2和模拟开关1将A/D转换器置400mV档。电流信号经1Ω电阻入地后，产生的取样电压经模拟开关1和模拟开关2进入A/D转换器，转换得到的数字信号进入单片机，此时测量得到的是电流经1Ω取样电阻后产生的毫伏电压值。若400mV＜Vx＞40mV是为本档，显示，再测量；若Vx＞400mV，继电器J1断开，蜂鸣器响，过量程警告；若40mV＞Vx＞4mV，切换到40mA档，再测量，显示；若4mV＞Vx，切换到4mA档，再测量，显示，显示后再测量，数据不为0继续测量；数据为0返回自动档。选10A档时，将正表笔改插10A插孔，点击A键切换到10A档。测交流电流时，在直流档时再点击一次AC键，AC指示灯亮了之后，再测量。

电阻档电阻自动档设置在4MΩ档。在模拟开关3，2500mV标准电压通过1M电阻加在A/D转换器的1N端。此时A/D转换器满度为4000mV。假设依次将40M、4M、400K、40K、4K的电阻上端接1N，下端接地，则VIN依次为2440mV、714mV、96mV、10mV。测量时，待测电阻RX接在V\A\Ω端口和COM之间，上端经过继电器JDQ4的常闭触点与A/D转换器1N端口联通，Rx上的电压降即IN口对地的电压为Vx。若2440mV＞Vx＞2000mV，切换到40MΩ档；若2000mV＞VX＞714mV，适用4MΩ档，计算，显示，再次测量；若714mV＞VX＞96mV，切换到400KΩ档；若96mV＞Vx＞10mV，切换到40KΩ档；若Vx＜10mV，切换到4KΩ档。除符合4MΩ档的测量外，第一次测量不运算不显示。根据数据判断换档，一次到位。在新档位测得电压Vx后，进行运算，得出电阻值，显示。显示后再次测量，不过量程，运算、显示；过量程，返回自动档(4MΩ档)。

运算方法是，标准电阻上产生的电压降，在数值上与标准电阻和待测电阻中的电流值相等，即I＝(2500-VX)mA，根据欧姆定律Rx＝Vx/I。用此法测量电阻值精度高、线性好、速度快。在40MΩ档，平均测量速率为0.3秒。而用比例法测电阻，测量19MΩ电阻并取得稳定数据，将耗时15秒以上。

由于本发明万用表部分采用了已公布的″广域测控智能万用表″发明专利的部分内容，叙述相对简要。

本发明的适用对象是家庭、居民、学生和非电子专业技术人员，使用力求简单便捷，故不设微安档和欧姆档[4k档最低分辨率为1欧]。在绝大多数情况下，本发明作为一款普及型智能万用表，是胜任愉快的。

万用表的测量和控制性能如下表。

电工测量功能表

自动控制功能表

智能充电器智能充电器由开关电源和智能万用表组成。开关电源是标准的AC220V/DC59V开关电源。59V电压在通向充电插头之前串联一只大功率二极管VD2，防止电池接反和电流倒灌。不充电时，仪表用单独的5V开关电源工作，不开启59V开关电源。在万年历模式，当充电插头***充电插座，40V以上的电池电压接入，使9013三极管饱和导通，将P1.7口的5V电压下拉为0V，P1.7＝0作为一个充电信号传给单片机。单片机立即响应，进入充电模式：置P1.6＝0，第二排数码管显示电池的端电压。此电压若低于40V，充电不会启动，蜂鸣器发声，提出警告。若电池电压大于40V，10秒后继电器JDQ5吸合，恒流充电开始。第二排数码管显示充电电压，第三排显示充电电流和机内温度，交替显示，每10秒切换一次。当充电电压达到44.5V时，恒流充电结束，P1.6口由0V变为5V，电压经VD2抬高TL431的比较电压，使开关电源降低输出电压，进行涓流充电。调节W2使涓流充电电流为500mA。涓流充电使蓄电池电压稳步升高，当充电电流降至50mA时，电已充足，单片机驱动继电器JDQ5断开，充电结束。此时显示的是蓄电池脱机的端电压，充电电流为0，温度逐渐降低。充电结束时，蜂鸣器发声提示。

为便于智能仪表对充电过程进行检测，充电过程中产生的41V-59V左右的电压，经1M和1K两个分压电阻，降至41.0-59.0mV；充电电流为2.0A以下，经0.1欧取样电阻降至约200mV，这两个数据经模拟开关4送到A/D转换器IN脚。充电过程中，万用表被设置在DC400mV档，单片机实时显示充电电压值，按10秒的间隔轮流测量并显示充电电流和温度值。

通常，在室内作台历和万用表使用时，由220V市电供电。若将电子钟和万用表携带外出使用，需配备电池。仪表内部有4.2V锂电池和涓流充电器。电池4.2V经DC/DC转换器转换成5V电压。交流和直流开关分置于仪表两侧。

为确保充电安全，充电程序中有以下设置：充电电流意外加大，超过3A时，继电器JDQ5断开，充电停止；机内温度高于设定值，继电器JDQ5断开，充电停止。

从以上功能可以看出，智能充电器将充电过程中可以预见的各种意外和违规情况，都被有效地加以防止。

用法介绍

开机与校时 接市电时按下开关AK，用机内电池时按下开关DK，仪表进入万年历模式，显示月、日、星期、室温、时间五项信息，此时可置于案头作电子台历使用。在万年历模式，点击H键(B键，位选)，最下方的温度值一行变为20XX年，年数闪烁，点击L键(TU，调节键)校正年份；点击H键进入月份，点击L键校正。。。。。。直至将分钟数校正，最后点击H键，退出校时程序，开始闪秒，走时，温度值出现。

控制模式 在电子台历模式，点击多功能键M，依次点亮①—⑦个指示灯，进入不同的时间及温度模式。在各个不同模式，点击H键置高位，点击L键置低位，数据设置完毕点击V键(STA/STOP)开始运行或停止。

万用表模式 在电子台历模式，点击V、A、Ω中的任何一个按键，即进入万用表的对应模式，电流、电压值转换为0000，电阻档显示1.---，对应的V、mA、M三个指示灯中的一个发亮，表示进入某项测量自动档的待机状态，可以进行测量。再次点击一次V键，进入400mV档，在此档再点击V键，返回自动档。任何情况下，点击非同名键，即进入新的测量程序。

充电模式 在电子台历档，***蓄电池充电插座，仪表自动切换至充电档，显示蓄电池的空载端电压，若≥40V，10秒后进入充电模式；若＜40V，蜂鸣器发声提示，不会进入充电状态。充电过程中，显示实时充电电压值，交替显示电流值和温度值；达到涓流充电临界点时，自动调整充电电流，进行涓流充电，初始为500mA。当涓流充电电流小于50mA时，充电结束，蜂鸣器发声提示，充电器断电，显示蓄电池的脱机端电压。时钟照常行走。抽出充电插座，恢复电子台历模式。

以上是本发明针对48V蓄电池的应用范例。产业化时将推出24V、36V、48V、60V等多种规格，并根据实际情况进行升级完善，相关内容均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种广域测控智能充电日历万用表，包括：一体化AC220V/DC59V开关电源、广域测控智能万用表、万年历和智能充电表，其特征在于，智能充电表主要由单片机、AD转换器、模拟开关4和温度传感器DS18B20组成，开关电源的电源开关JDQ5，其控制端经ULN2803与单片机相连，DC59V电压通过二极管DV2的输出端输出，DV2与48V蓄电池正极相连，还和1M与1K电阻组成的分压器相连，充电过程中产生的41-59V的电压，经分压降至41.0-59.0mV；0.1欧电阻下端通地，上端接蓄电池负极，充电电流为2.0A以下，取样值约200mV；两组数据经模拟开关4送到A/D转换器IN脚，万用表自动设置在DC400mV档；DV2输出端口通过电阻连接三极管DV1，DV1连接单片机P1.7口，蓄电池接入后经DV1发出充电请求；单片机P1.6口通过电阻、二极管、电位器与开关电源的LM431相连，用以调节输出电压；温度传感器DS18B20与单片机相连，用于充电表温度采样；单片机按程序调用上述相关器件，实时动态搭建电压表、电流表、温度表的测量模型，将电压、电流、温度数据集成为一条数据链进行判断处理显示，实现了用一只表实时完成充电电压、电流和温度的全数字化测量显示控制和防护。

2.根据权利要求1所述广域测控智能充电日历万用表，其特征在于，智能充电的电压测控原理还包括，实时参照充电电流对充电电压进行智能测控，单片机响应P1.7的请求，进入充电模式，恒流充电开始，当充电电压达到44.5V时，恒流充电结束，转为涓流充电；当涓流充电电流降至50mA时，电已充足，充电结束，此时显示的是蓄电池完全充满的端电压。

3.根据权利要求1所述广域测控智能充电日历万用表，其特征在于，智能充电的电流测控原理还包括，实时参照充电电压对充电电流进行智能测控，当充电电压达到44.5V时，恒流充电结束，P1.6口由0V变为5V，调节TL431的比较电压，使开关电源降低输出电压，进行涓流充电，涓流充电初始电流为500mA，涓流充电使蓄电池电压稳步升高，当充电电流降至50mA时电已充足，充电结束；全过程中充电电流超过3A时，继电器断开充电停止。

4.根据权利要求1所述广域测控智能充电日历万用表，其特征在于，智能充电的温度测控原理还包括，充电过程中，在实时常显充电电压值的基础上，按10秒周期交替显示电流值和温度值，智能充电表按照程序参看时钟的秒值，个位为零时自主切换至温度传感器DS18B20进行温度采样，将实时温度值与设定值进行比对，当机内温度高于设定值时，继电器断开，充电停止。

Images