CN108879892A - 一种双电池组自动切换供电*** - Google Patents

一种双电池组自动切换供电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电池组自动切换供电***，涉及电子信息技术领域，包含有单片机（1）、电池组一（2）、电池组二（3）、电压检测电路一（4）、电压检测电路二（5）、电池保护电路一（6）、电池保护电路二（7）、切换电路一（10）和切换电路二（11）。本发明将两组电池同时接入供电***中，没有主次之分，完全对等供电，避免了两组电池并联连接出现的问题，对于两组电池各自设计电压检测电路、电量显示电路、控制电路和切换电路，与单片机连接，通过对比将电量较多的一组切换至供电状态，如此循环切换供电直至两组电池电量到达底线更换电池组，在确保两组电池能够均衡、稳定、长期供电的前提下，最大限度提高电池组的使用效率。

Description

一种双电池组自动切换供电***
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体的说是一种双电池组自动切换供电***，尤其应用于危险环境内低功耗仪器仪表中作为电源供电电路。
背景技术
在煤矿、化工、石油等危险领域、防爆场所，使用仪器仪表、传感器等工业设备时，接入外部适配器电源供电容易导致***危险，不能使用，而内置单组电池由于使用电池容量受限，往往达不到监测周期要求，需要增加使用时长可以通过增加一组电池来增加容量。两组电池组同时供电在目前应用中，一般采用直接并联法和通过二极管或门电路并联法连接，直接并联法连接无法解决两组电池电量不一致引起互相充放电的弊端和危险，而通过二极管或门电路并联法连接又会出现供电时二极管导通引起电压降的问题。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种双电池组自动切换供电***，两个电池组同时接入，没有主次之分，具有各自的电压检测及电量显示，基于单片机控制完成双电池组供电的自动切换，提高电池的使用效率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种双电池组自动切换供电***，包含有单片机、电池组一、电池组二、电压检测电路一、电压检测电路二、电池保护电路一、电池保护电路二、切换电路一和切换电路二，所述电池组一分别与电池保护电路一、电压检测电路一连接，所述电池组二分别与电池保护电路二、电压检测电路二连接，所述单片机的输入端分别与电压检测电路一、电压检测电路二连接，所述单片机的输出端与切换电路一、切换电路二连接，所述切换电路一、切换电路二分别与电池组一、电池组二连接，所述电池组一和电池组二同时与供电***电压输出端连接，所述单片机连接计时电路，每隔设定时间启动电压检测电路一和电压检测电路二，当电池组一电压高时，切换电路一导通使用电池组一进入供电状态，电池组二不工作；当电池组二电压高时，切换电路二导通使用电池组二进入供电状态，电池组一不工作。
还包括电量显示电路一和电量显示电路二，所述电量显示电路一和电量显示电路二分别与单片机的输出端连接，分别用于显示电池组一和电池组二的电量。
所述电池组一和电池组二的供电电路结构相同，其中所述电池组一的电压检测电路一包含有电阻RA1、电阻RA2、电阻RA3、电容CA1和单片机电压测量接口端BAT_AD1，所述电阻RA1、电阻RA2串联分压后接地，二者的分压点连接电阻RA3、电容CA1后接地，所述电阻RA3电容CA1之间的结点与单片机电压测量接口端BAT_AD1连接；所述切换电路一包含有单片机控制开关接口端CTR1、电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1、PMOS管MQ1和理想二极管LTC4411，单片机控制开关接口端CTR1与电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1的2端基极经NPN三极管Q1的1端集电极、PMOS管MQ1的2端栅极顺次连接，所述NPN三极管Q1的3端射极接地，所述PMOS管MQ1的3端源极连接POWER1正极、1端漏极连接理想二极管LTC4411的电源输入端，所述理想二极管LTC4411的2端、3端接地，5端连接电压输出端VOUT后通过电容CP1接地，所述电池组一和电池组二各自切换电路的理想二极管LTC4411并联与电压输出端VOUT连接。
本发明具有如下有益效果：
1）将两组电池同时接入供电***中，没有主次之分，完全对等供电，避免了两组电池并联连接出现的问题，对于两组电池各自设计电压检测电路、电量显示电路、控制电路和切换电路，与单片机连接，通过对比将电量较多的一组切换至供电状态，如此循环切换供电直至两组电池电量到达底线更换电池组，在确保两组电池能够均衡、稳定、长期供电的前提下，最大限度提高电池组的使用效率；
2）测量的电压值通过单片机记录，并可通过数据传输接口上传至负载主机，以显示两组电池的电量值，作为更换电池组的参考；
3）两个电池组之间通过理想二极管进行隔离，既有效阻断两电池组之间由于电势差引起的充放电危险，又避免了普通二极管导通时产生的压降，使输出电压和输入电压相等，确保供电的均衡平稳；
4）具有电量显示功能，通过按键可同时显示两电池组剩余电量值；切换电路采用低功耗设计，设计了定时电路，平时处于休眠状态下，电流小于10uA，不增加两电池组的供电负担，电压检测可设定检测周期，切换供电电路每隔该检测周期进行一次电压检测，用以判定两个电池组的剩余电量，进行切换；
5）结构简单，成本低廉，大大提高双电池组的使用效率，便于大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为本发明具体电路图；
图3为计时电路原理图；
图4为单片机接口电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
如图1-2所示，一种双电池组自动切换供电***，包含有单片机1、电池组一2、电池组二3、电压检测电路一4、电压检测电路二5、电池保护电路一6、电池保护电路二7、切换电路一10和切换电路二11，所述电池组一2分别与电池保护电路一6、电压检测电路一4连接，所述电池组二3分别与电池保护电路二7、电压检测电路二5连接，所述单片机1的输入端分别与电压检测电路一4、电压检测电路二5连接，所述单片机1的输出端与切换电路一10、切换电路二11连接，所述切换电路一10、切换电路二11分别与电池组一2、电池组二3连接，所述电池组一2和电池组二3同时与供电***电压输出端连接，所述单片机1连接计时电路12，每隔设定时间启动电压检测电路一4和电压检测电路二5，当电池组一2电压高时，切换电路一10导通使用电池组一2进入供电状态，电池组二3不工作；当电池组二3电压高时，切换电路二11导通使用电池组二3进入供电状态，电池组一2不工作。
该***还包括电量显示电路一8和电量显示电路二9，所述电量显示电路一8和电量显示电路二9分别与单片机1的输出端连接，分别用于显示电池组一2和电池组二3的电量。
如图4所示，所述电池组一2和电池组二3的供电电路结构相同，其中所述电池组一2的电压检测电路一5包含有电阻RA1、电阻RA2、电阻RA3、电容CA1和单片机电压测量接口端BAT_AD1，所述电阻RA1、电阻RA2串联分压后接地，二者的分压点连接电阻RA3、电容CA1后接地，所述电阻RA3电容CA1之间的结点与单片机电压测量接口端BAT_AD1连接；所述切换电路一10包含有单片机控制开关接口端CTR1、电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1、PMOS管MQ1和理想二极管LTC4411，单片机控制开关接口端CTR1与电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1的2端基极经NPN三极管Q1的1端集电极、PMOS管MQ1的2端栅极顺次连接，所述NPN三极管Q1的3端射极接地，所述PMOS管MQ1的3端源极连接POWER1正极、1端漏极连接理想二极管LTC4411的电源输入端，所述理想二极管LTC4411的2端、3端接地，5端连接电压输出端VOUT后通过电容CP1接地，所述电池组一2和电池组二3各自切换电路的理想二极管LTC4411并联与电压输出端VOUT连接。
电池组二3的供电电路类同，具体结构不再赘述。
在本实施例中，本发明的具体工作过程如下：
切换电路的POWER1接口和POWER2接口分别接入两组电池组，其中POWER1电池组一供电电路和POWER2电池组二供电电路部分相仿，故以POWER1电池组一的供电电路说明。
上电过程中，POWER1接口的2端接电池组一的正极，1端接电池组一的负极。电池组一正极经过自恢复保险丝F1连接PMOS管MQ1的3端源极，PMOS管MQ1的3端源极和2端栅极之间并联100K电阻RP1，PMOS管MQ1的2端栅极经10UF电容CB1接地。当POWWE1初次上电时，电阻RP1和CB1瞬间进行阻容充电，充电时长大约30ms，POWER1电池组一电压加载到电阻RP1两端，使得PMOS管MQ1的栅源极电压为电阻RP1两端电压，该电压相当于此时的POWER1电池组一电压，使PMOS管Q1导通，导通后通过1端漏极接通理想二极管LTC4411的1端电源输入端，理想二极管LTC4411导通后经5端输出电压，作为该切换电路电池组一输入的输出供电端，该电压经电容CP1接地滤波，使输出电压更稳定，降低纹波系数。
同理，POWER2接口的电源输入端也在上电过程中同样工作，这里不再赘述。其中自恢复保险丝F1、F2在电路中起到电路保护作用，防止输入电压过高，损坏电路元器件。
上电完成后，单片机1正常供电，此时程序正常运行，单片机1为节省功耗，,平时进入低功耗模式，防止不必要的电量消耗，其自身内置RTC计时模块，通过外接32.768kHz晶振Y2和CY1、CY2电容构成RTC计时电路12，程序设计RTC计时时间到达后（如10分钟），单片机从低功耗方式唤醒，检测两组电池组电压，确定是否进入切换状态，RTC定时模块原理如图3所示。
POWER1端的接入电池组一经过电阻RA1和电阻RA2进行分压，电阻RA1阻值为200K，电阻RA2阻值为100K，且电阻RA1和电阻RA2的电阻值采用高精度（精度不低于1%）的电阻，确保分压准确性。通过计算分压后的电压值约为：VIN1*RA2/(RA1+RA2)=100K/300K=VIN1/3;
该电压值经过1K的电阻RA3接入单片机控制电路的P2.6接口，P2.6接口集成内部12位AD转换器，转换器通过模拟数字转换后得到P2.6的输入电压BAT_AD1，由于BAT_AD1的输入电压为POWER1电源输入端电压的1/3，从而计算得到POWER1端输入电压VIN1。
同样，POWER2端的接入电池组经过电阻RA4和电阻RA5进行分压，电阻RA4阻值为200K，电阻RA5阻值为100K，且电阻RA4和电阻RA5的电阻值采用高精度（精度不低于1%）的电阻，确保分压准确性。
通过计算分压后的电压值约为：VIN2*RA5/(RA4+RA5)=100K/300K=VIN2/3;
该电压值经过1K的电阻RA6接入单片机控制电路P1.4接口，P1.4接口集成内部12位AD转换器，转换器通过模拟数字转换后得到P1.4的输入电压BAT_AD2，由于BAT_AD2的输入电压为POWER2电源输入端电压的1/3，从而计算得到POWER2端输入电压VIN2。
单片机在定时唤醒期间测量得到POWER1和POWER2两组电池组电压后，经过对比，电池电压差值出现以下几种情况：
当VIN1-VIN2>0.1V时,单片机控制开关接口端CTR1输出高电平，单片机控制开关接口端CTR2输出低电平。单片机控制开关接口端CTR1为高电平导通二极管DP1，经二极管DP1负端接入NPN三极管Q1，NPN三极管Q1的2端基极和3端射极正向导通，接通NPN三极管的Q1的1端漏极和3端射极，NPN三极管Q1的1端漏极和PMOS管MQ1的栅极连接，NPN三极管Q1导通后导致PMOS管MQ1栅极电压瞬间拉低，PMOS管MQ1导通给U3的理想二极管LTC4411供电，POWER1进入供电状态。同时单片机控制开关接口端CTR2为低电平，二极管DP3截止，NPN三极管Q2的2端基极和3端发射极截止，NPN三极管Q2无法导通，导致PMOS管MQ2截止，POWER2电源无法接通其电路中的理想二极管LTC4411，POWER2进入不供电状态。
当VIN2-VIN1>0.1V时,单片机控制开关接口端CTR2输出高电平，单片机控制开关接口端CTR1输出低电平。单片机控制开关接口端CTR2为高电平导通二极管DP3，经二极管DP3负端接入NPN三极管Q2，NPN三极管Q2的2端基极和3端发射极正向导通，接通NPN三极管Q2的1端漏极和3端发射极，NPN三极管Q2的1端漏极和PMOS管MQ2的栅极连接，NPN三极管Q2导通后导致PMOS管MQ2栅极电压瞬间拉低，PMOS管MQ2导通给U4理想二极管LTC4411供电，POWER2进入供电状态。同时单片机控制开关接口端CTR1控制端为低电平，二极管DP1截止，NPN三极管Q1的2端基极和3端发射极截止，NPN三极管Q1无法导通，导致PMOS管MQ1截止，POWER1电源无法接通其电路中的理想二极管LTC4411，POWER2进入不供电状态。
|VIN1-VIN2|≤0.1V时，POWER1和POWER2，供电端两电池组电量相当，切换电路不切换供电状态，此时维持原有电池供电，待单片机1下次唤醒后重新检测电压值，确定是否切换。
在单片机1定时唤醒检测电量判断是否进行切换的同时，检测到的POWER1和POWER2输入端电压存入单片机1内存，提供对外的串口作为传输接口，该接口由串口发送端TXD、串口接收端RXD和接地GND组成，外部负载或仪器仪表等接入本***供电时，可扩展连接该数据传输接口，用于读取双组电池组的电压值进行显示和预警。
本实施例中，切换电路自带电量指示功能，通过按键触发可同时显示电池组一2和电池组二3的剩余电量值。显示方式采用高亮数码管能量槽方式，共10个能量槽，每个能量槽代表10%的电量，剩余电量小于20%显示红色，20%~50%显示黄色，50%以上显示绿色，显示清晰、直观。
本发明在延长电池使用时间的同时，起到了电池电量的检测和反馈，便于用户及时掌握电量信息，电量不足时提前更换电池。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双电池组自动切换供电***，其特征在于，包含有单片机（1）、电池组一（2）、电池组二（3）、电压检测电路一（4）、电压检测电路二（5）、电池保护电路一（6）、电池保护电路二（7）、切换电路一（10）和切换电路二（11），所述电池组一（2）分别与电池保护电路一（6）、电压检测电路一（4）连接，所述电池组二（3）分别与电池保护电路二（7）、电压检测电路二（5）连接，所述单片机（1）的输入端分别与电压检测电路一（4）、电压检测电路二（5）连接，所述单片机（1）的输出端与切换电路一（10）、切换电路二（11）连接，所述切换电路一（10）、切换电路二（11）分别与电池组一（2）、电池组二（3）连接，所述电池组一（2）和电池组二（3）同时与供电***电压输出端连接，所述单片机（1）连接计时电路（12），每隔设定时间启动电压检测电路一（4）和电压检测电路二（5），当电池组一（2）电压高时，切换电路一（10）导通使用电池组一（2）进入供电状态，电池组二（3）不工作；当电池组二（3）电压高时，切换电路二（11）导通使用电池组二（3）进入供电状态，电池组一（2）不工作。
2.根据权利要求1所述的一种双电池组自动切换供电***，其特征在于，还包括电量显示电路一（8）和电量显示电路二（9），所述电量显示电路一（8）和电量显示电路二（9）分别与单片机（1）的输出端连接，分别用于显示电池组一（2）和电池组二（3）的电量。
3.根据权利要求1所述的一种双电池组自动切换供电***，其特征在于，所述电池组一（2）和电池组二（3）的供电电路结构相同，其中所述电池组一（2）的电压检测电路一（5）包含有电阻RA1、电阻RA2、电阻RA3、电容CA1和单片机电压测量接口端BAT_AD1，所述电阻RA1、电阻RA2串联分压后接地，二者的分压点连接电阻RA3、电容CA1后接地，所述电阻RA3电容CA1之间的结点与单片机电压测量接口端BAT_AD1连接；所述切换电路一（10）包含有单片机控制开关接口端CTR1、电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1、PMOS管MQ1和理想二极管LTC4411，单片机控制开关接口端CTR1与电阻RP2、二极管DP1、NPN三极管Q1的2端基极经NPN三极管Q1的1端集电极、PMOS管MQ1的2端栅极顺次连接，所述NPN三极管Q1的3端射极接地，所述PMOS管MQ1的3端源极连接POWER1正极、1端漏极连接理想二极管LTC4411的电源输入端，所述理想二极管LTC4411的2端、3端接地，5端连接电压输出端VOUT后通过电容CP1接地，所述电池组一（2）和电池组二（3）各自切换电路的理想二极管LTC4411并联与电压输出端VOUT连接。
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