非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统的制作方法

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及本质安全型移动电源领域，具体地说是一种非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统。背景技术：2.随着物联网相关技术在煤矿井下巷道中的推广应用，无线传感网络设备因其安装部署便利性逐步得到大家的认可和青睐，但在具体应用过程中发现，无线传感网络设备的内置电源因受制于壳体空间的限制，电源容量无法足够满足设备比较长的连续工作时间。而在使用中，所用电源的容量越大，设备持续工作时间越长，便可以减少电源更换的频次，现场应用管理越便利。3.但是，由于煤矿井下的瓦斯、一氧化碳以及粉尘的存在，要求所有井下设备都应满足井下设备防爆要求，由于除本质安全型外的隔爆、浇封等其他型式的防爆设备在体积和重量上都不能满足轻便的要求，具体如下：4.(1)、常用的多电池电池组方案直接并联会因多块电池的热聚集效应超过本质安全的要求而不能在含有爆炸性气体的环境中使用；5.(2)、常用的电池切换供电系统采用单片机进行逻辑控制，但会因为单片机固件被篡改而导致控制逻辑失效，导致设备无法正常工作；6.(3)、常用的电池切换供电系统中起到控制作用的单片机采用的是电池切换完成之后输出的电源，但是该方法必须等单片机内部程序启动后才能进行逻辑控制，必然会导致在电池接入设备的很短的时间内处于直接并联的状态，即电池切换系统并未完全避免两块电池并联的状态。7.其中，本质安全型(“i”intrinsic safety)是指电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。本质安全设备(intrinsic safety apparatus)是指所有电路为本质安全电路的设备。技术实现要素：8.本发明提供了一种非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统，来解决上述的问题。9.本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统，该系统包括，10.控制逻辑信号发生模块，用于发出控制信号来控制电池的输出；11.电池供电切换模块，用于通过多个电池为外部供电并在其内部自动切换供电电池；12.充电控制模块，用于控制电池供电切换模块中电池的充电过程；13.显示模块，用于通过轻触开关接通来自电池供电切换模块的电池，并通过数码管显示剩余电量。14.作为优选，所述控制逻辑信号发生模块包括振荡电路、计数电路和选通电路，振荡电路、计数电路和选通电路通过逻辑电池供电。15.更优地，所述振荡电路是由运行在非稳态工作模式的计时器芯片搭建，计时器芯片的端子trig和端子thres相连接；16.振荡电路的外部电容器c11通过电阻r19和电阻r20充电，并通过电阻r20放电；通过电阻r19和电阻r20设定占空比，占空比计算公式如下：17.t1＝0.693(r19+r20)c11；18.t2＝0.693(r20)c11；19.t＝t1+t2＝0.693(r19+2r20)c11；20.t＝1/t＝1.44/((r19+2r20)c11)；21.d＝r20/(r19+2r20)；22.其中，t1表示充电时间，即输出高电平的时间；t2表示放电时间；t表示总周期；t表示振荡频率；d表示占空比。23.更优地，所述计数电路是由四位同步计数器芯片搭建；四位同步计数器芯片工作原理具体如下：24.四位同步计数器芯片的端子clr、端子enp以及端子ent均与vbat0高电平相连接，以便开始四位同步计数器芯片运行在计数模式下且配置为不会主动清零；25.四位同步计数器芯片的端子a、端子b、端子c和端子d全部接地，配置初始计时为0；26.四位同步计数器芯片的端子clk引脚接收振荡电路发送出的信号，每一个周期四位同步计数器芯片加1；27.四位同步计数器芯片的端子qc、端子qb和端子qa三个引脚输出计数值，qc-qb-qa,代表三位二级制数由高到低的三位；28.四位同步计数器芯片的端口load接收到信号后，四位同步计数器芯片会重新载入初始值，即端子a、端子b、端子c及端子d四端口值为0。29.更优地，所述选通电路是由三八译码器芯片搭建，通过解析端口a、端口b及端口c的计数值，并输出到端口y0、端口y1、端口y2、端口y3、端口y4及端口y5，输出控制信号，实现对多块电池的供电控制；30.其中，选通电路的工作过程具体为：31.(1)、端口g2a#及端口g2b#接地且端口g1接vbat0，三八译码器芯片配置输入引脚为端口a、端口b及端口c；32.(2)、根据真值表，端口y0、端口y1、端口y2、端口y3、端口y4、端口y5、端口y6及端口y7的低电平状态代表cba值。33.更优地，所述控制逻辑信号发生模块运行过程具体如下：34.s1、在vbat0接通后，选通电路中的三八译码器芯片的端口y4默认为高电平，四位同步计数器芯片的端口load与三八译码器芯片的端口y4相连，则四位同步计数器芯片的端口qc、端口qb和端口qa输出qa-qb-qc为输入端abc上的电平0，即四位同步计数器芯片从0开始计数；35.s2、计时器芯片的端口out输出振荡信号到四位同步计数器芯片的端口clk，每个周期，四位同步计数器芯片加1，qa-qb-qc的值变化，并通过三八译码器芯片的端口y4、端口y3、端口y2、端口y1及端口y0输出控制信号，并在口y4输出高电平时，四位同步计数器芯片重载初值，重新从0开始计数；36.s3、控制信号发生模块输出的控制信号ctlr1、ctrl2、ctrl3、ctrl4及ctrl5分别控制vbat1、vbat2、vbat3、vbat4及vbat5与电源输出引脚中间的mos管导通，mos管在低电平导通，高电平截止；37.s4、在最初上电时，选通电路中的三八译码器芯片默认为高电平，且由于r21》》r26、r22》》r27、r23》》r28、r24》》r29、r25》》r30，故在最初时，五路控制信号仍为高电平，所有通道处于截止状态；38.s5、随着振荡电路的工作，控制信号发生模块将ctlr1、ctrl2、ctrl3、ctrl4及ctrl5五个信号轮流设置为低电平，以驱动vbat1、vbat2、vbat3、vbat4及vbat5轮流向外供电。39.作为优选，所述电池供电切换模块包括五块电池和五块控制电路，五块控制电路和五块电池一一对应设置。40.更优地，所述显示模块包括轻触开关j1、主控单片机u2及188两位半数码管u1；41.电池供电切换模块输出电源vout通过轻触开关j1给显示模块供电；电池组每块电池循环供电且周期一致，即每块电池的输出电压一致，采用简单的电池电压测量方法进行；42.长按轻触开关j1后，主控单片机u2通电，主控单片机u2通过测量内部bandgap电压的adc值，反推出vout电压，再通过查表法得出电池电量的百分比，并通过数码管显示出来。43.更优地，bandgap电压adc反推电池电压的原理具体如下：44.主控单片机u2的adc的第9通道用于测试内部bandgap参考电压，内部bandgap参考电压稳定(一般为1.27v)，不会随着芯片的工作电压的改变而改变，通过主控单片机u2的adc的第9通道测量内部bandgap参考电压；45.通过adc的值反推出工作电压，实现对电池电压的测量。46.更优地，所述充电控制模块具体如下：47.充电控制模块采用继电器将电池的充电和放电过程进行隔离，继电器k1、继电器k2及继电器k3默认端口3及端口4分别与端口9及端口10相连，电池直接接入电池供电切换模块；48.在充电控制+5v电源接入后，继电器k1、继电器k2及继电器k3控制端口4及端口5分别与端口8及端口9相连，电池断开供电电路，并与充电接口vcharge0——vcharge5相连进行充电，具体的充电过程由外置的充电器控制，外置充电器的控制采用现有技术中充电控制方式。49.本发明的非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统具有以下优点：50.(一)本发明采用计时器芯片、四位同步计数器芯片、三八译码器芯片搭建稳定、可靠的控制逻辑信号输出电路，保证电池供电的稳定运行；51.(二)本发明采用单独电源为控制逻辑电路供电的方式，保证多块电池在任何时刻都不会出现并联现象；52.(三)本发明将电池的充电和放电过程进行隔离，可实现多电池同时充电，避免了对电池组进行单电池充电的繁琐；53.(四)本发明所携带电池容量增大2-3倍，为无线传感网络设备提供更长工作时间的电力支持。54.故本发明具有设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。附图说明55.下面结合附图对本发明进一步说明。56.附图1为非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统的结构框图；57.附图2为控制信号发生模块中振荡电路的电路原理图；58.附图3为控制信号发生模块中计数电路的电路原理图；59.附图4为控制信号发生模块中选通电路的电路原理图；60.附图5为电池供电切换模块的电路原理图；61.附图6为显示模块的电路原理图的第一部分；62.附图7为显示模块的电路原理图的第二部分；63.附图8为充电控制模块的电路原理图。具体实施方式64.参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统作以下详细地说明。65.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。66.实施例：67.如附图1所示，本发明的非编程本质安全的多电芯循环切换供电的移动电源系统，该系统包括，68.控制逻辑信号发生模块，用于发出控制信号来控制电池的输出；69.电池供电切换模块，用于通过多个电池为外部供电并在其内部自动切换供电电池；70.充电控制模块，用于控制电池供电切换模块中电池的充电过程；71.显示模块，用于通过轻触开关接通来自电池供电切换模块的电池，并通过数码管显示剩余电量。72.如附图2所示，本实施例中的控制逻辑信号发生模块包括振荡电路、计数电路和选通电路，振荡电路、计数电路和选通电路通过逻辑电池供电。73.本实施例中的振荡电路是由运行在非稳态工作模式(芯片有两种工作模式，一种是单稳态工作模式，计时器一次性运行，一种是非稳态工作模式，计时器可自由运行)的计时器芯片搭建，计时器芯片的2号端子trig和6号端子thres相连接；74.振荡电路触发自身并作为多谐振荡器自由运行，外部电容器c11通过r19和电阻r20充电，通过r20放电，因此可以通过这两个电阻器的比率精确设定占空比。电容器在1/3vbat0和2/3vbat0之间充电和放电，充电和放电时间、频率均与电源电压无关，振荡电路周期不会随着vbat0电压的变化而发生变化。故通过电阻r19和电阻r20设定占空比，占空比计算公式如下：75.t1＝0.693(r19+r20)c11；76.t2＝0.693(r20)c11；77.t＝t1+t2＝0.693(r19+2r20)c11；78.t＝1/t＝1.44/((r19+2r20)c11)；79.d＝r20/(r19+2r20)；80.其中，t1表示充电时间，即输出高电平的时间；t2表示放电时间；t表示总周期；t表示振荡频率；d表示占空比。81.将振荡电路中的相关器件的值带入公式，则可知t≈0.7(r19+2r20)c11，t＝140s，占空比d≈0.5,即振荡电路会在3号端口输出周期140s的方波，可通过改变电阻r19、电阻r20以及电容器c11的值，改变振荡电路输出信号的周期和占空比。其中，计时器芯片型号为lmc555cmx。82.本实施例中的计数电路是由四位同步计数器芯片搭建；四位同步计数器芯片工作原理具体如下：83.(1)、四位同步计数器芯片的1号端子clr、7号端子enp以及10号端子ent均与vbat0高电平相连接，以便开始四位同步计数器芯片运行在计数模式下且配置为不会主动清零；84.(2)、四位同步计数器芯片的3号端子a、4号端子b、5号端子c和6号端子d全部接地，配置初始计时为0；85.(3)、四位同步计数器芯片的2号端子clk引脚接收振荡电路发送出的方波信号，每一个周期四位同步计数器芯片加1；86.(4)、四位同步计数器芯片的12号端子qc、13号端子qb和14号端子qa三个引脚输出计数值，qc-qb-qa,代表三位二级制数由高到低的三位；87.(5)、四位同步计数器芯片的9号端口load接收到信号后，四位同步计数器芯片会重新载入初始值，即端子a、端子b、端子c及端子d四端口值为0。88.其中，四位同步计数器芯片的型号为cd74ac161m96。89.本实施例中的选通电路是由三八译码器芯片搭建，通过解析端口a、端口b及端口c的计数值，并输出到端口y0、端口y1、端口y2、端口y3、端口y4及端口y5，输出控制信号，实现对多块电池的供电控制；其中，三八译码器芯片的型号为cd74ac138m96。90.选通电路的工作过程具体为：91.(1)、端口g2a#及端口g2b#接地且端口g1接vbat0，三八译码器芯片配置输入引脚为端口a、端口b及端口c；92.(2)、根据真值表，端口y0、端口y1、端口y2、端口y3、端口y4、端口y5、端口y6及端口y7的低电平状态代表cba值；三八译码器芯片cd74ac138m96真值表如下表所示：[0093][0094]本实施例中控制逻辑信号发生模块运行过程具体如下：[0095]s1、在vbat0接通后，选通电路中的三八译码器芯片u5的11号端口y4默认为高电平，四位同步计数器芯片u3的9号端口load与三八译码器芯片u5的11号端口y4相连，则四位同步计数器芯片u3的12号端口qc、13号端口qb和14号端口qa输出qa-qb-qc为输入端abc上的电平0，即四位同步计数器芯片u3从0开始计数；[0096]s2、计时器芯片u4的3号端口out输出振荡信号到四位同步计数器芯片u3的2号端口clk，每个周期，四位同步计数器芯片u3加1，qa-qb-qc的值变化，并通过三八译码器芯片u5的11号端口y4、12号端口y3、13号端口y2、14号端口y1及15号端口y0输出控制信号，并在11号端口y4输出高电平时，四位同步计数器芯片u3重载初值，重新从0开始计数；[0097]s3、控制信号发生模块输出的控制信号ctlr1、ctrl2、ctrl3、ctrl4及ctrl5分别控制vbat1、vbat2、vbat3、vbat4及vbat5与电源输出引脚中间的mos管导通，mos管在低电平导通，高电平截止；[0098]s4、在最初上电时，选通电路中的三八译码器芯片默认为高电平，且由于r21》》r26、r22》》r27、r23》》r28、r24》》r29、r25》》r30，故在最初时，五路控制信号仍为高电平，所有通道处于截止状态；[0099]s5、随着振荡电路的工作，控制信号发生模块将ctlr1、ctrl2、ctrl3、ctrl4及ctrl5五个信号轮流设置为低电平，以驱动vbat1、vbat2、vbat3、vbat4及vbat5轮流向外供电。[0100]如附图3所示，本发明的电池供电切换模块包括五块电池和五块控制电路，五块控制电路和五块电池一一对应设置。如附图4所示，显示模块包括一个轻触开关j1、一个主控单片机u2及一个188两位半数码管u1；主控单片机u2的型号为stc15w408as。电池供电切换模块输出电源vout通过轻触开关j1给显示模块供电；电池组每块电池循环供电且周期一致，即每块电池的输出电压一致，采用简单的电池电压测量方法进行；长按轻触开关j1后，主控单片机u2通电，主控单片机u2通过测量内部bandgap电压的adc值，反推出vout电压，再通过查表法得出电池电量的百分比，并通过数码管显示出来。[0101]其中，bandgap电压adc反推电池电压的原理具体如下：[0102]主控单片机u2的adc的第9通道用于测试内部bandgap参考电压，内部bandgap参考电压稳定(一般为1.27v)，不会随着芯片的工作电压的改变而改变，通过主控单片机u2的adc的第9通道测量内部bandgap参考电压；通过adc的值反推出工作电压，实现对电池电压的测量。[0103]如附图5所示，本实施例中的充电控制模块具体如下：[0104]充电控制模块采用继电器将电池的充电和放电过程进行隔离，继电器k1、继电器k2及继电器k3默认端口3及端口4分别与端口9及端口10相连，电池直接接入电池供电切换模块；[0105]在充电控制+5v电源接入后，继电器k1、继电器k2及继电器k3控制端口4及端口5分别与端口8及端口9相连，电池断开供电电路，并与充电接口vcharge0——vcharge5相连进行充电，具体的充电过程由外置的充电器控制，外置充电器的控制采用现有技术中充电控制方式。[0106]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。









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