CN100451670C - 电池容量检测设备和检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测设备和方法，用于始终精确地检测剩余电池容量，而与使用了电池的设备的操作模式无关。当电池供电设备工作在低负载模式下时，对电池放电电压进行A/D转换，并来自这样得到的数字信号来确定剩余电池容量，并且当电池供电设备工作在高负载模式下时，将电池放电电压与特定阈值电压进行比较，根据比较结果来运行中断处理以计算剩余电池容量。

Description

电池容量检测设备和检测方法
技术领域
本发明通常涉及一种检测安装到设备中的电池中剩余容量的设备，更具体地，涉及一种对在电池输出根据设备的操作模式而具有很大不同的移动设备中的电池容量的检测。这样的移动设备包括小型打印机和数字摄像机。
背景技术
根据参考文献已知用于检测移动设备中安装的电池的剩余容量的各种设备。例如，在日本待审专利申请公开H7-325134中教导的设备具有：第一电压检测器，用于检测大于阈值电压的放电电压；以及第二电压检测器，用于根据按照电池的最大放电电压所确定的阈值电压来检测阈值电压。为了检测电池容量，第一和第二电压检测器都在各自检测范围内检测放电电压，并根据从检测到的放电电压中获得的第一和第二数字值，确定所检测到的放电电压是否大于阈值电压。根据该比较的结果，选择第一或第二数字值，并且根据所选择的数字值来确定剩余的电池容量。
该检测设备通过使用两个不同的电压检测器来检测放电电压改善了模拟/数字转换电路的分辨率，从而改善了放电电压检测的精度。
该检测设备使用A/D转换器将所检测到的电池放电电压转换为数字信号，利用设备中的MPU有规律地对数字信号进行取样，并且根据预定规则来计算电池容量。
然而，在诸如小型打印机的移动设备中，当打印机机构正在操作时(高负载模式)和当打印机机构处于待机状态时(低负载模式)，电池负载具有极大的不同。尽管电池的放电电压随负载的改变发生了很大变化，当处于操作模式下时，还将较重负载施加到设备的MPU。因此，难以使用MPU来对电池放电电压进行取样。如果为了减少在MPU上的负载而增加取样间隔，检测精度下降，并且不能够在最大放电负载处进行电压检测。
由于放电电压在高负载模式下发生极大的波动，对可以通过以恒定周期对A/D转换后的数字放电电压信号进行取样并由MPU处理取样后的信号来实现的检测精度存在限制。
此外，当由主机设备来监控小型移动打印机时，需要在打印机和主机之间以固定定时进行通信。这表示MPU必须还具有足够的保留容量来处理通信。由于小型打印机的操作模式与通信定时无关，MPU必须还具有足够的容量来实现平稳的通信，即使在打印机处于高负载模式的情况下。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种检测设备和检测方法，用于始终精确地检测剩余电池容量，而与设备的操作模式无关。
本发明的另一目的是提出一种检测设备和检测方法，用于即使当设备处于高负载模式下时，使在设备的MPU上的负载最小，从而MPU可以执行检测剩余电池容量的操作。
电池的放电电压还随温度的改变而发生变化。因此，仅根据放电电压来检测电池容量会造成检测错误。因而，本发明的另一目的是提出一种检测设备和检测方法，用于始终精确地检测剩余电池容量，而与电池温度的改变无关。
本发明实现了这些目的。
本发明的第一方面是一种检测安装在设备中的电池的剩余容量的设备。该电池容量检测设备具有：操作模式检测设备，用于确定设备是工作在低负载模式下还是高负载模式下；A/D转换器，用于对电池输出进行A/D转换；比较器，用于将电池输出与特定参考输出进行比较；以及操作器，当设备的操作模式处于低负载模式下时，所述操作器根据来自A/D转换器的数字输出来计算剩余电池容量，并且当设备的操作模式处于高负载模式下时，所述操作器根据比较器输出来执行中断处理以计算剩余电池容量。
所述电池容量检测设备对电池输出即电池放电电压进行A/D转换，并且当设备工作在低负载模式下时，将数字输出施加到操作器以计算剩余电池容量。由于当处于低负载模式下时，操作器上的负载较低，以较短的间隔对A/D转换器的输出进行取样，并且可以精确地确定剩余电池容量。
然而，当设备工作在高负载模式下时，将电池放电电压与特定参考电压(阈值电压)进行比较，并由操作器根据比较结果执行中断处理。由于仅当触发了中断处理时，操作器执行操作以确定剩余电池容量，因此，可以使操作器上的负载最小。
当应用于小型并移动的电池供电设备上时，本发明尤为有用。这样的设备具有至少两个操作模式，低负载模式和高负载模式。当处于高负载模式时，在MPU上的负载较高。这样的设备实例包括移动POS打印机和数字摄像机。对这样设备所使用的电池类型没有特定地限制，并且可以使用锂电池或其他通用类型的电池。
可以根据设备的特征来适当选择用于确定设备是工作在低负载模式下还是高负载模式下的方法，但是，优选地，根据在用于控制设备操作的MPU上的负载大小来确定操作模式。通过确保MPU总是具有剩余的容量，可以确定稳定的设备操作和高精度的电池容量检测。如果低负载模式是当MPU上的负载较小时的模式，MPU可以通过在低负载模式下运行软件程序来计算剩余电池容量。另一方面，高负载模式是当MPU上的负载较高时的模式，因此，由硬件来识别剩余电池容量，并减少在MPU上的负载。
利用在所有操作模式下的硬件操作，可以确定电池容量，但是由于需要大量的比较器来进行精确的电池容量检测，这是不实际的，并且因而增加了制造成本。
从设备的操作状态(操作模式)中可以统一确定在MPU上的负载大小。例如，如果设备是用于移动用途的小型打印机，当设备处于待机状态下时(包括在与主机进行通信期间)，在MPU上的负载较低(被称为低负载模式)，并且在进纸、打印头加热、打印和切纸操作期间，在MPU上的负载较高(被称为高负载模式)。因此，可以根据在打印机上的开关状态来确定设备是处于低负载模式下还是高负载模式下。
此外，由于在进纸、打印头加热、打印和切纸操作期间电动机和/或加热器进行操作，可以将高负载模式定义为当电动机和/或加热器正在操作时的模式，并且将低负载模式定义为当电动机和/或加热器未操作时的模式。因此，可以根据机械和热操作组件的启动/关闭状态来确定操作模式。
电池的放电电压还根据电池温度而发生变化，并且即使当根据在高温条件下的放电电压，确定电池容量较低时，在低温条件下可能会留下足够的电荷。为了防止这样的检测错误，本发明的另一方面还测量和使用电池温度来确定电池容量。将测量到的电池容量输出到比较器，并参考该电池温度来计算剩余电池容量。
为了反映在剩余电池容量确定中的电池温度，将电池温度、电池输出电压和剩余电池容量电平数据编辑在针对每个操作模式的数据表中，并进行参考。还可以根据电池温度对电池的放电电压进行校正。
通过参考结合附图所采用的以下描述和权利要求，其他目的和达到对本发明的更完整的理解将变得显然和意识到。
附图说明
图1是示出了根据本发明优选实施例的小型打印机的斜视图；
图2是示出了在本实施例的小型打印机中的显示器的平面图；
图3是示出了电池放电电压和剩余电池容量电平之间的关系的曲线图；
图4是描述了本实施例的小型打印机的操作的功能块图；以及
图5示出了本实施例的主要电路结构。
[图中的关键组件]
1小型打印机
3输送辊
4热打印头
7显示器
170、171、172比较器
190、191、192D/A转换器
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。
图1示出了根据本发明实施例的移动小型打印机1。卷纸2装载在小型打印机1的内部。由输送辊3从滚筒中输送卷纸2，并且该卷纸2由热打印头4打印。电动切纸机(未示出)也安装在壳体5的内部。电动切纸机在特定位置处切割卷纸的自由端。锂电池(未示出)装载在电池盖6后的电池室内。在显示器7上指示剩余电池容量。当用户按下进纸开关12时，输送辊3旋转并输送卷纸2。
在本实施例中的显示器7是如图2所示串联的三个LED 7a、7b、7c。通过控制这些LED7a、7b、7c的闪烁来指示电池容量并知道打印机状态。表1示出了剩余电池容量和打印机状态之间的关系。
表1
  电池电平   剩余电池容量(正常温度)   打印机状态
  H   电池容量大约为100％-70％   打印机可操作
  M   电池容量大约为70％-30％   打印机可操作
  L   电池容量小于30％；需要充电；能够进行打印机操作。   打印机可操作，但必须马上替代电池或对电池充电
  S   实质上未留下电池容量；打印机不可操作   打印机不可操作
  F   在耗尽电平附近；打印机电源以硬件方式关闭(切断电压)   主电源关闭
图3是示出了电池放电电压和剩余电池容量之间的关系的曲线图(在如表1所述的范围H、M、L、S、F中)。电池放电电压根据操作模式(高负载模式和低负载模式)而不同。在表2中示出了根据电池容量电平的显示器7的操作。
表2
  电池电平   LED 7a   LED 7b   LED 7c
  H   开   开   开
  M   开   开
  L   开
  S   闪烁
  F
注意，空白表单元表示LED关闭。
显然，指示剩余电池容量的方法将不局限于上述的显示器7，而可以使用液晶显示器或其他各种类型的显示器。
图4是描述了根据本发明的该实施例的小型打印机1的操作的功能块图。图5示出了主要的电路结构。
如图4所述，将电池11的放电电压施加到低负载模式电压检测电路和高负载模式电压检测电路15上。由A/D转换器14将由低负载模式电压检测电路13检测到的放电电压的模拟信号转换为数字信号，然后将其施加到控制设备MPU 20上。更具体地，如图5所示，将电池11的大约1/4分压后的放电电压的模拟信号Ac施加到A/D转换器14，并转换为数字信号DL。
将由热敏电阻18检测的电池11的温度的模拟信号AT输入到A/D转换器14，并将其转换为数字信号DT。在本实施例中，A/D转换器的分辨率(resolution)为10比特。
在小型打印机1的接口22处接收从主机30发送的打印命令和打印数据。MPU 20解译接收到的打印命令，然后加热热打印头4并控制电动机8。结果，将接收到的打印数据打印到卷纸2上。当响应接收到的打印命令驱动诸如热打印头4或电动机8等具有高能量消耗的设备时，MPU20将操作模式从低负载模式改变为高负载模式。当未驱动具有这样的高能量消耗的组件时，MPU 20将操作模式设置为低负载模式。
进纸开关12的输出与MPU 20的中断端口IN4相连。因此，按下进纸开关12启动了进纸中断处理，并驱动了电动机8。结果，接收打印命令和按下进纸开关12都是针对将操作模式从低负载模式改变为高负载模式的触发。
此外，如果小型打印机1具有电动切纸机，从主机30中接收切纸命令和按下小型打印机1上的切纸开关也是针对将操作模式从低负载模式改变为高负载模式的触发。
由于当进纸、加热热打印头、打印、以及利用电动切纸机进行切纸时电动机和/或加热器操作，当启动打印机和/或加热器时，可以设置高负载模式，而当关闭打印机和/或加热器时，可以设置低负载模式。因此，能够根据机械或热操作元件的启动和关闭状态来得知操作模式。
当小型打印机1工作在低负载模式下时，MPU 20从A/D转换器14中对数字信号DL和DT进行取样，并忽略来自电压比较器17的信号。
可重写存储器21存储用于定义在低负载模式下的剩余电池容量的数据表。在表3中示出了该数据表的实例。
表3
  电池温度(℃)   D<sub>T</sub>   H电平D<sub>L</sub>   M电平D<sub>L</sub>   L电平D<sub>L</sub>   S电平D<sub>L</sub>
  ＜＝-20   ＞＝712   错误   错误   错误   错误
  -19到-15   711到656   ＞7.1   7.1到6.8   6.8到6.5   ＜＝6.5
  -14到-10   655到600   ＞7.1   7.1到6.8   6.8到6.5   ＜＝6.5
  -9到-5   599到543   ＞7.3   7.3到6.9   7.8到7.3   ＜＝6.6
  4到0   542到487   ＞7.5   7.5到7.2   7.2到6.9   ＜＝6.9
  1到5   488到433   ＞7.6   7.6到7.2   7.2到6.9   ＜＝6.9
  6到10   432到383   ＞7.7   7.7到7.2   7.2到7.0   ＜＝7.0
  11到15   382到336   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  16到20   335到293   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  21到25   292到256   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  26到30   255到222   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  31到35   221到192   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  36到40   191到166   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  41到45   165到144   ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0   ＜＝7.0
  46到50   143到124  ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0  ＜＝7.0
  51到55   123到107  ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0  ＜＝7.0
  56到60   106到93  ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0  ＜＝7.0
  61到65   92到81  ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0  ＜＝7.0
  66到70   80到70  ＞7.8   7.8到7.3   7.3到7.0  ＜＝7.0
  ＞＝71   ＜＝69  错误   错误   错误  错误
参考表3，当电池温度是11℃到15℃时，DT处于382到336的范围中。如果在该DT处，电池放电电压信号DL超过了显示器7.8，确定剩余电池容量电平为H。如果DL小于或等于7.8并大于7.3、小于或等于7.3并大于7.0、或者小于或等于7.0，确定电池容量电平分别为M、L和S。在表1中描述了这些电池容量电平，并且在表2中示出了在每个水平处的显示器7的显示状态。
当小型打印机1处于高负载模式下时，MPU 20忽略来自A/D转换器14的数字信号DL和DT，并识别来自电压比较器17的中断信号。
电压比较器17可以是如图5所示的三个并行比较器170、171、172。通过这样使用并行的多个比较器，可以检测电池容量。阈值设置电路19的D/A转换器190、191、192分别与比较器170、171、172的一个输入端子相连。
将模拟电池11的电压放电信号AC施加到比较器170、171、172的另一输入端子。
当模拟信号AC低于来自D/A转换器190的阈值电压(比较电压信号AR1)时，比较器170产生脉冲信号BAT_LOW1。
当模拟信号AC低于来自D/A转换器191的阈值电压(比较电压信号AR2)时，比较器171产生脉冲信号BAT_LOW2。
当模拟信号AC低于来自D/A转换器192的阈值电压(比较电压信号AR2)时，比较器172产生脉冲信号BAT_FALL。
将这些脉冲信号BAT_LOW1、BAT_LOW2和BAT_FALL分别施加到MPU20的中断端口IN1、IN2和IN3。
在表4中示出了由MPU 20根据这些脉冲信号所进行的处理(操作器的操作方法)。MPU 20根据该表来设置剩余电池容量电平。
表4
  信号   中断检测   优先级   端口 描述
  BAT_LOW1   上升沿   3(低)   IN1 电池电平＝如果中断被断定了三次，则为M
  BAT_LOW2   上升沿   2(中)   IN2 电池电平＝如果中断被断定了三次，则为L
  BAT_FAIL   上升沿   1(高)   IN3 电池电平＝如果中断被断定了三次，则为S
*如果同时断定了多次中断，使用最高优先级的中断。
表5是用于相对电池11的温度来设置D/A转换器190、191、192的阈值电压的数据表的实例。根据正好在操作模式从低负载模式切换到高负载模式之前检测到的电池11的温度，MPU 20将D/A转换器190、191、192的阈值电压设置为从表5中得出的值。在低负载模式下连续地监控电池11的温度。D/A转换器190、191、192输出与特定定时同步的电压比较信号AR1、AR2、AR3。
表5
  电池温度(℃)   A/D值   D/A 1阈值   D/A 2阈值   D/A 3阈值
  ＜＝-20   ＞＝712   错误   错误   错误
  -19到-15   711到656   6.4   6.2   5.9
  -14到-10   655到600   6.4   6.2   5.9
  -9到-5   599到543   6.5   6.3   6.0
  -4到0   542到487   6.8   6.4   6.1
  1到5   486到433   6.9   6.5   6.2
  6到10   432到383   7.1   6.6   6.3
  11到15   382到336   7.2   6.7   6.4
  16到20   335到293   7.3   6.9   6.5
  21到25   292到256   7.3   6.9   6.5
  26到30   255到222   7.3   6.9   6.5
  31到35   221到192   7.3   6.9   6.5
  36到40   191到166   7.3   6.9   6.5
  41到45   165到144   7.3   6.9   6.5
  46到50   143到124   7.3   6.9   6.5
  51到55   123到107   7.3   6.9   6.5
  56到60   106到93   7.3   6.9   6.5
  61到65   92到81   7.3   6.9   6.5
  66到70   80到70   7.3   6.9   6.5
  ＞＝71   ＜＝69   7.3   6.9   6.5
当操作模式从低负载模式改变为高负载模式时(例如，当由打印命令驱动了电动机8时)，存储正好在模式改变之前所检测到的电池11的温度，并根据该电池温度来确定D/A转换器190、191、192的阈值电压。例如，如果电池温度是11℃到15℃，则分别将D/A转换器190、191、192的阈值电压设置为7.2、6.7和6.4。
如果电池放电电压是7.0，仅从D/A转换器190中输出脉冲信号BAT_LOW1。当该脉冲信号被断定三次时，MPU 20确定电池容量为电平M，并且根据表2来驱动显示器7以指示剩余电池容量。
如果电池放电电压是6.5，从D/A转换器190和D/A转换器191中输出脉冲信号BAT_LOW1和BAT_LOW2。由于后一个脉冲信号BAT_LOW2具有更高的优先级，MPU 20确定电池容量为电平L(见表4)，并根据表2来驱动显示器7以指示剩余电池容量。
在高负载模式结束之后，例如，在打印结束并且低负载模式稳定之后(例如，在大约10秒之后)，电池容量检测在低负载模式下重新开始。
在本发明的该实现中，在MPU的ROM中存储用于控制MPU 20的处理器的程序，并且还将表3和表5所示的数据表存储在可重写存储器21中。例如，当电池特性改变时，该结构能够容易地改变数据表。
尽管已经参考附图，结合优选实施例对本发明进行了描述，应该注意到，各种改变和修改对本领域的技术人员而言将是明显的。这样的改变和修改应该被理解为包括在如由所附权利要求所限定的本发明的范围内，只要其未脱离所述权利要求。

Claims (9)

1.一种检测安装在仪器中的电池的剩余容量的电池容量检测设备，包括：
操作模式检测装置，用于确定仪器是工作在低负载模式下还是高负载模式下；
A/D转换器，用于对电池放电电压进行A/D转换；
比较器，用于将电池放电电压与特定参考电压进行比较；
操作器，当仪器工作在低负载模式下时，所述操作器根据来自A/D转换器的数字输出来计算剩余电池容量，并且当仪器工作在高负载模式下时，所述操作器根据比较器输出来执行中断处理以计算剩余电池容量。
2.根据权利要求1所述的电池容量检测设备，其特征在于还包括：用于测量电池温度的热敏电阻，参考所述热敏电阻输出来计算剩余电池容量。
3.根据权利要求1或2所述的电池容量检测设备，其特征在于：操作模式检测装置根据应用于控制仪器操作的MPU的负载大小，来确定操作模式。
4.根据权利要求1或2所述的电池容量检测设备，其特征在于所述操作模式检测装置根据所述仪器的机械或热操作部分的启动/关闭状态，来确定操作模式。
5.根据权利要求1或2所述的电池容量检测设备，其特征在于：用于高负载模式检测的比较器是多个比较器的并列设置。
6.根据权利要求3所述的电池容量检测设备，其特征在于：用于高负载模式检测的比较器是多个比较器的并列设置。
7.根据权利要求4所述的电池容量检测设备，其特征在于：用于高负载模式检测的比较器是多个比较器的并列设置。
8.一种检测安装在仪器中的电池的剩余容量的电池容量检测方法，包括下列步骤：
确定仪器是工作在低负载模式下还是高负载模式下；
对电池放电电压进行A/D转换；并且当仪器工作在低负载模式下时，根据A/D转换得到的数字输出来计算剩余电池容量，以及
当仪器工作在高负载模式下时，将电池放电电压与特定的参考输出进行比较，并根据比较结果来执行中断处理。
9.根据权利要求8所述的电池容量检测方法，其特征在于：测量电池温度，并参考所测量的温度来计算剩余电池容量。
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