CN103344822A - 一种用于电池供电设备的电池电压监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电池供电设备的电池电压监测电路，包括由第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联组成的分压电路和微处理器（MCU），第一电阻（R1）与第二电阻（R2）的相连端还与微处理器（MCU）的AD转换器输入管脚（P0_6）连接，其特征在于，设备的电池电压输入端（Vin）与分压电路之间还连接有一电子开关，电子开关的开关状态通过微处理器（MCU）的控制端（P2_0）进行控制。其特别适合上述AD转换器输入内阻不确定的情况。该专利电路不仅可以降低AD转换器输入内阻的影响，还可以进一步降低电池电压检测电路对电池电量的无谓消耗，减少对电池的使用寿命的影响。且电路设计简单、准确度高、功耗小、成本低廉，特别适合用在对设备成本比较敏感的设备上。

Description

一种用于电池供电设备的电池电压监测电路

技术领域

本发明属于电池供电设备领域，尤其是涉及一种用于对电池供电设备中的电池进行电量监测的电路。

背景技术

随着科技的不断发展和进步，无线通信技术水平有了很大的提高，在民用、商用和工业领域都有着很广泛的应用。无线通信设备的数量非常大，而采用无线通信技术的设备如果仍采用有线的方式进行供电，一方面给设备的安装、调试、使用和日常维护带来很大的不便，另一方面也无法体现出无线设备的技术优势。因此采用电池供电的无线设备在实际使用时更加方便，设备数量也更加多。

由于采用电池来进行供电，电池的电量是有限的，因此设备的使用寿命也是有限的。必须对电池电量进行实时监测，在电池电量快用完时发出指示信号，提示用户及时更换电池或者为电池充电，以免电池电量耗尽时造成设备不能工作，影响正常的使用。

目前为止，各种电池电量监测手段很多，技术也比较成熟，主要为以下两种方案：

一种是利用专用的电池电量测量芯片来监测电池电量。该方案使用简单，精度也比较高，但是由于采用了专用的芯片，成本比较高。在无线设备数量比较多，且对设备成本比较敏感的场合不太适合使用。

另一种是采用无线设备微处理器自身的AD转换器对电池电压进行测量，通过电池电压来判断电池电量。该方法实现起来比较简单，且成本低廉，非常适合大量设备的应用场合。但是由于AD转换器的限制，所检测的电池的电压不能大于微处理器自身的工作电压，需要采用分压电路对电池电压分压后再进行测量。由于分压电路的存在，对设备的低功耗性能和电池电压测量的精度都带来了很大的影响。

本专利电路主要为解决第二种方案存在的问题而进行设计。

上述的第二种采用分压电路进行电池电压测量的实现方案中，测量原理图如图1所示，图中，Vin为设备的电池电压输入端，R1和R2组成电阻分压电路。分压后的电压Vad与微处理器（MCU）内部的AD转换器相连，由AD转换器进行电压转换测量，最终通过Vad计算出电池电压Vin。理想情况下，分压后的电压Vad为：

$V_{\mathrm{ad}}=\frac{R1}{R1+R2}{V}_{\mathrm{in}}$                                 公式1

在R1和R2阻值固定的情况下，Vad和Vin间的比例关系固定，通过上述公式1可以很简单地计算出电池电压Vin，且准确度也比较高。

但是实际使用时，AD转换器存在输入内阻，由于输入内阻的存在，上述转换电路的等效原理图如图2所示：AD转换器的输入内阻等效为电阻R3，这样电池电压Vin和分压后的电压Vad的比例关系变为

$V_{\mathrm{ad}}=\frac{R1}{R1+\frac{R2\×R3}{R2+R3}}{V}_{\mathrm{in}}$                                   公式2

由于等效内阻R3的存在，且不同厂家、不同型号的AD转换器的输入内阻也不完全一样，差异性特别大。即使采用同一型号的AD转换器，在使用环境变化时（如工作温度发生变化），输入内阻R3的阻值也会发生变化。因此Vin与Vad的比例关系就比较复杂了，简单地通过上述公式2进行计算很难保证电池电压测量的准确性。

发明内容

针对上述存在的问题，本专利提供一种电池电压监测电路，特别适合上述AD转换器输入内阻不确定的情况。该专利电路不仅可以降低AD转换器输入内阻的影响，还可以进一步降低电池电压检测电路对电池电量的无谓消耗，减少对电池的使用寿命的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于电池供电设备的电池电压监测电路，包括由第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联组成的分压电路和微处理器（MCU），第一电阻（R1）与第二电阻（R2）的相连端还与微处理器（MCU）的AD转换器输入管脚（P0_6）连接，其特征在于，设备的电池电压输入端（Vin）与分压电路之间还连接有一电子开关，电子开关的开关状态通过微处理器（MCU）的控制端（P2_0）进行控制。

进一步，所述电子开关包括PNP型三极管（Q1）、NPN型三极管（Q2）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）和第七电阻（R7），设备的电池电压输入端（Vin）与PNP型三极管（Q1）的发射极和第五电阻（R5）一端相连，PNP型三极管（Q1）的基极与第四电阻（R4）一端相连，第四电阻（R4）与第五电阻（R5）的另一端和NPN型三极管（Q2）的集电极相连；NPN型三极管（Q2）的基极与第六电阻（R6）和第七电阻（R7）一端相连，第六电阻（R6）的另一端接地，NPN型三极管（Q2）的发射极接地，第七电阻（R7）的另一端接微处理器的控制端（P2_0）；PNP型三极管（Q1）的集电极与分压电路的第一电阻（R1）的输入端相连，第一电阻（R1）的另一端与第二电阻（R2）一端相连，第二电阻（R2）的另一端接地；第一电阻（R1）和第二电阻（R2）相连部分的电压为电池电压分压后的电压（Vad），连接至微处理器的AD转换器输入管脚（P0_6）。

进一步，第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的电阻取值与微处理器的AD转换器的输入内阻（R3）相差至少两个数量级。

本发明还提供了另一种解决方案，即一种用于电池供电设备的电池电压监测电路，包括由第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联组成的分压电路和微处理器（MCU），设备的电池电压输入端（Vin）与分压电路的第一电阻（R1）的输入端相连，第一电阻（R1）的另一端与第二电阻（R2）一端相连，第二电阻（R2）的另一端接地；其特征在于，第一电阻（R1）和第二电阻（R2）相连部分的电压为电池电压分压后的电压（Vad），其与微处理器的AD转换器输入管脚（P0_6）之间还连接有一信号隔离器。

进一步，所述信号隔离器为一运算放大器芯片。

本发明具有的优点和积极效果是：特别适合上述AD转换器输入内阻不确定的情况。该专利电路不仅可以降低AD转换器输入内阻的影响，还可以进一步降低电池电压检测电路对电池电量的无谓消耗，减少对电池的使用寿命的影响。电路设计简单、准确度高、功耗小、成本低廉。特别适合用在对设备成本比较敏感的设备上。

附图说明

图1和图2是现有技术采用分压电路进行电池电压测量电路原理图

图3是采用增设电子开关的电池电压测量电路原理图

图4是电子开关的一种具体电路结构原理图

图5是采用增设信号隔离器的电池电压测量电路原理图

图中：

具体实施方式

如图3所示，本发明的电池电压测量电路中，在分压电路与电池电压输入端之间增加了一个电子开关。

电子开关的开关状态通过微处理器（MCU）的Set管脚进行控制，进行电池电压转换时，打开电子开关，电池电压通过分压电路分压后由AD转换器进行测量。

电池电压转换完毕后，关闭电子开关，R1和R2组成的分压电路不再消耗电池电量。

由于加入了电子开关设计思路，只在电池电压检测时，分压电路R1和R2才会对电池电量有消耗，而这个检测时间比较短，相对于设备的工作时间来说可以忽略不计，电池电压测量电路对电池电量的消耗也可以忽略不计。

同时，该电路中电阻R1和R2的电阻取值与AD转换器的输入内阻R3相差至少两个数量级，即电阻R3远大于电阻R2，这样分压电路可以忽略AD转换器输入内阻R3的存在，Vin与Vad间的比例关系可由公式2化简为公式1，Vin与Vad的比例关系按照公式1进行计算。电阻R1和R2由于独立于微处理器存在，因此在元器件选型时，可以选择技术参数比较好的元器件，保证电池电压测量的准确性。

实现上述功能的电子开关可以有多种具体形式，申请人提供了其中一种具体电路结构，如图4所示：Vin为电池电压，电阻R1和R2组成分压电路。三极管Q1和Q2，以及电阻R4、R5、R6和R7组成电子开关，其中三极管Q1为PNP型三极管，Q2为NPN型三极管。电池电压Vin与三极管Q1的发射极和电阻R5相连，Q1的基极与电阻R4相连，电阻R4与电阻R5的另一端和Q2的集电极相连；Q2的基极与电阻R6和R7相连，R6的另一端接地，Q2的发射极接地，电阻R7的另一端接微处理器的控制端（P2_0，即上述的Set管脚）；Q1的集电极与电阻R1相连，R1的另一端与电阻R2相连，R2的另一端接地。电阻R1和R2相连部分的电压为电池电压分压后的电压Vad，连接至微处理器的AD转换器输入管脚（P0_6）。

工作原理如下：

进行电池电压测量时，微处理器管脚P2_0输出高电平，三极管Q2导通，进而三极管Q1导通，三极管Q1导通后，发射极与集电极间的压降忽略不计，电池电压Vin加在电阻R1和R2组成的分压电路上。由于R1和R2的电阻阻值比较小，因此可以忽略AD转换器的输入内阻的影响，微处理器中AD转换器转换完成的电压Vad与Vin的比例关系按照公式1计算。

电池电压测量完毕后，微处理器管脚P2_0输入低电平，三极管Q2不导通，进而三极管Q1也不导通，电池电压Vin不会加在电阻R1和R2上，从而避免了电池电量的消耗。

另外，由于AD转换器的输入内阻一般比较大，一般为数百K欧姆，因此针对上述问题，一种简单的解决办法是在图2的应用电路中减少R1和R2的电阻阻值，如几K欧姆，使得R1、R2与R3的电阻阻值相差两个数量级，Vin与Vad间的比例关系可由公式2近似等效为公式1，达到准确测量电池电压的目的。但是从测量电路可以看出，R1和R2电阻始终在消耗电池电量，过低的阻值会使得电量消耗非常大，电池使用寿命会大大降低，带来更加严重的问题。

因此，申请人还提供了另一种解决方案，如图5所示：在电池电压检测电路的分压电路与AD转换器间加入了一个信号隔离器。该信号隔离器一般为运算放大器芯片，其等效的输入内阻无穷大，等效的输出内阻无穷小。因此电阻R1和R2的电阻取值可以很大，分压后的电压Vad与经过信号隔离器后的电压Vad2相等。这样AD转换器转换的电压Vad2即为Vin分压后的电压Vad，与电池电压Vin的比较关系按照公式1进行计算。由于电阻R1和R2的电阻取值可以很大，因此对电池电量的消耗很小。

该方案虽然可以达到同样的实现效果，但仍存在以下不足之处：

采用的信号隔离器一般为运算放大器，为专用的芯片，相比于普通的三极管、电阻来说，成本比较高。

由于没有电子开关的存在，虽然电阻R1和R2取值比较大，对电池电量的消耗比较小，但这种消耗是一直存在的，因此对电池电量的消耗也不能完全忽视，对设备的使用寿命仍有一定的影响。

Claims (3)

1.一种用于电池供电设备的电池电压监测电路，包括由第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联组成的分压电路和微处理器（MCU），第一电阻（R1）与第二电阻（R2）的相连端还与微处理器（MCU）的AD转换器输入管脚（P0_6）连接，其特征在于，设备的电池电压输入端（Vin）与分压电路之间还连接有一电子开关，电子开关的开关状态通过微处理器（MCU）的控制端（P2_0）进行控制。

2.根据权利要求1所述的电池电压监测电路，其特征在于：所述电子开关包括PNP型三极管（Q1）、NPN型三极管（Q2）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）和第七电阻（R7），设备的电池电压输入端（Vin）与PNP型三极管（Q1）的发射极和第五电阻（R5）一端相连，PNP型三极管（Q1）的基极与第四电阻（R4）一端相连，第四电阻（R4）与第五电阻（R5）的另一端和NPN型三极管（Q2）的集电极相连；NPN型三极管（Q2）的基极与第六电阻（R6）和第七电阻（R7）一端相连，第六电阻（R6）的另一端接地，NPN型三极管（Q2）的发射极接地，第七电阻（R7）的另一端接微处理器的控制端（P2_0）；PNP型三极管（Q1）的集电极与分压电路的第一电阻（R1）的输入端相连，第一电阻（R1）的另一端与第二电阻（R2）一端相连，第二电阻（R2）的另一端接地；第一电阻（R1）和第二电阻（R2）相连部分的电压为电池电压分压后的电压（Vad），连接至微处理器的AD转换器输入管脚（P0_6）。

3.根据权利要求1或2所述的电池电压监测电路，其特征在于：第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的电阻取值与微处理器的AD转换器的输入内阻（R3）相差至少两个数量级。

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