CN112904206B - 燃气表锂电池电量消耗检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气表锂电池电量消耗检测系统和方法，涉及智能燃气表锂电池检测技术领域，智能燃气表内作为电源的一次性锂电池，通过所述采样电阻R1与连接了开关控件SWITCH1的采样电阻R2和采样电阻R3为连接有电压调节器U1的法拉电容E1充电，所述电压调节器U1的输出端与所述微控制单元MCU的VCC端连接，所述差分运算放大器OPA1的输出端与微控制单元MCU的ADC0端连接，是一种对使用中的智能燃气表一次性锂电池电源进行准确实时的电量检测的系统及方法。

Description

燃气表锂电池电量消耗检测系统和方法
技术领域
本发明涉及智能燃气表锂电池检测技术领域，确切地说涉及一种燃气表锂电池电量消耗检测系统和方法。
背景技术
目前国内的智能燃气表主要有IC卡智能燃气表、CPU卡智能燃气表、射频卡智能燃气表、直读式远传燃气表（有线远传表）以及无线远传燃气表（积成）等这几大类，而随着人们生活水平和生活质量的提高，现代化家庭所需要的智能化产品需求，将促使智能燃气表朝着安全性、可靠性、智能方便性方向发展。
智能燃气表通常需要自带电源电路以实现其智能功能，智能燃气表在使用干电池作为电源时，常通过电源电压测量来判定电源充足、电源欠压或断电；而当使用一次性锂电池作为电源时，不能简单地通过电压来判定电池的电量，因为锂电池满电量最多也只有3.7V，电量耗尽时电压也有3.5V；而出于保证正常使用的目的，燃气公司通常需要准确的了解其分布使用的锂电池还剩多少电量。
现有技术方案中，大多数燃气公司对于其运用的智能燃气表中所使用的锂电池剩余电量的上报只是一个感性值，如：90%、10%与5%，没有其他值或其他值为随机值，这并不利于燃气公司准确的掌握其运用的智能燃气表中所使用的锂电池剩余电量，可能会因此导致更换不及时、以及需要单独设立人工监测更换增加使用成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足、克服现有技术的缺点，提供一种对使用中的智能燃气表一次性锂电池电源进行准确实时的电量检测的系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
燃气表锂电池电量消耗检测系统，其特征在于：包括与智能燃气表内作为电源的一次性锂电池连接的二极管D1，二极管D1防止法拉电容的电流倒放，二极管D1后端并联连接有采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3，二极管D1后端还与差分运算放大器OPA1的同向输入端连接，而采样电阻R1的末端则与所述差分运算放大器OPA1的反向输入端连接，即R1常闭、提供最小采样电阻值，所述采样电阻R2和采样电阻R3末端与开关控件SWITCH1相连，差分运算放大器OPA1的负电源段与开关控件SWITCH2相连，所述开关控件SWITCH1和开关控件SWITCH2均由微控制单元MCU控制；智能燃气表内作为电源的一次性锂电池通过所述采样电阻R1的和连接了开关控件SWITCH1的采样电阻R2和采样电阻R3为连接有电压调节器U1的法拉电容E1充电充电，所述电压调节器U1的输出端与所述微控制单元MCU的VCC端连接，电压调节器U1为其后续电路提供稳定的工作电压，所述差分运算放大器OPA1的输出端与微控制单元MCU的ADC0端连接，法拉电容E1一部分对阀控电路、发射电路直接提供大电流，另一部分通过LDO的转换为3.0电压为MCU和运放提供电源。
所述差分运算放大器OPA1，是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，可以选用如型号为BA10324AF和/或TL062的差分运算放大器；所述开关控件SWITCH1，实现开闭功能，可选用如型号为MAX4051CSE、IDTQS4A210、MAX4052ACSE或ALD5W-K继电器，同样的，所述开关控件SWITCH2可以选用型号为AO3406/SN2302B的场效应管，也可用ALD5W-K型继电器；所述法拉电容E1则可以选用型号为CS-LIC-0820的40F/3.8V电容。
所述电压调节器U1为型号为RH5RL30AA、带有输入端、输出端和接地端的电压调节，所述法拉电容E1的两端分别与电压调节器U1的输入端和接地端连接。
燃气表锂电池电量消耗检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
用智能燃气表内作为电源的一次性锂电池通过二极管D1、采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3后对法拉电容E1充电；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1的开闭，将所述采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3分别组合成采样电阻R1、采样电阻R1并联采样电阻R2以及采样电阻R1并联R3的三个基本采样电阻；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2的开闭从而控制所述差分运算放大器OPA1，将采样电阻R1上的电压差转换成单端大电压输出至微控制单元MCU上的ADC0端，MCU从而测量出ADC0的输入电压VADC0，然后通过输入电压VADC0以及对应的算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗。
所述一次性锂电池对法拉电容充电的电流为10uA~10mA，默认情况下只有采样电阻R1工作，所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2每秒开启并测量ADC0的输入电压值VADC0；
若VADC0>0.99倍MCU工作电压V3.0，则微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R2并联，然后并再次测量ADC0的输入电压值VADC0，若该值仍大于0.99倍MCU工作电压V3.0，则继续切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R3并联，所述0.99倍MCU工作电压V3.0是指，提供给MCU工作的标准电压为3.0V，由于MCU的工作电压同时也为ADC转换的满刻度电压，因此此处的含义是测得ADC0的电压接近MCU的工作电压。
测量完后通过将SWITCH1与SWITCH2置于不导通或称高阻态下，并闭SWITCH1与SWITCH2。
所述通过输入电压VADC0以及对应的算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗的具体方法为：
当前的电流值In= VADC0/(RS*G)
所述运算放大器OPA1的增益为G，测得ADC0的值为VADC0，采样电阻值RS，则当前的电流值为：In= VADC0/(RS*G)，则一次性锂电池当前这一秒电量消耗为△CSUM=（In+In-1）/7200 mAh，则总量消耗：CSUMn=CSUMn-1+△CSUM，即每一秒实际消耗的总和。
如，设锂电池ER26500的容量为8.5Ah，则剩余电量为：1-CSUMn/8500。
相较于现有的技术方案，本发明所提供的这种技术方案，通过在电路板上设计电流测量电路，可以获得每秒的电量消耗，累加这些电流消耗就可以评估出电池总的消耗量，从而为燃气公司提供比较准确的电量值以进行实际监测与控制。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
图1为本发明一种优选方案的系统示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
作为本发明燃气表锂电池电量消耗检测系统一种具体的实施方案，如图1所示，包括与智能燃气表内作为电源的一次性锂电池连接的二极管D1，二极管D1防止法拉电容的电流倒放，二极管D1后端并联连接有采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3，二极管D1后端还与差分运算放大器OPA1的同向输入端连接，而采样电阻R1的末端则与所述差分运算放大器OPA1的反向输入端连接，即R1常闭、提供最小采样电阻值，所述采样电阻R2和采样电阻R3末端与开关控件SWITCH1相连，差分运算放大器OPA1的负电源段与开关控件SWITCH2相连，所述开关控件SWITCH1和开关控件SWITCH2均由微控制单元MCU控制；智能燃气表内作为电源的一次性锂电池通过所述采样电阻R1的和连接了开关控件SWITCH1的采样电阻R2和采样电阻R3为连接有电压调节器U1的法拉电容E1充电充电，所述电压调节器U1的输出端与所述微控制单元MCU的VCC端连接，电压调节器U1为其后续电路提供稳定的工作电压，所述差分运算放大器OPA1的输出端与微控制单元MCU的ADC0端连接，法拉电容E1一部分对阀控电路、发射电路直接提供大电流，另一部分通过LDO的转换为3.0电压为MCU和运放提供电源。
而进一步的，所述差分运算放大器OPA1，是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，可以选用如型号为BA10324AF和/或TL062的差分运算放大器；所述开关控件SWITCH1，实现开闭功能，可选用如型号为MAX4051CSE、IDTQS4A210、MAX4052ACSE或ALD5W-K继电器，同样的，所述开关控件SWITCH2可以选用型号为AO3406/SN2302B的场效应管，也可用ALD5W-K型继电器；所述法拉电容E1则可以选用型号为CS-LIC-0820的40F/3.8V电容。所述电压调节器U1为型号为RH5RL30AA、带有输入端、输出端和接地端的电压调节，所述法拉电容E1的两端分别与电压调节器U1的输入端和接地端连接。
本实施例的技术方案中，锂电池通过二极管D1、采样电阻R1、R2、R3后对法拉电容E1充电；法拉电容E1一部分对阀控电路、发射电路直接提供大电流，另一部分通过LDO的转换为3.0V电压为MCU和运放提供电源；二极管D1防止法拉电容的电流倒放；电阻R1、R2、R3为并联，R1常闭，提供最小采样电阻值，MCU通过控制SWITCH1可以提供三个基本采样电阻：R1、R1与R2并联、R1与R3并联，设R1=Rbase，则R1与R2并联=0.1Rbase，R1与R3并联=0.01Rbase，R1的两端接差分运算放大器OPA1，OPA1把R1微小的电压差转换成单端大电压输出至MCU的ADC0，MCU从而测量出VADC0，MCU通过SWITCH2控制运放OPA1的使用。
锂电池对法拉电容充电，一般情况下充电电流为10uA-10mA，默认情况下只有采样电阻R1工作，MCU每秒开启SWITCH2测量ADC0的值，若VADC0>0.99V3.0，则MCU切换采样电阻值为R1与R2并联，并再次测量VADC0，若该值仍大于0.99V3.0，则继续切换采样电阻为R1与R3并联。测量完后并闭SWITCH1与SWITCH2。
再进一步的，上述实施例中给出的这种系统，对应的燃气表锂电池电量消耗检测方法包括以下步骤：
用智能燃气表内作为电源的一次性锂电池通过二极管D1、采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3后对法拉电容E1充电；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1的开闭，将所述采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3分别组合成采样电阻R1、采样电阻R1并联采样电阻R2以及采样电阻R1并联R3的三个基本采样电阻；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2的开闭从而控制所述差分运算放大器OPA1，将采样电阻R1上的电压差转换成单端大电压输出至微控制单元MCU上的ADC0端，MCU从而测量出ADC0的输入电压VADC0，然后通过输入电压VADC0以及对应的算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗。
所述一次性锂电池对法拉电容充电的电流为10uA~10mA，默认情况下只有采样电阻R1工作，所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2每秒开启并测量ADC0的输入电压值VADC0；
若VADC0>0.99倍MCU工作电压V3.0，则微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R2并联，然后并再次测量ADC0的输入电压值VADC0，若该值仍大于0.99倍MCU工作电压V3.0，则继续切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R3并联，所述0.99倍MCU工作电压V3.0是指，提供给MCU工作的标准电压为3.0V，由于MCU的工作电压同时也为ADC转换的满刻度电压，因此此处的含义是测得ADC0的电压接近MCU的工作电压。
测量完后通过将SWITCH1与SWITCH2置于不导通或称高阻态下，并闭SWITCH1与SWITCH2。
所述通过输入电压VADC0以及对应的算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗的具体方法为：
当前的电流值In= VADC0/(RS*G)
所述运算放大器OPA1的增益为G，测得ADC0的值为VADC0，采样电阻值RS，则当前的电流值为：In= VADC0/(RS*G)，则一次性锂电池当前这一秒电量消耗为△CSUM=（In+In-1）/7200 mAh，则总量消耗：CSUMn=CSUMn-1+△CSUM，即每一秒实际消耗的总和。
这种技术方案，通过在电路板上设计电流测量电路，可以获得每秒的电量消耗，累加这些电流消耗就可以评估出电池总的消耗量，从而为燃气公司提供比较准确的电量值以进行实际监测与控制。
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
并且，尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.燃气表锂电池电量消耗检测系统，其特征在于：包括与智能燃气表内作为电源的一次性锂电池连接的二极管D1，二极管D1后端并联连接有采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3，二极管D1后端还与差分运算放大器OPA1的同向输入端连接，而采样电阻R1的末端则与所述差分运算放大器OPA1的反向输入端连接，所述差分运算放大器OPA1是将两个输入端电压的差以固定增益放大的电子放大器；所述采样电阻R2和采样电阻R3末端与开关控件SWITCH1相连，差分运算放大器OPA1的负电源段与开关控件SWITCH2相连，所述开关控件SWITCH1和开关控件SWITCH2均由微控制单元MCU控制，所述开关控件SWITCH1和SWITCH2为用于实现开闭功能的继电器和/或场效应管；智能燃气表内作为电源的一次性锂电池，通过所述采样电阻R1与连接了开关控件SWITCH1的采样电阻R2和采样电阻R3为连接有电压调节器U1的法拉电容E1充电，所述电压调节器U1的输出端与所述微控制单元MCU的VCC端连接，所述差分运算放大器OPA1的输出端与微控制单元MCU的ADC0端连接。
2.如权利要求1所述的燃气表锂电池电量消耗检测系统，其特征在于：所述电压调节器U1为型号为RH5RL30AA、带有输入端、输出端和接地端的电压调节，所述法拉电容E1的两端分别与电压调节器U1的输入端和接地端连接。
3.基于权利要求1所述的燃气表锂电池电量消耗检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
用智能燃气表内作为电源的一次性锂电池通过二极管D1、采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3后对法拉电容E1充电；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1的开闭，将所述采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3分别组合成采样电阻R1、采样电阻R1并联采样电阻R2以及采样电阻R1并联R3的三个基本采样电阻；
所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2的开闭从而控制所述差分运算放大器OPA1，将采样电阻R1上的电压差转换成单端大电压输出至微控制单元MCU上的ADC0端，MCU从而测量出ADC0的输入电压VADC0，然后通过输入电压VADC0以及对应的差分运算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗；
所述一次性锂电池对法拉电容充电的电流为10uA~10mA，默认情况下只有采样电阻R1工作，所述微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH2每秒开启并测量ADC0的输入电压值VADC0；
若VADC0>0.99倍MCU工作电压V3.0，则微控制单元MCU控制所述开关控件SWITCH1切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R2并联，然后并再次测量ADC0的输入电压值VADC0，若该值仍大于0.99倍MCU工作电压V3.0，则继续切换采样电阻为采样电阻R1和采样电阻R3并联。
4.如权利要求3所述的燃气表锂电池电量消耗检测的检测方法，其特征在于：所述通过输入电压VADC0以及对应的运算放大器OPA1的增益G、采样电阻实际值RS计算一次性锂电池的电量总量消耗的具体方法为：
当前的电流值In= VADC0/(RS*G)，
所述运算放大器OPA1的增益为G，测得ADC0的值为VADC0，采样电阻值RS，则当前的电流值为：In= VADC0/(RS*G)，则一次性锂电池当前这一秒电量消耗为△CSUM=（In+In-1）/7200mAh，则总量消耗：CSUMn=CSUMn-1+△CSUM。
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