CN203951251U - 一种嵌入式设备多电源供电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种嵌入式设备多电源供电装置，采用太阳能板、市电和蓄电池三种电源供电；通过光敏电路检测太阳能板所处环境阳光是否充足；通过电压检测电路检测各供电电源电压是否在正常的范围内；通过支路供电状态检测模块检测市电和太阳能是否为异常供电状态；通过电量检测电路实时监测蓄电池的电量；通过驱动电路将控制信号连接到继电器的线圈，以控制各供电支路的通断；由MCU控制对蓄电池充电的速度和精度；通过LCD显示屏，显示当前供电电源的相关信息及实时报警信息；通过GSM模块，及时给维修人员发送故障短信。本实用新型能实现供电电源的无缝智能切换以及蓄电池的充、放电智能管理与控制，提高户外无人值守嵌入式设备供电的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种嵌入式设备多电源供电装置，具体为一种由太阳能板、市电以及蓄电池组成的多电源供电装置，涉及嵌入式设备的供电电源控制技术领域。
背景技术
对于一些户外使用、无人值守的实时信息采集或实时控制的重要嵌入式设备，其供电电源的可靠性至关重要，如果供电电源突然中断，极易造成重要信息的遗失或造成整个控制系统的崩溃，造成不可挽回的损失。采用多电源供电的方式则可以很好地提高嵌入式设备供电电源的可靠性。另外，对于一些市电不可及的户外嵌入式设备，采用带太阳能板及蓄电池的供电电源是一种较好的解决方案；对于一些市电可及的户外嵌入式设备，采用以太阳能板为主要供电电源、蓄电池为备用供电电源、市电为异常情况下的应急电源的解决方案则可以环保节能。现有的技术手段中，嵌入式设备的供电装置，其供电电源的类型往往比较单一，大多数为市电经过降压直接供电；也有一部分利用太阳能供电作为电源的设备，但是其对电源的选择和切换缺少相应的智能控制手段。同时，现有技术中缺少对嵌入式设备供电装置的实时监测手段，无法及时的通过检测和监控提前发现问题解决问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种嵌入式设备多电源供电装置，实现太阳能板、蓄电池、市电三种供电电源的“无缝”智能切换，以蓄电池为备用电源供电的方式填补切换过程的供电间隙；同时可对蓄电池充、放电的过程进行智能控制，解决太阳能板和市电均不可用情况下嵌入式设备的供电问题。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种嵌入式设备多电源供电装置，包括太阳能板、220V市电AD/DC转换模块、蓄电池、光敏电路、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、第一支路供电状态检测模块、第二支路供电状态检测模块、蓄电池电量检测模块、采样电阻(R1)、MOS管开关、第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基 二极管(D2)、第三肖特基二极管(D3)、第一继电器(K1)、第二继电器(K2)、第三继电器(K3)、驱动电路、电源总线模块、多电压等级输出模块、嵌入式MCU；
所述太阳能板的输出端分别和第一电压检测模块的输入端、第一肖特基二极管(D1)的一端、第一支路供电状态检测模块的第一输入端相连，光敏电路和太阳能板相连，光敏电路的输出端、第一电压检测模块的输出端、第一支路供电状态检测模块的输出端分别和嵌入式MCU相连，第一肖特基二极管(D1)的另一端分别和第一支路供电状态检测模块的第二输入端、第一继电器(K1)的一端相连，第一继电器(K1)的另一端和电源总线模块相连，第一继电器(K1)的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述220V市电AD/DC转换模块的输出端分别和第二电压检测模块的输入端、第二肖特基二极管(D2)的一端、第二支路供电状态检测模块的第一输入端相连，第二电压检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第二肖特基二极管(D2)的另一端分别和第二支路供电状态检测模块的第二输入端、第二继电器(K2)的一端相连，第二继电器(K2)的另一端和电源总线模块相连，第二继电器(K2)的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述蓄电池的充电输入端和MOS管开关的一端相连，MOS管开关的另一端和电源总线模块相连，MOS管开关的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连，蓄电池的放电输出端分别和第三电压检测模块的输入端、蓄电池电量检测模块的第一输入端、采样电阻(R1)的一端相连，第三支路供电状态检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，采样电阻(R1)的另一端分别和第三肖特基二极管(D3)的一端、蓄电池电量检测模块的第二输入端相连，蓄电池电量检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第三肖特基二极管(D3)的另一端和第三继电器(K3)的一端相连，第三继电器(K3)的另一端和电源总线模块相连，第三继电器(K3)的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述电源总线模块和多电压等级输出模块相连。
作为本实用新型的进一步优选方案，所述多电源供电装置还包括与嵌入式MCU相连接的GSM模块、蜂鸣器和LCD显示屏。
作为本实用新型的进一步优选方案，多电压等级输出模块的输出电压信号等 级包括24V、12V、9V、±5V、±3V。
作为本实用新型的进一步优选方案，所述支路供电状态检测模块包括第一至第四精密可调电阻(R4、R5、R6、R7)、第一放大器(U1)、第二放大器(U2)；
所述第一精密可调电阻的一端和肖特基二极管的正极相连，第一精密可调电阻的另一端分别和第二精密可调电阻的一端、第一放大器的正输入端相连，第二精密可调电阻的另一端接地，第三精密可调电阻的一端和肖特基二极管的负极相连，第三精密可调电阻的另一端分别和第四精密可调电阻的一端、第一放大器的负输入端相连，第四精密可调电阻的另一端接地，第一放大器的输出端和第二放大器的负输入端相连，第二放大器的输出端和嵌入式MCU相连，第二放大器的正输入端输入参考电压。
作为本实用新型的进一步优选方案，所述太阳能板的输出电压为24V。
作为本实用新型的进一步优选方案，所述嵌入式MCU为STM32F107VCT6。
作为本实用新型的进一步优选方案，所述第一、第二放大器为INA129。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型实现了太阳能、市电、蓄电池三种供电电源的“无缝”智能切换，以广泛存在的、清洁的太阳能优先供电，以蓄电池供电的方式填补切换过程的供电间隙，检测供电电源电压的范围，确保供电电源正常，及时切断异常的供电电源，提高了供电的可靠性和安全性。本实用新型对于解决户外无人值守嵌入式设备的可靠供电，尤其对于解决市电不可及、日照充足环境下重要嵌入式设备的可靠供电问题具有明显的优势。
附图说明
图1是本实用新型总体框图。
图2是本实用新型实施例中，支路供电状态检测模块连接图。
图3是本实用新型实施例中，蓄电池电压、电量检测电路连接图。
具体实施方式
本实用新型中的电压检测电路，检测供电电源的电压是否在正常的范围内，确保电源电压足够给电源总线供电、系统能够正常工作；支路供电状态检测模块，检测市电和太阳能是否为异常供电状态，并结合光敏电路模块给出太阳能供电支路的故障诊断信息；蓄电池电量检测电路，检测蓄电池的实时电量；蓄电池充电 管理电路，根据蓄电池的剩余电量控制是否对蓄电池充电，以及充电的精度和速度；蓄电池的电量检测和充电管理形成一个负反馈回路，嵌入式的MCU通过控制算法实现蓄电池的精确、安全充电；多电压等级输出电路，系统可输出24V、15V、12V、9V、±5V、±3.3V等不同等级的直流电压，满足不同嵌入式设备的多种电压需求，同时各等级输出设有供电状态指示灯，方便判断供电是否正常；LCD显示，TFT液晶显示屏用于显示当前供电支路、供电电压、蓄电池的充放电状态、蓄电池实时电量、故障报警信息等；蜂鸣器报警，当供电支路发生故障时，装置及时发出蜂鸣警报，提醒现场工作人员；GSM模块，当供电支路发生故障时，及时通过GSM模块发送短信，通知维修人员尽快修复故障。
所述支路供电状态检测模块采用供电支路上串联肖特基二极管的方式，一方面可以防止电源总线向供电电源反向充电，另一反面根据二极管两端的电压差判断该支路供电是否正常。如果电压差接近二极管正常工作时的导通压降，则该支路供电正常；否则该支路供电异常，需要及时切断该供电支路。
所述蓄电池电量检测电路采用供电支路上串联高精度采样电阻的方式，一次充电开始后，流经采样电阻的电流与时间的积分得到流入的蓄电池的电量，加上蓄电池此次充电前的电量，即可以得到当前蓄电池的电量。蓄电池一次充电前的电量通过蓄电池的电量与电压关系估算得到。由于蓄电池作为备用电源一直连接在电源总线上，其电量相对较充足，因此可以根据电压相对准确地判断出电量多少。
所述蓄电池充电管理电路由嵌入式MCU与MOS管开关控制开关组成。嵌入式MCU通过控制输出PWM波的占空比控制充电的精度和速度。当蓄电池电量较少时，增大PWM波的占空比，加大输出电流以快速充电；当蓄电池电量较充足时，减小PWM波的占空比，减小输出电流以缓慢充电。调整PWM波的占空比还可以抑制过大的充电电流，避免对蓄电池的损害。
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型总体框图如图1所示，所述嵌入式设备多电源供电装置，包括太阳能板、220V市电AD/DC转换模块、蓄电池、光敏电路、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、第一支路供电状态检测模块、第二支路供电状态检测模块、蓄电池电量检测模块、采样电阻R1、MOS管开关、第一肖 特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、第一继电器K1、第二继电器K2、第三继电器K3、驱动电路、电源总线模块、多电压等级输出模块、嵌入式MCU；所述太阳能板的输出端分别和第一电压检测模块的输入端、第一肖特基二极管D1的一端、第一支路供电状态检测模块的第一输入端相连，光敏电路和太阳能板相连，光敏电路的输出端、第一电压检测模块的输出端、第一支路供电状态检测模块的输出端分别和嵌入式MCU相连，第一肖特基二极管D1的另一端分别和第一支路供电状态检测模块的第二输入端、第一继电器K1的一端相连，第一继电器K1的另一端和电源总线模块相连，第一继电器K1的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；所述220V市电AD/DC转换模块的输出端分别和第二电压检测模块的输入端、第二肖特基二极管D2的一端、第二支路供电状态检测模块的第一输入端相连，第二电压检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第二肖特基二极管D2的另一端分别和第二支路供电状态检测模块的第二输入端、第二继电器K2的一端相连，第二继电器K2的另一端和电源总线模块相连，第二继电器K2的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；所述蓄电池的充电输入端和MOS管开关的一端相连，MOS管开关的另一端和电源总线模块相连，MOS管开关的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连，蓄电池的放电输出端分别和第三电压检测模块的输入端、蓄电池电量检测模块的第一输入端、采样电阻R1的一端相连，第三支路供电状态检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，采样电阻R1的另一端分别和第三肖特基二极管D3的一端、蓄电池电量检测模块的第二输入端相连，蓄电池电量检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第三肖特基二极管D3的另一端和第三继电器K3的一端相连，第三继电器K3的另一端和电源总线模块相连，第三继电器K3的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；所述电源总线模块和多电压等级输出模块相连。
所述嵌入式设备多电源供电装置采用太阳能板、市电和蓄电池三种电源供电，通过光敏电路检测太阳能板接收的阳光是否充足；通过电压检测电路检测供电电源电压是否在合理的范围内；通过支路供电状态检测模块检测市电和太阳能的支路是否出现电源总线电压大于供电电源电压而造成的支路供电异常情况；通过电量检测电路检查蓄电池的电量；通过驱动电路将控制信号连接到继电器的线圈，以控制供电支路的通断；通过I/O端口输出PWM控制MOS管开关通断，以控 制对蓄电池充电的精度和速度；通过嵌入式设备的MCU通过SPI接到LCD显示屏，显示供电电源、供电支路、蓄电池的信息及报警信息。三路电源并联接入到电源总线，并经多电压等级输出电路调整后，输出多种等级电压，供嵌入式设备及外围电路使用。
所述电压检测电路取供电电源的电压经过R2、R3分压后R3上的电压作为微处理器STM32F107VCT6(以下简称STM32)的ADC的采样信号，STM32根据采样值计算供电支路的供电电压。
本实用新型实施例中，支路供电状态检测模块连接图如图2所示。所述支路供电状态检测模块通过肖特基二极管两端的压降判断支路供电状态是否正常。肖特基二极管D1正常工作时的导通压降为0.18V。D1的1号脚通过精密可调电阻R4和R5分压后接到放大器U1(INA129)的Vin+(3号脚)，D1的2号脚通过精密可调电阻R6和R7分压后接到放大器U1(INA129)的Vin-(2号脚)经过U1放大后输出电压Vout(6号脚)。Vout接到比较器U2(LM358)的IN-(2号脚)，由5V通过分压电路分出的0.1V作为U2的输入参考电压Vref，接到U2的IN+(3号脚)。U1的Vout和Vref比较后输出一个标准的高低电平连接到STM32的引脚，作为外部中断信号。当U1的Vout大于等于Vref时，U2输出高电平，说明此支路供电正常；当U1的Vout小于Vref时，U2输出低电平，说明此支路供电异常。STM32根据外部中断信号做出判断，及时将异常供电支路切断。由于二极管的单相导通原理，二极管还可以防止电源总线对该支路的供电电源反向充电。
本实用新型实施例中，蓄电池电压、电量检测电路连接图如图3所示，所述蓄电池电量检测电路通过一次充电开始后流经采样电阻的电流与时间的积分得到流入的蓄电池的电量，并结合蓄电池的供电电压估算得到充电开始前的电量，得到当前蓄电池的电量。在蓄电池供电支路中串联一个50mΩ的高精度采样电阻R1，取R1的1脚与2脚的电压差△VR1做判断，当对蓄电池充电时，△VR1为负；蓄电池放电时，△VR1为正。采样电阻两端的电压经过分压后连接到放大器U5(INA129)的Vin+(3号脚)和Vin-(2号脚)经过放大后输出Vout(6号脚)连接到STM32的ADC4端口和比较器U6的IN-(2号脚)。STM32将模拟电压转换成数字电压，计算每次取样时的充放电电流值，通过电流与时间的积分得出流 入的蓄电池的电量。同时，放大器的输出Vout和U6的参考电压Vref’比较后的输出连接到STM32的I/O1端口，作为MCU的中断信号。
所述蓄电池充电管理电路通过MCU输出PWM波控制MOS管开关的通断来实现。STM32根据蓄电池电量，及时调整占空比，控制充电的精度和速度。当蓄电池电量较少时，增大PWM波的占空比，加大输出电流以快速充电；当蓄电池电量较充足时，减小PWM波的占空比，减小输出电流以缓慢充电。调整PWM波的占空比还可以抑制过大的充电电流，避免对蓄电池的损害。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (1)
1.一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：包括太阳能板、220V市电AD/DC转换模块、蓄电池、光敏电路、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第三电压检测模块、第一支路供电状态检测模块、第二支路供电状态检测模块、蓄电池电量检测模块、采样电阻（R1）、MOS管开关、第一肖特基二极管（D1）、第二肖特基二极管（D2）、第三肖特基二极管（D3）、第一继电器（K1）、第二继电器（K2）、第三继电器（K3）、驱动电路、电源总线模块、多电压等级输出模块、嵌入式MCU；
所述太阳能板的输出端分别和第一电压检测模块的输入端、第一肖特基二极管（D1）的一端、第一支路供电状态检测模块的第一输入端相连，光敏电路和太阳能板相连，光敏电路的输出端、第一电压检测模块的输出端、第一支路供电状态检测模块的输出端分别和嵌入式MCU相连，第一肖特基二极管（D1）的另一端分别和第一支路供电状态检测模块的第二输入端、第一继电器（K1）的一端相连，第一继电器（K1）的另一端和电源总线模块相连，第一继电器（K1）的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述220V市电AD/DC转换模块的输出端分别和第二电压检测模块的输入端、第二肖特基二极管（D2）的一端、第二支路供电状态检测模块的第一输入端相连，第二电压检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第二肖特基二极管（D2）的另一端分别和第二支路供电状态检测模块的第二输入端、第二继电器（K2）的一端相连，第二继电器（K2）的另一端和电源总线模块相连，第二继电器（K2）的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述蓄电池的充电输入端和MOS管开关的一端相连，MOS管开关的另一端和电源总线模块相连，MOS管开关的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连，蓄电池的放电输出端分别和第三电压检测模块的输入端、蓄电池电量检测模块的第一输入端、采样电阻（R1）的一端相连，第三支路供电状态检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，采样电阻（R1）的另一端分别和第三肖特基二极管（D3）的一端、蓄电池电量检测模块的第二输入端相连，蓄电池电量检测模块的输出端和嵌入式MCU相连，第三肖特基二极管（D3）的另一端和第三继电器（K3）的一端相连，第三继电器（K3）的另一端和电源总线模块相连，第三继电器（K3）的输入端经过驱动电路和嵌入式MCU相连；
所述电源总线模块和多电压等级输出模块相连。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：还包括与嵌入式MCU相连接的GSM模块、蜂鸣器和LCD显示屏。
3.如权利要求1所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：多电压等级输出模块的输出电压信号等级包括24V、12V、9V、±5V、±3V。
4.如权利要求1所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：所述支路供电状态检测模块包括第一至第四精密可调电阻（R4、R5、R6、R7）、第一放大器（U1）、第二放大器（U2）；
所述第一精密可调电阻的一端和肖特基二极管的正极相连，第一精密可调电阻的另一端分别和第二精密可调电阻的一端、第一放大器的正输入端相连，第二精密可调电阻的另一端接地，第三精密可调电阻的一端和肖特基二极管的负极相连，第三精密可调电阻的另一端分别和第四精密可调电阻的一端、第一放大器的负输入端相连，第四精密可调电阻的另一端接地，第一放大器的输出端和第二放大器的负输入端相连，第二放大器的输出端和嵌入式MCU相连，第二放大器的正输入端输入参考电压。
5.如权利要求1所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：所述太阳能板的输出电压为24V。
6.如权利要求1所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：所述嵌入式MCU为STM32F107VCT6。
7.如权利要求4所述的一种嵌入式设备多电源供电装置，其特征在于：所述第一、第二放大器为INA129。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: 2016320000212 Denomination of utility model: Multi-power supply device of embedded equipment, and intelligent switching method of multi-power supply device Granted publication date: 20141119 License type: Common License Record date: 20161118 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: 2016320000212 Date of cancellation: 20180116 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Zhangjiagang Institute of Zhangjiagang Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2020980007094 Denomination of utility model: A multi power supply device for embedded equipment Granted publication date: 20141119 License type: Common License Record date: 20201026 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141119 |