带有锂电电量监测功能的燃气表的制作方法

1.本发明涉及燃气表领域，尤其涉及一种带有锂电电量监测功能的燃气表。


背景技术：

2.目前国内燃气计量行业对锂电池的电量监测主流厂商采取的是对锂电池的电压进行采集，根据燃气表工作电压的区间(如2.8v～3.6v，2.8v表示0％电量、3.6v表示100％电量)电压比例，来计算电量的方法。这种方法在锂电池满电时或电量充足时，是相对可靠的。但是当锂电池因为一些环境原因(受潮、钝化等)或实际使用进入低电阶段后，此种方法的弊端就很明显了。此时采用电压采集来代表电池电量的方法将严重的不可取。当燃气表平常休眠或进行简单的计量、数据存储时，此时通过mcu芯片内部的adc采集到的电池电压会维持在高位，感觉电量很充足。但是当燃气表需要带大负载时，比如需要进行远传通信或者欠费关闭阀门时，电池电压会迅速的跌落，不足以维持系统的稳定工作，情况严重下会导致系统直接死机，引起用户投诉，从而极大的增加燃气表后期的维护成本。
3.国内也有少量的厂商采用电池电量监控ic的方式来对锂电电量进行监测，好处是可以很准确的计量锂电池的电量消耗。坏处也很明显：
4.1、使用电量监控ic的话，需要建立电池的充放电模型，而燃气表中的锂电池为一次性锂电，充放电模型很难建立起来，同时一次性锂电因为个体的差异性，也会为建模增加很大的难度；
5.2、电量监控ic售价动辄十几块，对燃气表这类对价格极度敏感的产品来说，使用起来也难度极大；
6.3、电量监控ic因为为了确保电量计量的准确，因此每时每刻都在工作，电量监控ic自身对锂电池电量的消耗也是一笔不小的开销，甚至选型不当的话，不仅不利于产品的稳定，甚至会降低产品的使用寿命。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种带有锂电电量监测功能的燃气表，通过燃气表锂电电量监测电路来实现对锂电电量的监测；集成度高、成本低。
8.为了实现上述目的，本发明提供一种带有锂电电量监测功能的燃气表，包括一燃气表本体，还包括设置于所述燃气表本体内的一燃气表锂电电量监测电路；所述燃气表锂电电量监测电路包括一电池电压采样电路、一直流电源转换电路、一电池负载脉冲激励电路和一mcu控制电路；所述电池电压采样电路、所述直流电源转换电路和所述电池负载脉冲激励电路连接所述mcu控制电路。
9.优选地，所述电池电压采样电路包括：
10.一第一控制端口；
11.一第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述第一控制端口；
12.一第一三极管，所述第一三极管采用npn三极管，所述第一三极管的基极连接所述
第一电阻的第二端，所述第一三极管的发射极接地；
13.一第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一三极管的集电极；
14.一第二三极管，所述第二三极管采用pnp三极管，所述第二三极管的基极连接所述第二电阻的第二端，所述第二三极管的发射极连接一电池供电电压端；
15.一采样电阻，所述采样电阻的第一端连接所述第二三极管的集电极；
16.一第二控制端口，所述第二控制端口连接所述采样电阻的第二端；
17.一第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述采样电阻的第二端和所述第二控制端口，所述第三电阻的第二端接地；和
18.一插座，所述插座连接所述电池供电电压端并接地。
19.优选地，所述直流电源转换电路包括：
20.一电压差线性稳压芯片，所述电压差线性稳压芯片的输入端连接所述电池供电电压端，所述电压差线性稳压芯片的接地端接地，所述电压差线性稳压芯片的输出端连接一mcu电压端；
21.一第一滤波电容，所述第一滤波电容的一端连接所述电压差线性稳压芯片的输入端，所述第一滤波电容的另一端接地；
22.一第二滤波电容和一第三滤波电容，所述第二滤波电容和所述第三滤波电容的一端分别连接所述电压差线性稳压芯片的输出端，所述第二滤波电容和所述第三滤波电容的另一端接地。
23.优选地，所述电池负载脉冲激励电路包括：
24.一第三控制端口；
25.一下拉电阻，所述下拉电阻的第一端连接所述第三控制端口，所述下拉电阻的第二端接地；
26.一第三三级管，所述第三三级管采用npn三极管，所述第三三级管的基极连接所述第三控制端口和所述下拉电阻的第一端，所述第三三级管的发射极接地；
27.一上拉电阻，所述上拉电阻的第一端连接所述第三三级管的集电极，所述上拉电阻的第二端连接所述电池供电电压端；
28.一pmos管，所述pmos管的栅极连接所述上拉电阻的第一端，所述pmos管的源极连接所述上拉电阻的第二端和所述电池供电电压端；和
29.一负载电阻，所述负载电阻的一端连接所述pmos管的漏极，所述负载电阻的另一端接地。
30.优选地，所述mcu控制电路包括：一mcu芯片、以及连接于所述mcu芯片上的一rtc晶振电路、一滤波去偶电路和一swd接口；所述mcu芯片还连接所述第一控制端口、所述第二控制端口、所述mcu电压端和所述第三控制端口。
31.优选地，所述rtc晶振电路包括：一第一晶振电路电容、一第二晶振电路电容和一晶振；所述第一晶振电路电容和所述第二晶振电路电容的第一端连接所述mcu芯片，所述第一晶振电路电容和所述第二晶振电路电容的第二端接地，所述晶振连接于所述第一晶振电路电容和所述第二晶振电路电容的第一端之间。
32.优选地，所述滤波去偶电路包括：并联于所述mcu电压端和一地线端之间的一第一滤波去偶电容、一第二滤波去偶电容、一第三滤波去偶电容和一第四滤波去偶电容。
33.优选地，所述swd接口连接所述mcu芯片和所述mcu电压端并接地。
34.本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
35.1、通过燃气表锂电电量监测电路的采用可实现燃气表的电量计量及监测功能；
36.2、电量监测功能集成度高、成本低，利用现有的mcu芯片上的资源集成开发，外加少量外部器件实现，经济效益良好；
37.3、电量监测功能策略灵活，需要开启时才开启，不需要开启时不耗电；
38.4、功耗低，平均工作电流小于5ua，避免电量监测功能大量使用锂电电量造成得不偿失；
39.5、软件策略中加入差值滤波算法，剔除跳变异常点，保证计算结果的可靠性；
40.6、软件中加入修正因子补偿，确保电量计量的准确稳定；
41.7、增加燃气表电量的监管手段，动态知晓燃气表的使用状态。
附图说明
42.图1为本发明实施例的电池电压采样电路的电路图；
43.图2为本发明实施例的直流电源转换电路的电路图；
44.图3为本发明实施例的电池负载脉冲激励电路的电路图；
45.图4为本发明实施例的mcu控制电路的mcu连接电路图；
46.图5为本发明实施例的swd接口的电路图；
47.图6为本发明实施例的滤波去偶电路的电路图。
具体实施方式
48.下面根据附图图1～图6，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
49.请参阅图1～图6，本发明实施例的一种带有锂电电量监测功能的燃气表，包括一燃气表本体，还包括设置于燃气表本体内的一燃气表锂电电量监测电路；燃气表锂电电量监测电路包括一电池电压采样电路、一直流电源转换电路、一电池负载脉冲激励电路和一mcu控制电路；电池电压采样电路、直流电源转换电路和电池负载脉冲激励电路连接mcu控制电路。
50.本实施例中，电池电压采样电路包括：
51.一第一控制端口bat_v_ad_en；
52.一第一电阻r6，第一电阻r6的第一端连接第一控制端口bat_v_ad_en；
53.一第一三极管q4，第一三极管q4采用npn三极管，第一三极管q4的基极连接第一电阻r6的第二端，第一三极管q4的发射极接地；
54.一第二电阻r2，第二电阻r2的第一端连接第一三极管q4的集电极；
55.一第二三极管q1，第二三极管q1采用pnp三极管，第二三极管q1的基极连接第二电阻r2的第二端，第二三极管q1的发射极连接一电池供电电压端v_bat；
56.一采样电阻r4，采样电阻r4的第一端连接第二三极管q1的集电极；
57.一第二控制端口bat_v_ad，第二控制端口bat_v_ad连接采样电阻r4的第二端；
58.一第三电阻r7，第三电阻r7的第一端连接采样电阻r4的第二端和第二控制端口
bat_v_ad，第三电阻r7的第二端接地；和
59.一插座j1，插座j1连接电池供电电压端v_bat并接地。
60.本实施例中，直流电源转换电路包括：
61.一电压差线性稳压芯片u1，电压差线性稳压芯片u1的输入端连接电池供电电压端v_bat，电压差线性稳压芯片u1的接地端接地，电压差线性稳压芯片u1的输出端连接一mcu电压端vcc_mcu；
62.一第一滤波电容c3，第一滤波电容c3的一端连接电压差线性稳压芯片u1的输入端，第一滤波电容c3的另一端接地；
63.一第二滤波电容c1和一第三滤波电容c2，第二滤波电容c1和第三滤波电容c2的一端分别连接电压差线性稳压芯片u1的输出端，第二滤波电容c1和第三滤波电容c2的另一端接地。
64.本实施例中，电池负载脉冲激励电路包括：
65.一第三控制端口dc_en；
66.一下拉电阻r3，下拉电阻r3的第一端连接第三控制端口dc_en，下拉电阻r3的第二端接地；
67.一第三三级管q2，第三三级管q2采用npn三极管，第三三级管q2的基极连接第三控制端口dc_en和下拉电阻r3的第一端，第三三级管q2的发射极接地；
68.一上拉电阻r1，上拉电阻r1的第一端连接第三三级管q2的集电极，上拉电阻r1的第二端连接电池供电电压端v_bat；
69.一pmos管q3，pmos管q3的栅极连接上拉电阻r1的第一端，pmos管q3的源极连接上拉电阻r1的第二端和电池供电电压端v_bat；和
70.一负载电阻r5，负载电阻r5的一端连接pmos管q3的漏极，负载电阻r5的另一端接地。
71.本实施例中，mcu控制电路包括：一mcu芯片u2、以及连接于mcu芯片u2上的一rtc晶振电路、一滤波去偶电路和一swd接口p1；mcu芯片u2还连接第一控制端口bat_v_ad_en、第二控制端口bat_v_ad、mcu电压端vcc_mcu和第三控制端口dc_en。
72.其中，rtc晶振电路包括：一第一晶振电路电容c8、一第二晶振电路电容c9和一晶振y1；第一晶振电路电容c8和第二晶振电路电容c9的第一端连接mcu芯片u2，第一晶振电路电容c8和第二晶振电路电容c9的第二端接地，晶振y1连接于第一晶振电路电容c8和第二晶振电路电容c9的第一端之间。
73.其中，滤波去偶电路包括：并联于mcu电压端vcc_mcu和一地线端gnd之间的一第一滤波去偶电容c4、一第二滤波去偶电容c5、一第三滤波去偶电容c6和一第四滤波去偶电容c7。
74.其中，swd接口p1连接mcu芯片u2和mcu电压端vcc_mcu并接地。
75.燃气表锂电电量监测原理：
76.一次性锂电脉冲放电后，当一次性锂电电池剩余不同容量时，用同一脉冲负载来激励，电压跌落的最低点差异明显。可以利用一次性锂电在同一脉冲负载激励下的电压跌落的差值来计算电池的电量百分比。当电池为满电时，经过负载脉冲激励后，电压跌落为δv1，电池为半电量时，经过负载脉冲激励后，电压跌落为δv2，电池为空电量时，经过负载脉
冲激励后，电压跌落为δv3等等。当采集到许多的δv后，就会得到一条锂电池电量百分比与电压跌落值的曲线，然后根据曲线提炼出数学公式，完成建模。后续当采集到任意的δv后，带入数学公式求解，既可以得到当前电池电量的百分比。
77.本发明实施例的一种带有锂电电量监测功能的燃气表，其工作原理如下：
78.1、电池电压采样电路。
79.当第一控制端口bat_v_ad_en为逻辑低电平(关使能)的时候，第二三极管q1的发射极与基极间的pn结导通，第二电阻r2被上拉，第一三极管q4基极与发射极压差小于pn结导通电压0.7v，第三三级管q2进入截止区，此时第一三极管q4为关断状态。而第二三极管q1也因为u
eb
≤0.7v,也处于截止态；
80.当第一控制端口bat_v_ad_en为逻辑高电平(关使能)后，第一三极管q4此时u
be
＞0,u
bc
＜0，第三三级管q2进入放大区。随着ic的增加，第三三级管q2集电极的电压会迅速回落，此时第一三极管q4的特性会变为u
be
＞0,u
bc
＞0，第一三极管q4进入饱和区。第一三极管q4的集电极与发射极间导通，第二电阻r2两端的电压会被拉回0电位，第二三极管q1也会同第一三极管q4一样先进入放大区，然后迅速进入饱和区，c,e两极导通，采样电阻r4上端电压变为电池供电电压端v_bat的电压，实现整个控制过程；
81.采样电阻r4上端获得电池供电电压端v_bat的电压后，经过采样电阻r4与第三电阻r7按照比例系数n进行分压，再经过第二控制端口bat_v_ad网络回流到mcu芯片u2内部的ad采样模块，完成adc采样。最后mcu芯片u2采样完成后，根据比例系数n，等比例还原为真实电池电压值即实现了电池电压的采样。
82.2、直流电源转换电路负责给mcu芯片u2提供稳定的供电电源。
83.3、电池负载脉冲激励电路，负责产生负载脉冲激励信号。
84.当需要产生负载脉冲激励信号时，mcu芯片u2通过控制第三控制端口dc_en网络，将第三控制端口dc_en使能(给到高电平1)，此时第三三级管q2的发射极和集电极导通，第三三级管q2的集电极被拉低到0电位；
85.因pmos管q3的栅极与第三三级管q2的集电极相连，所以pmos管q3的栅极也会被拉低到0电位，pmos管q3的源极到漏极间的通道导通，负载电阻r5(阻值小于15欧姆)的左端就连接到电池供电电压端v_bat上，此时电流经过电池供电电压端v_bat，流经负载电阻r5，回流到地线端gnd上，完成导通控制过程；
86.当第三控制端口dc_en拉高t时间后(脉冲持续时间t，根据实际锂亚电池建模参数确定)，mcu芯片u2会控制着拉低第三控制端口dc_en，此时第三三级管q2的发射极和集电极会关断，pmos管q3的栅极也会因为上拉电阻r1被重新拉高为高电平，pmos管q3会截止，负载电阻r5的供电也会被相应的切断；
87.通过mcu芯片u2控制第三控制端口dc_en引脚的拉高、持续t时间后拉低，达到对负载电阻r5供电的开断，实现对电池进行负载脉冲激励的效果。其中下拉电阻r3，确保mcu芯片u2未控制第三控制端口dc_en时，第三三级管q2为关断状态。
88.4、mcu控制电路。
89.其主要作用一方面控制产生电池负载脉冲激励信号，另一方面在激励产生后，控制电池电压采样电路对锂电池电压进行实时采样。同时采样完成后，会对采样数据进行数据分析处理，得到δv的值，最后再带入建模数学公式中，计算出实际的电池电量百分比。其
中rtc晶振电路，为mcu控制系统提供实时时钟。滤波去偶电路，确保mcu芯片u2的供电电源的稳定、干净。复位电容c10，保证mcu芯片u2能上电正常复位。swd接口p1，确保mcu芯片u2能正常的烧录程序。
90.燃气表锂电电量监测功能软件实现：
91.1、电池电量计量策略。
92.燃气表锂电电量监测功能平时一般不开启，当需要监测电池电量时，mcu芯片u2会打开电池负载脉冲激励电路的第三控制端口dc_en，同时开启电池电压采样电路，开始以1ms每点的速率持续对电池电压进行采样。当激励时间达到时间t后(时间小于3s)，mcu芯片u2会关断电池负载脉冲激励电路，此时电池电压采样电路会继续工作，当持续采集t1后(电压恢复到初始电压的95％以上)，电池电压采样电路停止采样。mcu芯片u2此时会将采样得到的数据进行数据差值滤波处理，剔除跳变异常点，然后将剩余数据进行降序排列，找出最大值与最小值，计算出δv。将δv带入建模函数中，得到电池电量百分比的初值m％，再根据t1，得到修正因子r。用r对m进行二次补偿修正，即得到电池电量百分比n％。
93.2、电池电量监控策略。
94.燃气表中的锂亚电池在设计上是需要保证十年以上的使用时间的，取最小值10年计算，总计120个月，因此燃气表每1个月的电量消耗是小于1％的。实际监测时，不需要每天甚至每时对电量进行监测，只需要在电量变动时能监测到即可。同时燃气表上对电池电量百分比的准确度要求不高，一般5％以内的误差都是被允许的。所以采取了如下的策略：
95.电池电量为50～100％区间时，电池电量采样周期为2个月；
96.电池电量为30～50％区间时，电池电量采样周期为1个月；
97.电池电量为15～30％区间时，电池电量采样周期为0.5个月；
98.电池电量为10～15％区间时，电池电量采样周期为7天；上报低电信息给平台，并提醒燃气公司，给用户更换锂亚电池；
99.电池电量为低于10％时，电池电量采样周期为1天；关阀，上报欠电信息到平台，报警告知燃气公司给用户更换锂亚电池。
100.以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。