超級電容應用－智能水表
摘 要：本文介紹了一種利用串行時鐘芯片DS1302設計的單片機應用系統及其軟硬件實現方案。
關鍵詞：時間控制器；單片機；DS1302
智能水表簡介
---傳統的智能水表在控制水閥開啟和關斷時，普遍采用的方法是內裝鋰電池。鋰電池的優點是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設計再充電電路，鋰電池使用到一定時間后，將無法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表，這對于水表生產廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事情。更危險的是，電池電量不足的情況出現是隨機的，如果不精確和及時的監測電池電量，將無法可靠地關斷水閥，造成無法計費、逃水現象等情況出現。這是內部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點，直接影響到它的推廣和使用。針對這一問題，水表生產廠家設計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態時控制漏電流在10μA以內，保證電池可以連續使用5年以上，這對電路的設計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設計難度和成品檢測的工序，如加上可靠的電池電量監測電路，也會使成本增加。
新的解決方案
---為了解決這一制約智能水表發展的瓶頸問題，已有不少廠家嘗試了一種全新的方案，那就是用超級電容（Super-Capacitor）代替鋰電池應用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件，性能介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，并且重復使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子（而不依靠化學反應）釋放電流，從而為設備提供電源，見圖1
超級電容的特性
---以美國庫柏（Cooper）超級電容為例，與電池進行比較，有如下一些明顯特性：
* 超低串聯等效電阻（ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）為水表控制電機閥或電磁閥的可靠開啟提供了保障。
* 超長壽命，充放電大于50萬次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續使用可達68年。
* 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應。
* 免維護，可密封。
* 溫度范圍寬-40～+70℃，普通電池是-20～60℃。
方案描述
---與內裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級電容替換鋰電池封裝在水表中，同時外接干電池供電。平時干電池提供水表電路所需能量和對超級電容的充電，在需要開啟水閥時，由外接干電池提供能量將水閥開啟；在需要關斷水閥時，如果外接電池不能提供能量將水閥關斷，那么超級電容將在此刻提供能量來關斷水閥。如同一個儲水箱，平時將水存儲起來，在停水時才起作用。
---圖2是應用示意圖。正常情況下，電池通過電阻R、二級管D1向負載和超級電容充電。電阻R的作用是限制電流過大，因為超級電容內阻很小，充電時電流較大可能造成電池損壞。二級管D1防止反向電流。當電池電壓過低，或突然斷電時（如取下電池），由超級電容繼續為電路提供電源，同時，超級電容存儲的能量足以關斷閥門。
方案優點
---這種方案明顯優于以前的設計，優點如下：
*將電池從水表中分離出來，從而可以不考慮電池壽命對水表的影響，大大延長了水表的使用時間。
* 另一方面，超級電容的大電流放電特性保障了水閥關斷的可靠性，在外接干電池電量不足時，仍能利用存儲在超級電容上的能量將水閥關斷。
* 以前一味追求的漏電流指標，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級電容后，漏電流指標變得不再重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。這樣，不僅使電路設計簡化，減少產品的出廠檢驗工序，還使產品的成本降低。
結論
---這種方案克服了現階段智能水表的缺點，為智能水表的發展找到了一條新的途徑。目前國內已有多家水表生產廠應用該方案，實踐證明，它是切實可行的。
來源：http://c.gkong.com/learn/learn_detail.asp?learn_id=875