超級(jí)電容應(yīng)用－智能水表

超級(jí)電容應(yīng)用－智能水表

摘 要：本文介紹了一種利用串行時(shí)鐘芯片DS1302設(shè)計(jì)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及其軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。 關(guān)鍵詞：時(shí)間控制器；單片機(jī)；DS1302 智能水表簡(jiǎn)介 ---傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)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(méi)有設(shè)計(jì)再充電電路，鋰電池使用到一定時(shí)間后，將無(wú)法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門(mén)為用戶更換電池或水表，這對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來(lái)水公司來(lái)說(shuō)都是一件繁瑣的事情。更危險(xiǎn)的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量，將無(wú)法可靠地關(guān)斷水閥，造成無(wú)法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn)，直接影響到它的推廣和使用。針對(duì)這一問(wèn)題，水表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時(shí)控制漏電流在10μA以內(nèi)，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度和成品檢測(cè)的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測(cè)電路，也會(huì)使成本增加。 新的解決方案 ---為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，已有不少?gòu)S家嘗試了一種全新的方案，那就是用超級(jí)電容（Super-Capacitor）代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無(wú)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(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng)，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源，見(jiàn)圖1 超級(jí)電容的特性 ---以美國(guó)庫(kù)柏（Cooper）超級(jí)電容為例，與電池進(jìn)行比較，有如下一些明顯特性： * 超低串聯(lián)等效電阻（ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)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(jī)閥或電磁閥的可靠開(kāi)啟提供了保障。 * 超長(zhǎng)壽命，充放電大于50萬(wàn)次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。 * 可以大電流充電，充放電時(shí)間短，對(duì)充電電路要求簡(jiǎn)單，無(wú)記憶效應(yīng)。 * 免維護(hù)，可密封。 * 溫度范圍寬-40～+70℃，普通電池是-20～60℃。 方案描述 ---與內(nèi)裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級(jí)電容替換鋰電池封裝在水表中，同時(shí)外接干電池供電。平時(shí)干電池提供水表電路所需能量和對(duì)超級(jí)電容的充電，在需要開(kāi)啟水閥時(shí)，由外接干電池提供能量將水閥開(kāi)啟；在需要關(guān)斷水閥時(shí)，如果外接電池不能提供能量將水閥關(guān)斷，那么超級(jí)電容將在此刻提供能量來(lái)關(guān)斷水閥。如同一個(gè)儲(chǔ)水箱，平時(shí)將水存儲(chǔ)起來(lái)，在停水時(shí)才起作用。 ---圖2是應(yīng)用示意圖。正常情況下，電池通過(guò)電阻R、二級(jí)管D1向負(fù)載和超級(jí)電容充電。電阻R的作用是限制電流過(guò)大，因?yàn)槌?jí)電容內(nèi)阻很小，充電時(shí)電流較大可能造成電池?fù)p壞。二級(jí)管D1防止反向電流。當(dāng)電池電壓過(guò)低，或突然斷電時(shí)（如取下電池），由超級(jí)電容繼續(xù)為電路提供電源，同時(shí)，超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量足以關(guān)斷閥門(mén)。 方案優(yōu)點(diǎn) ---這種方案明顯優(yōu)于以前的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)如下： *將電池從水表中分離出來(lái)，從而可以不考慮電池壽命對(duì)水表的影響，大大延長(zhǎng)了水表的使用時(shí)間。 * 另一方面，超級(jí)電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接干電池電量不足時(shí)，仍能利用存儲(chǔ)在超級(jí)電容上的能量將水閥關(guān)斷。 * 以前一味追求的漏電流指標(biāo)，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級(jí)電容后，漏電流指標(biāo)變得不再重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時(shí)更換。這樣，不僅使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)工序，還使產(chǎn)品的成本降低。 結(jié)論 ---這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點(diǎn)，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的途徑。目前國(guó)內(nèi)已有多家水表生產(chǎn)廠應(yīng)用該方案，實(shí)踐證明，它是切實(shí)可行的。 來(lái)源：http://c.gkong.com/learn/learn_detail.asp?learn_id=875