專利名稱：一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)中的智能器件，具體涉及ー種采用超級電容替代鋰電池作為儲能介質(zhì)的物機。
背景技術(shù)：
“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念，實現(xiàn)人與物、物與物之間信息互通。把傳感器裝備到各種真實物體上使其具有智慧，智慧物體通過嵌入式系統(tǒng)運行特定程序感知自身和外部信息，感知過程是人與物、物與物進行信息互通的過程。智慧物體使用RS422 / 485總線、現(xiàn)場總線、CAN總線、ZigBee技術(shù)等連接智能化終端構(gòu)建成ー個智能化的局域物聯(lián)系統(tǒng)，給局域物聯(lián)系統(tǒng)配置相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)接ロ，連接到 互聯(lián)網(wǎng)上，便實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)的拓展。移動網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，適用于人的移動終端一手機用戶發(fā)展迅猛，手機的功能在不斷增強，移動互聯(lián)已得到普及，當今的人們已經(jīng)離不開手機。智慧物體的出現(xiàn)，必然需要使用ー種合適于智慧物體使用的移動終端設(shè)備一物機，物機與手機最大的差別是使用的對象，造成物機不能像手機一祥快速發(fā)展的瓶頸之ー是物機使用的電池。物機是利用GSM網(wǎng)絡(luò)，以GSM模塊為核心，配置MCU、通信接口和電源等應(yīng)用于真實物體的移動通信終端設(shè)備，物機雖然是移動通信終端設(shè)備，但其安裝后是相對固定的。物機對于人來說是遠程受控終端，反映遠程監(jiān)視真實物體的狀況。電源是真實物體所有監(jiān)視設(shè)備或系統(tǒng)的動力，因此，電源故障(停電)的監(jiān)測及報警是物機必備的功能。物機最初沿用手機采用鋰電池作為儲能介質(zhì)，通過實際應(yīng)用的驗證，發(fā)現(xiàn)物機使用鋰電池作為儲能介質(zhì)是不可取的。如在城市路燈電纜防盜報警中使用物機報警，最終由于鋰電池低溫不夠、完全充放電次數(shù)少等，使得物機在實際應(yīng)用過程中故障太多，維修量巨大；在家居安防報警系統(tǒng)中也由于鋰電池問題降低了設(shè)備的可靠性，鋰電池成為物機推廣應(yīng)用的主要瓶頸之一，主要原因是
(1)鋰電池完全沖放電次數(shù)只能在300次左右，制約了設(shè)備的壽命，造成后期設(shè)備的維護量巨大，以至于阻礙了設(shè)備進行大面積推廣應(yīng)用；
(2)鋰電池的放電效率與環(huán)境溫度有很大關(guān)系，對于室外全天候應(yīng)用的設(shè)備無法解決低溫環(huán)境的應(yīng)用。超級電容是近年發(fā)展快速的種大容量儲能元件，和普通電池相比，具有功率密度高、充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保等特點，在電動汽車、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。針對物機這種真實物體使用的移動終端設(shè)備，超級電容完全可以取代鋰電池作為物機的儲能介質(zhì)，二者的比較如下
①⑤超級電容具有超寬的溫度適用范圍，通?？梢赃_到一 40°C 85°C ;而一般電池是 -20°C 60°C。；②超級電容大電流充放電性能優(yōu)越，功率密度(PowerDensity)是鋰離子電池的數(shù)十
倍以
上；
③超級電容充放電時間短，充電電路簡單，無需限流和充放電控制回路，無記憶效應(yīng)。二次電池受充放電電流限制，充電時間長，一般需幾小時到十幾小時，而雙電層電容器不受充電電流限制，可快速充電，幾秒到幾十秒即可充滿；
④超級電容具有超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和 Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。雖然超級電容有許多優(yōu)點，但是超級電容在物機中的應(yīng)用，還存在著如下問題 如何采用超級電容取代鋰電池應(yīng)用到物機，突破因鋰電池局限導(dǎo)致物機在實際應(yīng)用中
可靠性低的瓶頸，這是本領(lǐng)域技術(shù)研究的方向。物機是手機拓展應(yīng)用到智慧物體的產(chǎn)物，其固定安裝于智慧物體之上，隨智慧物體的移動而移動，具有相對固定的特點；智慧物體與物機之間以數(shù)據(jù)通信為主，兼顧語音和視頻；由于智慧物體的智慧不夠，物機需要具備自檢測GSM網(wǎng)絡(luò)、電源的能力，對故障能實現(xiàn)自修復(fù)或報警，實現(xiàn)這些功能，儲能介質(zhì)是物機必備的。已知物機的儲能介質(zhì)是電池，手機使用的儲能介質(zhì)ー鋰電池是物機設(shè)計者沿用的依據(jù)。雖然有關(guān)手機上使用鋰電池的配套充放電器件都非常成熟，但由于物機與手機的使用對象不同，也就是說物機的使用對象是智慧物體，手機的使用對象是人，智慧物體的智慧目前還無法與人相比，導(dǎo)致手機上普遍使用的鋰電池在物機上應(yīng)用存在嚴重的缺陷，成為提升物機可靠性指標的瓶頸。超級電容一直用于常規(guī)電容和電池之間的專門市場，隨著更多新應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，這一專門市場也在不斷增長。在數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中，超級電容正在取代電池，包括3. 3V內(nèi)存?zhèn)浞莨虘B(tài)硬盤(SSD)、電池供電的便攜式エ業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、エ業(yè)警報器以及智能功率計。物機中GSM模塊的VBAT采用3. 4V到4. 5V的單電源供電。在一些情況下，信號傳輸?shù)拟Оl(fā)會導(dǎo)致電壓跌落，這時電流損耗的峰值會達到2k,因此，電源必須能提供足夠到2A的電流。由于超級電容的電壓值很低(3V以下)，單個超級電容不能滿足物機中GSM模塊所需電壓要求(3. 4V到4. 5V)，因此，需要兩個超級電容進行串聯(lián)才能滿足。由于生產(chǎn)エ藝的限制，超級電容在制造過程中無法做到材質(zhì)的絕對均勻，導(dǎo)致各個超級電容單體參數(shù)的分散性。兩個串聯(lián)工作的超級電容，不同超級電容單體上電壓存在差別，即過電壓和欠電壓兩種不健康狀態(tài)。過電壓狀態(tài)將縮短超級電容的壽命，嚴重時會發(fā)生爆炸，而處于欠電壓狀態(tài)的超級電容器，其容量不能充分利用，存在浪費。所以對物機使用的2個串聯(lián)超能電容組必須引入均壓技術(shù)，以提高超級電容組的可靠性和利用率，并延長超級電容的使用壽命。一種簡單的解決方案是使用凌力爾特超級電容充電器方案，LTC3226是ー款無電感的超級電容充電器，具有備份的電源通路控制器，使用2. 5-5. 5V的輸入電源給兩節(jié)串聯(lián)的超級電容充電，并充電至2. 5-5. 3V的可編程超級電容充電電壓。該器件的自動容量平衡和電壓鉗位功能可保持兩節(jié)超級電容上的電壓相等。但仔細分析LTC3226的電壓鉗位電路，發(fā)現(xiàn)它不適合在物機中應(yīng)用，主要是
① LTC3226充電泵配備用于將任意超級電容兩端的電壓限制為ー個2. 65V的最大可容許
預(yù)設(shè)電壓的電路。利用它來解決物機使用超級電容作為存儲介質(zhì)的充電是可行的，但如果從物機電源系統(tǒng)總體考慮，由于LTC3226是通用器件，對于物機參數(shù)確定的應(yīng)用，不僅需要通過阻容計算、調(diào)試后，才能確定LTC3226的外圍電路配置，而且使用LTC3226的LDO穩(wěn)壓器的功率小等原因無法滿足物機的供電需求，不使用LTC3226的LDO穩(wěn)壓器造成浪費。②LTC3226的價格偏高。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題本發(fā)明提供了一種充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保的 超級電容作為儲能介質(zhì)的物機。物機采用超級電容而不是鋰電池作為儲能介質(zhì)，提出解決兩節(jié)超級電容串聯(lián)在物機中應(yīng)用的低成本方法。為了解決以上問題本發(fā)明提供了一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于包括電源系統(tǒng)、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路；
電源系統(tǒng)為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態(tài)信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態(tài)信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)現(xiàn)GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。所述的電源系統(tǒng)包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路、降壓電路、選擇電路；
外接電源通過電源端子輸入到電源適配模塊，電源適配模塊輸出穩(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路和降壓電路；超級電容管理模塊向微處理器、三極管隔離電路和選擇電路提供不間斷的恒壓電源3. 3V，通過微處理器控制輸出滿足GSM模塊和三極管隔離電路所需的VBAT3. 6-4. 2V ;電壓監(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)到微處理器；復(fù)位電路根據(jù)電源適配模塊的輸出產(chǎn)生微處理器的復(fù)位信號；降壓電路在電源適配模塊輸出時提供恒壓電源3. 3V給選擇電路；選擇電路通過微處理器控制選擇不間斷的恒壓電源3. 3V或恒壓電源3. 3V作為485模塊、Zugbee模塊和WIFI模塊的電源。所述的485模塊由光電隔離電路、DC/DC隔離電路、485芯片、接ロ、485端子組成，選擇電路輸出的電源與DC/DC隔離電路的輸入和光電隔離電路相連；DC/DC隔離電路的輸出與光電隔離電路、485芯片和接ロ相連；光電隔離電路的信號輸入與微處理器相連，光電隔離電路的信號輸出與485芯片的信號輸入相連；485芯片的輸出與接ロ的輸入相連；接ロ的輸出與485端子相連，485端子與地相連。所述的超級電容管理模塊，包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關(guān)、恒壓電路；
5V與充電電路、穩(wěn)壓電路和自動切換模塊相連，充電電路的輸出與平衡電路相連，平衡電路的輸出與超級電容和自動切換模塊相連；穩(wěn)壓電路的輸出與控制開關(guān)、恒壓電路和自動切換模塊相連；控制開關(guān)的輸出VBAT是受控制的；恒壓電路輸出恒定的3. 3V。
所述的充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與P3的VCC相連并接到+5V，E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連。所述的平衡電路由P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16組成，BAT+連接到P7的
S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN，P6的OUT連到P7的G、R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成；
所述的穩(wěn)壓電路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3組成，E1的正端與Pl的IN和EN相連并接到+5V，Pl的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地；
所述的自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7的一端相連并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+ ；
所述的控制開關(guān)由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT，E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL ；
所述的恒壓電路由 R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的SP6650配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V,RlO的另一端與C3的另一端、RlI的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的負端、P5的PGND、P5的GND相連并接到地。有益效果本發(fā)明的電源系統(tǒng)是物機的動カ之源，超級電容管理模塊是電源系統(tǒng)的儲能介質(zhì)，當電源系統(tǒng)的輸入失電后，物機依靠超級電容管理模塊的儲能完成短信報警。采用超級電容管理模塊而不是鋰電池進行儲能，使物機不僅適用惡劣環(huán)境，而且克服了鋰電池充電壽命的限制。本發(fā)明的超級電容管理模塊將5V輸入電壓通過變換和儲能輸出具有后備的3. 3V和可控制輸出的VBAT (3. 6-4. 2V)。儲能介質(zhì)使用兩節(jié)2. 7V的超級電容替代單節(jié)鋰電池，克服鋰電池作為物機儲能介質(zhì)在壽命和低溫方面的缺陷。


圖I為本發(fā)明物機的組成框 圖2為本發(fā)明的超級電容管理模塊的組成框 圖3為本發(fā)明具體實施案例圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步的描述。如圖I所示，一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，包括電源系統(tǒng)、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路；
電源系統(tǒng)為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源。GSM模塊的UART、控制信號和狀態(tài)信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另ー邊與微處理器UART、控制信號和狀態(tài)信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)現(xiàn)GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動。微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。所述的電源系統(tǒng)，包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路、降壓電路、選擇電路；
外接電源通過電源端子輸入到電源適配模塊，電源適配模塊輸出穩(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路和降壓電路；超級電容管理模塊向微處理器、三極管隔離電路和選擇電路提供不間斷的恒壓電源(3. 3V)，通過微處理器控制輸出滿足GSM模塊和三極管隔離電路所需的VBAT (3. 6-4. 2V)；電壓監(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)到微處理器；復(fù)位電路根據(jù)電源適配模塊的輸出產(chǎn)生微處理器的復(fù)位信號；降壓電路在電源適配模塊輸出時提供恒壓電源(3. 3V)給選擇電路；選擇電路通過微處理器控制選擇不間斷的恒壓電源(3. 3V)或恒壓電源(3. 3V)作為485模塊、Zugbee模塊和WIFI模塊的電源。485模塊由光電隔離電路、DC/DC隔離電路、485芯片、接ロ、485端子組成，選擇電路輸出的電源與DC/DC隔離電路的輸入和光電隔離電路相連；DC/DC隔離電路的輸出與光電隔離電路、485芯片和接ロ相連；光電隔離電路的信號輸入與微處理器相連，光電隔離電路的信號輸出與485芯片的信號輸入相連；485芯片的輸出與接ロ的輸入相連；接ロ的輸出與485端子相連，485端子與地相連。微處理器微處理器由SIPEX的SP6650提供穩(wěn)定3. 3V，SP6650的電壓輸入范圍為2. 7V到6. 5V。微處理器選用STC12LE32S2，其省電模式所需電流在2mA。當超級電容供電，發(fā)送報警短信后超級電容的電壓為3. 6V，可用于微處理器待機的超級電容容量為15Fx(3. 6V-2. 7V)=13. 5As ;因此，微處理器的待機時間為13. 5As/2mA=13. 5*1000/2=6750s=l. 87H。如圖1、2所示，所述的超級電容管理模塊包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關(guān)、恒壓電路；
5V與充電電路、穩(wěn)壓電路和自動切換模塊相連，充電電路的輸出與平衡電路相連，平衡電路的輸出與超級電容和自動切換模塊相連；穩(wěn)壓電路的輸出與控制開關(guān)、恒壓電路和自動切換模塊相連；控制開關(guān)的輸出VBAT是受控制的；恒壓電路輸出恒定的3. 3V。超級電容兩節(jié)2. 7V的超級電容串聯(lián)的容量計算，為了縮小物機的總體體積，選擇合適的超級電容容量是關(guān)鍵。為了保證物機在外部失電后依靠超級電容儲能發(fā)送短信報警信號，最多發(fā)送16條報警短信。經(jīng)測試發(fā)送I條報警短信的平均時間為1. 5s，連續(xù)發(fā)送的平均時間為2. 2s,因此，發(fā)送16條報警短信的時間為35. 2s，物機在發(fā)送短信時所需平均電流為250mA。35. 2sX250mA=8800mAs=8. 8As。物機發(fā)送短信的電壓范圍為4.2V-3. 6V=0. 6V ;兩節(jié)串聯(lián)超級電容的容量為8. 8As/0. 6V=14. 67F，取整為15F。因此，單節(jié)超級電容選擇為30F。如圖3所示，各部分的主要IC型號是充電電路(CN3068)、穩(wěn)壓電路(MIC29302BU)、自動切換模塊和控制開關(guān)(IRF7416)、恒壓電路(SP6650)、平衡電路(XC61CN2202MR 和 XP161A1355PR)。充電電路(CN3068):從成本控制設(shè)計，根據(jù)VBAT (3. 6-4. 2V)的要求，選擇使用成熟的單節(jié)鋰電池充電集成電路。實驗驗證國產(chǎn)500毫安USB接ロ兼容的鋰電池充電集成電路CN3068完全滿足設(shè)計需要。CN3068是可以對單節(jié)可充電鋰電池進行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流ニ極管。CN3068只需要極少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。充電電 流通過ー個外部電阻設(shè)置。當輸入電壓掉電吋，CN3068自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。CN3068采用8管腳小外形封裝(S0P8)。雖然CN3068有內(nèi)部固定4. 2V的恒壓充電電壓和可以通過ー個外部的電阻調(diào)節(jié)恒壓充電電壓兩種模式，但在實際使用中當使用外部電阻調(diào)整恒壓充電電壓時，由于芯片內(nèi)部和外部的溫度不一致及芯片生產(chǎn)時的エ藝偏差等原因，可能導(dǎo)致輸出電壓的精度變差和溫度系數(shù)變大。同吋，因需外接電阻不僅增加材料、裝配成本，更重要的是增加了調(diào)試的難度。因此，在本發(fā)明中采用CN3068內(nèi)部固定4. 2V的恒壓充電電壓模式。平衡電路(XC61CN2202MR和 XP161A1355PR):
選擇采用兩節(jié)2. 7V的超級電容串聯(lián)，現(xiàn)有兩節(jié)2. 7V超級電容串聯(lián)模組采用電壓比較器、NM0SFET和電阻來實現(xiàn)平衡電路，但在電壓比較器的選擇上選用2. 6V的比較器，因此，兩節(jié)2. 7V超級電容串聯(lián)模組的電壓為2. 6x2=5. 2V，不符合物機4. 2V。TOREX的XC61C系列高精度、低功耗電壓比較器的精度為±2%，電壓檢測范圍從I. 6V到6V，步進O. IV，工作電壓范圍O. 7V到10. 0V。XC61C型號的選擇的指標計算
(I)電壓檢測值
根據(jù)XC61C的精度為±2%，CN3068的充電電壓為4. 2V，即
兩節(jié)串聯(lián)超級電容的最高電壓4. 2Vx (1+2%) =4. 284V ；
兩節(jié)串聯(lián)超級電容的最低電壓4. 2Vx (1-2%) =4. 116V ；
為了保證兩節(jié)串聯(lián)超級電容的最高電壓達到4. 2V，因此，單節(jié)的電壓檢測值應(yīng)該為4.284V/2=2. 142V。(2) XC61C 型號確定
XC61C的型號根據(jù)電壓檢測范圍從I. 6V到6V，步進O. IV來確定的，因此我們選擇2. 2V最為合適。具體型號為XC61CN2202MR。XP161A1355PR 是 N MOS 功率開關(guān)，與 XC61CN2202MR 配合使用，由 XC61CN2202MR 的輸出控制XP161A1355PR導(dǎo)通，實現(xiàn)兩節(jié)級電容串聯(lián)模組的平衡充電。如圖2、3所示，本發(fā)明具體實施案例包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關(guān)、恒壓電路；充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與、P3的VCC相連并接到+5V，E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連；
平衡電路由 P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16 組成，BAT+連接到 P7 的 S、R13 的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN，P6的OUT連到P7的G、R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成；
穩(wěn)壓電路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3組成，El的正端與Pl的IN和EN相連并接到+5V，Pl的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地；
自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7的一端相連 并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+ ；
控制開關(guān)由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT，E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL ；
恒壓電路由 R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的 SP6650配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V，RlO的另一端與C3的另一端、Rll的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的負端、P5的PGND、P5的GND相連并接到地。本發(fā)明具備以下優(yōu)點
① 本發(fā)明采用手機鋰電池充電管理芯片實現(xiàn)對兩節(jié)超級電容串聯(lián)兩端電壓的限制，根據(jù)
GSM模塊VBAT輸入電壓范圍要求，控制其充電電壓在4. 2V。而這種充電管理芯片不僅出貨量大，而且售價低。② 本發(fā)明采用電壓比較器和MOSFET來實現(xiàn)兩節(jié)超級電容串聯(lián)時的平衡充電電路，根據(jù)物
機對兩節(jié)超級電容串聯(lián)兩端充電電壓限制在4. 2V，我們可以選擇定電壓的比較器，不僅精度高，而且價格也好。③本發(fā)明采用MOSFET實現(xiàn)物機在選擇電源或超級電容供電的自動切換，為微處理器提供
3.3V不間斷電源，通過微處理器控制給GSM模塊VBAT提供3. 6-4. 2V的電源，電源供電時為4. 2V，超級電容供電時為3. 6-4. 2V。④本發(fā)明采用微處理器控制GSM模塊VBAT的目的是當微處理器檢測到GSM模塊
異常，
熱啟動不能成功時，可以通過控制GSM模塊VBAT的下電和上電，實現(xiàn)GSM模塊的冷啟動，確保物機工作正常。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不限制于本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于包括電源系統(tǒng)、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路； 電源系統(tǒng)為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態(tài)信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態(tài)信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)現(xiàn)GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的電源系統(tǒng)包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路、降壓電路、選擇電路； 外接電源通過電源端子輸入到電源適配模塊，電源適配模塊輸出穩(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)測電路、復(fù)位電路和降壓電路；超級電容管理模塊向微處理器、三極管隔離電路和選擇電路提供不間斷的恒壓電源3. 3V，通過微處理器控制輸出滿足GSM模塊和三極管隔離電路所需的VBAT3. 6-4. 2V ；電壓監(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)到微處理器；復(fù)位電路根據(jù)電源適配模塊的輸出產(chǎn)生微處理器的復(fù)位信號；降壓電路在電源適配模塊輸出時提供恒壓電源3. 3V給選擇電路；選擇電路通過微處理器控制選擇不間斷的恒壓電源3. 3V或恒壓電源3. 3V作為485模塊、Zugbee模塊和WIFI模塊的電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的485模塊由光電隔離電路、DC/DC隔離電路、485芯片、接口、485端子組成，選擇電路輸出的電源與DC/DC隔離電路的輸入和光電隔離電路相連；DC/DC隔離電路的輸出與光電隔離電路、485芯片和接口相連；光電隔離電路的信號輸入與微處理器相連，光電隔離電路的信號輸出與485芯片的信號輸入相連；485芯片的輸出與接口的輸入相連；接口的輸出與485端子相連，485端子與地相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的超級電容管理模塊，包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關(guān)、恒壓電路； 5V與充電電路、穩(wěn)壓電路和自動切換模塊相連，充電電路的輸出與平衡電路相連，平衡電路的輸出與超級電容和自動切換模塊相連；穩(wěn)壓電路的輸出與控制開關(guān)、恒壓電路和自動切換模塊相連；控制開關(guān)的輸出VBAT是受控制的；恒壓電路輸出恒定的3. 3V。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與P3的VCC相連并接到+5V，E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的平衡電路由 P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16 組成，BAT+連接到 P7 的 S、R13 的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN，P6的OUT連到P7的G、R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的穩(wěn)壓電路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3組成，El的正端與Pl的IN和EN相連并接到+5V，P1的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7的一端相連并接到+5V, R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的控 制開關(guān)由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT，E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其特征在于所述的恒壓電路由 R8、R9、C2、E6、P5、L、RIO、C3、Rll、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的 SP6650 配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V，RlO的另一端與C3的另一端、RlI的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的負端、P5的PGND, P5的GND相連并接到地。
全文摘要
一種超級電容作為儲能介質(zhì)的物機，其電源系統(tǒng)為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態(tài)信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態(tài)信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)現(xiàn)GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。
文檔編號H02J15/00GK102832680SQ201210376459
公開日2012年12月19日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者劉鎮(zhèn)陽, 李文鋒, 許建華, 陸敬筠, 王養(yǎng)森, 孫偉, 王偉, 劉辰成, 劉德田 申請人:南京覓丹電子信息有限公司