独立式反馈监测装置的放电管理电路论文和设计-胡进

全文摘要

本实用新型公开了独立式反馈监测装置的放电管理电路，包括输入端、输出端，输入端与超级电容相连，输出端与隔离二极管D11相连；还包括单片机处理器U41、电容C41、电容C42、电容C43、电感L41、电感L42、二极管D41、开关Q41、电阻R41、电阻R42；本实用新型提供了为超级电容放电的独立式反馈监测装置的放电管理电路。

主设计要求

1.独立式反馈监测装置的放电管理电路，其特征在于：包括输入端、输出端，输入端与超级电容相连，输出端与隔离二极管D11相连；还包括单片机处理器U41、电容C41、电容C42、电容C43、电感L41、电感L42、二极管D41、开关Q41、电阻R41、电阻R42；其中，电容C41的两端作为输入端，电容C41的一端与输入端的正极、电感L41的一端、单片机处理器U41的一端连接；电感L41的另一端与开关Q41的一端、电容C42的一端连接；电容C42的另一端与电感L42的一端、二极管D41的阳极连接；二极管D41的阴极与限流电阻R41的一端、电容C43的一端连接；电阻R41的另一端与单片机处理器U41、电阻R42的一端连接；电容C41的另一端与输入端的阴极、开关Q41的另一端、电感L42的另一端、电容C43的另一端连接，并作为输出端的阴极；二极管D41的阴极作为输出的阳极。

设计方案

2.根据权利要求1所述的独立式反馈监测装置的放电管理电路，其特征在于：输入端的V4in+、V4in-分别与超级电容的正负极相连，输出端的V4out+与隔离二极管D11的阳极相连，输出端的V4out-与控制模块和通信模块的接地相连。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，更具体的说，它涉及独立式反馈监测装置的放电管理电路。

背景技术

物联网的发展促进了智能化控制的应用。在大量应用中，物联网至少包括一个控制端和若干个终端设备。常见的控制端为手机、服务器、电脑、手持机等设备及其配套软件，常见的终端设备如传感器或者控制器，它们之间的通信常常采用有线、无线或者电力线载波等通信方式。很多应用中终端设备采用电网供电，如照明系统中远程路灯控制器、交通信号的远程控制器、工业设备远程传感器、远程视屏监控设备等。

在有大规模终端的物联网应用中 ,在正常使用条件下，一般设备不会突然大规模损坏，那么当市电线路断电的时候终端设备如果不能及时将状态信息告知控制端，则控制端一般会认为终端设备状态至少有两种可能性：一种是市电线路断电，另一种是通信异常。在不增加其他判断条件的情况下，要可靠的区分这两种可能性非常困难，但是如果不做处理，物联网系统的整体性能又会受到很大影响。

为了解决这一问题，一个简单的办法是终端的供电电路里增加储能装置，在市电线路有电的情况下对储能装置进行充电，当市电线路断电的情况下利用储能装置对终端设备供电，使得终端设备仍然能与控制端通信，至少保证能将线路断电的状态告知控制端。

在这种情况下，储能装置用电池或者超级电容是常见的方案。但是电池在很多应用中存在寿命问题，特别是户外的应用场合，如道路照明，由于每天有线路通断电来实现开关灯，故每天电池都会被充放电，而这会使得其寿命快速降低。因此超级电容看起来是避免寿命问题的更好方案。

然而当前的技术条件下，超级电容的能量密度低于锂电池等常见电池，为了储存同样的能量，体积和成本往往比较大。而这种物联网应用的终端，往往要求体积很小、成本很低。此时两者产生了矛盾。故市场上需要设计出合理的充放电管理方案，以及终端设备节电的用电策略，来缓解这一矛盾。

发明内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供了为超级电容放电的独立式反馈监测装置的放电管理电路。

本实用新型的技术方案如下：

独立式反馈监测装置的放电管理电路，包括输入端、输出端，输入端与超级电容相连，输出端与隔离二极管D11相连；还包括单片机处理器U41、电容C41、电容C42、电容C43、电感L41、电感L42、二极管D41、开关Q41、电阻R41、电阻R42；其中，电容C41的两端作为输入端，电容C41的一端与输入端的正极、电感L41的一端、单片机处理器U41的一端连接；电感L41的另一端与开关Q41的一端、电容C42的一端连接；电容C42的另一端与电感L42的一端、二极管D41的阳极连接；二极管D41的阴极与限流电阻R41的一端、电容C43的一端连接；电阻R41的另一端与单片机处理器U41、电阻R42的一端连接；电容C41的另一端与输入端的阴极、开关Q41的另一端、电感L42的另一端、电容C43的另一端连接，并作为输出端的阴极；二极管D41的阴极作为输出的阳极。

进一步的，输入端的V4in+、V4in-分别与超级电容的正负极相连，输出端的V4out+与隔离二极管D11的阳极相连，输出端的V4out-与控制模块和通信模块的接地相连。

本实用新型采用了简单电路结构，在市电断电的情况下，让超级电容为控制模块和通讯模块进行供电，使模块上报市电异常信息到服务器。超级电容在释放能量时电压会逐渐降低，本方案专门的放电管理电路保证了超级电容电压逐渐降低时为控制模块和通信模块供电电压的稳定性。本实用新型的适用性广，成本低，容易推广使用。

附图说明

图1为本发明装置电路原理图；

图2为本发明的充电管理模块的电路图；

图3为本发明的另一种充电管理模块的电路图；

图4为本发明的放电管理模块的电路图；

图5为本发明的超级电容快速放电的电路图；

图6为本发明的超级电容快速放电的一种策略流程图；

图7为本发明的超级电容快速放电的另一种策略流程图；

图8为本发明的控制接口电路模块的具体电路图；

图9为本发明的功率控制流程图；

图10为常见的三种调光曲线图；

图11为本发明的写入ID号法流程图；

图12为本发明设备生成伪随机数法流程图；

图13为本发明的服务器生成随机数流程图；

图14为本发明的RC电路随机数生成法电路图；

图15为本发明的电压随机数生成法电路图；

图16为本发明的电流随机数生成法电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

如图4所示，独立式反馈监测装置的放电管理电路，主要功能是装置在市电断电的情况下，让超级电容为控制模块和通讯模块进行供电，使模块上报市电异常信息到服务器。超级电容在释放能量时电压会逐渐降低，专门的放电管理电路保证了超级电容电压逐渐降低时为控制模块和通信模块供电电压的稳定性。

该电路的V4in+和V4in-与超级电容的正负极相连。V4out+与隔离二极管D11的阳极相连。V4out-与控制模块和通信模块的接地相连。其包括单片机处理器U41、电容C41、电容C42、电容C43、电感L41、电感L42、二极管D41、开关Q41、电阻R41、电阻R42。其中，电容C41的两端作为输入端，电容C41的一端与输入端的正极、电感L41的一端、单片机处理器U41的一端连接；电感L41的另一端与开关Q41的一端、电容C42的一端连接；电容C42的另一端与电感L42的一端、二极管D41的阳极连接；二极管D41的阴极与限流电阻R41的一端、电容C43的一端连接；电阻R41的另一端与单片机处理器U41、电阻R42的一端连接；电容C41的另一端与输入端的阴极、开关Q41的另一端、电感L42的另一端、电容C43的另一端连接，并作为输出端的阴极。二极管D41的阴极作为输出的阳极。

实施例2：

如图1至图16所示，独立式反馈监测装置，包括输入模块、输出模块、计量监测模块、充电管理模块、放电管理模块、超级电容快速放电模块、通信模块、控制接口模块、控制模块、电源模块、超级电容、二极管D11、二极管D12、放电电阻R11。

输入模块用以连接电源，接入市电。

输出模块用以连接负载，即连接需要监测、控制的各种设备。

控制接口模块对外输出数字信号或模拟信号，例如0-10V信号、PWM信号等。

通信模块用以信号传输，通过天线进行无线信号传输。

充电管理电路模块用以为超级电容充电。

放电管理电路模块用以超级电容放电管理。

超级电容快速放电模块用以超级电容能量的快速释放。

计量监测模块用以采集市电信息，并通过处理得到电压、电流、功率、功率因数和用电量等信息。计量监测模块中的电流采样模块串联于输出模块的L线上，电压采样模块并联于输入模块的L线和N线上，信号处理模块和控制模块连接用于信息交换。

电源模块采用AC\/DC电源模块，用以装置在市电下正常工作时，给计量监测模块、控制模块、通信模块进行供电，并通过充电管理电路为超级电容充电。

超级电容C11用于能量储存，相比其他储能器件，寿命更长。

二极管D11和二极管D12用于隔离电源模块和放电管理模块的输出电压。

控制模块与计量监测模块、通信模块、控制接口模块、超级电容快速放电模块相连。

输入模块与计量监测模块连接，计量监测模块包括电流采样模块、电压采样模块和信息处理模块，电流采样模块的输入端与输入模块的火线连接，电压采样模块的两个输入端与输入模块的火线、零线连接，电流采样模块的输出端与信息处理模块的输入端、控制开关K11的一端连接，电压采样的输出端与信息处理模块的输入端连接，信息处理模块的输出端与控制模块连接；输出模块的火线与控制开关K11的另一端连接，控制开关K11的第三个端口与控制模块连接。输入模块的零线与输出模块的零线连接。

电源模块与输入模块、计量监测模块、控制模块、掉电上报模块连接。其中掉电上报模块包括充电模块、放电模块、超级电容、超级电容管理模块、二极管和负载电阻R11。二极管包括第一二极管D11、第二二极管D12。充电模块与超级电容的两端连接，并与放电模块超级电容管理模块连接，超级电容管理模块连接负载电阻。充电模块和电源模块的连接处与第二二极管D12的阳极连接，第二二极管D12的阴极与第一二极管D11的阴极、控制电路和通信电路连接，第二二极管的阳极与放电模块连接，放电模块上连接电容C12。其中,采用超级电容作为储能是因为其使用寿命长于其它元器件。负载电阻R11，用以放电时的快速放电，主要便于生产后、用于快速监测设备本身是否合格。

如图2所示，独立式反馈监测装置的充电管理电路。其V2in+和V2in-与电源模块的输出端正负极相连，V2out+和V2out-与超级电容的正负极相连。

其还包括单片机处理器U21、电容C21、电容C22、电容C23、电感L21、电感L22、二极管D21、开关Q21、电阻R22、电阻R23、限流电阻R21。其中，电容C21的两端作为输入端，电容C21的一端与输入端的正极、电感L21的一端、单片机处理器U21的一端连接；电感L21的另一端与开关Q21的一端、电容C22的一端连接；电容C22的另一端与电感L22的一端、二极管D21的阳极连接；二极管D21的阴极与限流电阻R21的一端、电容C23的一端、电阻R22的一端连接；电阻R22的另一端与单片机处理器U21、电阻R23的一端连接；电容C21的另一端与输入端的阴极、开关Q21的另一端、电感L22的另一端、电容C23的另一端连接，并作为输出端的阴极。限流电阻R21的另一端作为输出的阳极。

电阻R21的作用是避免在为超级电容充电时电流过大损坏二极管D21。起限流作用。

如图3所示，为充电管理的另一种电路，采用了电流反馈和电压反馈的控制方式。其与图2方案可以相互替换。

其具体包括充电模块的反馈控制模块、电容C31、电容C32、电容C33、电感L31、电感L32、二极管D31、开关Q31、采样电阻R31。其中，电容C31的两端作为输入端，电容C31的一端与输入端的正极、电感L31的一端、反馈控制模块的一端连接；电感L31的另一端与开关Q31的一端、电容C32的一端连接；电容C32的另一端与电感L32的一端、二极管D31的阳极连接；二极管D31的阴极与电容C33的一端、电阻R32的一端连接；电阻R32的另一端与反馈控制模块、电阻R33的一端连接；电容C31的另一端与输入端的阴极、开关Q31的另一端、电感L32的另一端、电容C33的另一端、采样电阻R31的一端连接，采样电阻R31的另一端与反馈控制模块的一端一起作为输出端的阴极。电容C33的一端作为输出的阳极。

其中，反馈控制模块由一个单片机处理器、两个运算放大器、11个电阻、两个电容、两个二极管和光电耦合器。单片机处理器U31、运算放大器U32、运算放大器U33；11个电阻分别为电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R310、电阻R311、电阻R312；两个电容包括电容C34、电容C35；两个二极管分别为二极管D32、二极管D33。

单片机处理器U31与电阻R312的一端、光电耦合器、电阻R310的一端、电阻R311的一端、电阻R36的一端、电阻R37的一端连接；电阻R312的另一端与光电耦合器连接，光电耦合器的一端与二极管D32的阳极、二极管D33的阳极连接；二极管D32的阴极与电容C34的一端、运算放大器U32连接；电容C34的另一端与电阻R35的一端连接；电阻R35的另一端与电阻R34的一端、运算放大器U32连接，电阻R34的另一端与电阻R32的另一端、电阻R33的一端连接；运算放大器U32的其中一端与电阻R36的另一端连接。二极管D33的阴极与电容C35的一端、运算放大器U33连接；电容C35的另一端与电阻R39的一端连接；电阻R39的另一端与电阻R38的一端、运算放大器U33连接，电阻R38的另一端与电阻R31的一端相连；运算放大器U33的其中一端与电阻R310的另一端连接，电阻R311的另一端接地。

图4为放电管理电路图，此电路的主要功能是装置在市电断电的情况下，让超级电容为控制模块和通讯模块进行供电，使模块上报市电异常信息到服务器。超级电容在释放能量时电压会逐渐降低，专门的放电管理电路保证了超级电容电压逐渐降低时为控制模块和通信模块供电电压的稳定性。

该电路的V4in+和V4in-与超级电容的正负极相连。V4out+与隔离二极管D11的阳极相连。V4out-与控制模块和通信模块的接地相连。

其包括单片机处理器U41、电容C41、电容C42、电容C43、电感L41、电感L42、二极管D41、开关Q41、电阻R41、电阻R42。其中，电容C41的两端作为输入端，电容C41的一端与输入端的正极、电感L41的一端、单片机处理器U41的一端连接；电感L41的另一端与开关Q41的一端、电容C42的一端连接；电容C42的另一端与电感L42的一端、二极管D41的阳极连接；二极管D41的阴极与限流电阻R41的一端、电容C43的一端连接；电阻R41的另一端与单片机处理器U41、电阻R42的一端连接；电容C41的另一端与输入端的阴极、开关Q41的另一端、电感L42的另一端、电容C43的另一端连接，并作为输出端的阴极。二极管D41的阴极作为输出的阳极。

如图5所示为超级电容快速放电电路，其目的是为了装置程序升级或生产维修时需要将超级电容的电量快速释放。具体还包括超级电容C11、负载电阻R11、开关Q51（采用继电器、MOS管或三极管等）；当单片机处理器U51收到需要放电的指令时，控制Q51闭合，此时超级电容就通过负载电阻R11释放能量。图5中的V5in+和V5in-与超级电容C11的正负极相连,V5out+和V5out-与负载电阻R11两端相连。

超级电容快速放电具体执行方法如下：具体操作流程如图6所示，电路为图1中的控制模块、控制接口模块、图5电路和图8电路，当图1中控制接口模块的输出端发生短路时，单片机处理器U81会检测到接口电路短路状态，并将此信息反馈至控制电路模块，此时的单片机处理器U51接收到此信息开始执行放电指令。

超级电容快速放电另一种具体执行方法如下：利用自制设备给装置周期性上电、断电的方式进行放电控制。控制流程如图7,电路为图1中的输入模块、电源模块、控制电路模块（其中包括计时器、计数器）和图5电路。当生产维修维护装置时，装置输入端接周期性（例如:上电5S、断电5S）供电（采用直流低压）电压，此时控制模块检测到AC\/DC模块的电压信号。控制电路模块中的计时器分别计时上电时间和断电时间，用于判断外加信号是否正常，当计时器的值达到设定值（可设置为10次）时，触发计数器，开始对上断电次数进行计数，当计数值达到设定值时，则判定为需要执行放电指令，此时单片机处理器U51关闭开关Q51开始对超级电容进行快速放电。

如图8所示为控制接口模块的具体电路图，此功能主要是针对负载设备为有调光方式的LED控制装置、电子镇流器等设备。其输出可以产生两种信号一种是模拟信号0-10V,一种是数字信号PWM。通过装置自身判断负载设备的调光方式，来选择匹配的控制信号。三极管Q81用以控制数字信号PWM波的输出，三极管Q82用以控制模拟信号0-10V的输出。运算放大器U82用以信号的放大，运算放大器U83用以信号的缓冲输出。

其包括九个电阻、一个电容、两个三极管、一个单片机处理器和两个运算放大器；其中单片机处理器U81其中三个引脚分别与电阻R81的一端、电阻R82的一端、电阻R83的一端、电阻R84的一端连接，电阻R83与电阻R82连接同一个引脚；电阻R81的另一端、电阻R82的另一端分别与三极管Q81的基极、发射极连接；电阻R83的另一端与电容C81的一端、三极管Q82的发射极连接，电阻R84的一端与三极管Q82的基极连接；三极管Q81的集电极、三极管Q82的集电极与电阻R85的一端连接，电阻R85的另一端与运算放大器U82的正极引脚连接；运算放大器U82的负极引脚与电阻R86的一端、电阻R87的一端连接；电阻R87的另一端与运算放大器U82的一个引脚、运算放大器U83的正极引脚连接；运算放大器U83的负极引脚与运算放大器U82的输出引脚、电阻R88的一端、电阻R89的一端连接；电阻R88的另一端、电阻R89的另一端分别作为外接口的连接点。

如图9所示为功率控制流程图。此功能主要是针对负载设备为有调光方式的LED控制装置、电子镇流器等需要功率调节的设备。

目前市面上的LED控制装置\/电子镇流器调功率方式主要有0-10V、1-10V、PWM三种方式。LED控制装置\/电子镇流器调光接口外接具有调光信号的装置来调节其输出电流实现功率调节。例如，同一条道路上所装的LED控制装置的调光方式有三种，三种调光曲线如图10所示，那么在使用传统的路灯控制器执行统一调光命令时就会出现各个灯的功率出现很大偏差、道路光照不均匀等问题。

此部分电路为图1中的控制接口模块、控制模块、计量监测模块，其中控制接口模块与负载设备的调功率接口电路连接。当装置收到功率调整指令（该功率调整指令中包括需要负载运作的功率值）时，通过计量监测模块进行功率检测，并将检测到的负载设备的实际功率值发送到控制电路，控制电路将检测值和目标值作对比，当检测值等于目标值时，则不进行功率调整动作，直接在存储器中写入该功率值。当检测值不等于目标值时，控制电路控制接口电路使其通过改变0-10V电压或PWM来调节负载设备的功率，直到功率达到目标值，将最终的功率值写入到存储器中。

随机数产生机制，如NB-loT是现在发展最快的一个物联网传输方式，他支持大面积应用，但不支持同时在线，或者实时性很强的应用场景，如果同时有大量NB-loT的设备给服务器发送数据，会引起服务器阻塞，或者引起网路阻塞，甚至设备可能会被列入黑名单，引起整个系统的不稳定，造成误判异常判断等。如何解决并发数的问题，在大多数常见的应用场景中，为了减少，降低设备的功耗，一般会采用由NB-loT的设备主动向上发信息给服务器，但是很难协调控制NB-loT设备进行信息的发送。比如在同一个局域网内，有很多NB-loT的设备（以独立式反馈监测装置为例），如果这个局域网内断电了，这些NB-loT的设备几乎会在同一时刻检测到，都会往上发，很大概率出现阻塞的问题，从而导致重发次数加大，而网络设备的阻塞，又很有可能引起设备误判，而会认为是黑名单。

采用随机数机制，让每个NB-loT设备对同一事件上报服务器时，通过自身的随机数，产生一个随机延，通过这样的办法减少在同一时间、同一事件下并发数。如何产生随机数，具体方法包括编写ID号法、设备生成伪随机数法、服务器生成随机数法和电路随机数生成法。具体如图11至图16所示。

编写ID号法具体如下：按照ID编码方法，为不同批次的各个产品编写唯一的ID号。图1控制电路中还包括存储模块，设备在生产时，为每个设备写入唯一的ID号，存储在存储模块中。写入的步骤如图11所示，只有写入成功时，才会停止写入，否则会一致提示相应未成功信息。

设备生成伪随机数法具体如下：每个设备在出厂前，存入一个伪随机数，就是出厂前由电脑产生的一个固定的随机数，该随机数与ID号没有关系，并将其同样存在存储模块里。

服务器生成随机数法具体如下：由设备所在服务器分配，即由服务器根据设备所在区域，统一分配随机数，都将该信息存在存储模块里。

电路随机数生成法包括RC电路随机数生成法、电压随机数生成法和采电流随机数生成法。

RC电路随机数生成法具体如下。如图14所示，控制电路与存储电路、电阻R141、电容C141连接。由于电阻值、电容值都服从正态分布，所以不同设备RC电路中电容上的电压具有离散性。

当3.3V电压加在R141和C141电路上时，控制电路开始采样电容C141上的电压并按毫秒计时，当C141上的电压达到设定的2.5V时，控制电路将达到2.5V所需要的时间扩大百倍或千倍作为最终随机数存入存储电路。

电压随机数生成法。具体电路见图15所示，将3.3V或者5V加在电阻R141和电阻R152组成的分压电路上，由于电阻值的离散性和施加电压的离散性，R152上的电压具有离散性。控制电路则把电阻R151和电阻R152形成的离散型电压数据采集回来，扩大百倍或千倍，作为随机数存入到存储电路中。

电流随机数生成法，具体电路见图16所示，电路主要由输入电路、输出电路、计量监测电路、控制电路、存储电路组成。由于市电电压的离散性，且各个装置所带负载的差异，每个设备上的市电电流的离散性很大。通过计量监测模块，测量每台设备上的市电电流值，并传送到控制电路，控制电路将该电流值乘以系数，作为随机数存储到存储电路中。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。

设计图

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