專利名稱：深海電源管理控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深海調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、觀測設(shè)備的改進(jìn)，具體講是一種深海電源管理控制裝置，其利用低功耗單片機(jī)的可編程和控制能力，對(duì)水下電源采用動(dòng)態(tài)管理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)延長水下觀測系統(tǒng)的長期觀測時(shí)間和電池壽命目標(biāo)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，在進(jìn)行海底及水下物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)探測任務(wù)時(shí)，需要依靠長期水下無人觀測系統(tǒng)來獲取時(shí)海底空域內(nèi)的連續(xù)觀測資料。這就需要水下長期無人觀測系統(tǒng)具備長期的連續(xù)工作能力。水下長期無人觀測系統(tǒng)上的所有傳感器及儀器設(shè)備均需要水下電源的支持才能進(jìn)行工作。因此水下電源系統(tǒng)的供電能力決定了觀測系統(tǒng)在水下工作時(shí)間的長短。可是水下觀察設(shè)備需要在調(diào)查船上進(jìn)行投放和回收，因此對(duì)水下觀察設(shè)備的重量和體積有嚴(yán)格的要求。譬如，調(diào)查船的甲板作業(yè)設(shè)備的工作空間有限，對(duì)所操作的儀器設(shè)備的高度和寬度有嚴(yán)格要求，否則無法在甲板對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行投放和回收操作；其次如果觀測系統(tǒng)重量大，無疑增加了回收浮體的數(shù)量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體的體積增加。因此，如何在不增加體積和重量的前提下有效的提高水下電源的供電能力，增加水下觀測儀器設(shè)備的長期不間斷工作時(shí)間是水下長期無人自動(dòng)觀測設(shè)備面臨的重大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)的研究表明由于所有一次性或二次性電化學(xué)電池都具有如下特性(1)電池的容量取決于放電電流；(2)電池放電后停止工作一端時(shí)間，電池可產(chǎn)生自我充電效應(yīng)。因此可以根據(jù)傳感器和觀測儀器的工作時(shí)間，合理地安排電池的供電和休眠時(shí)間，挖掘電池自我充電能力，即可延長電池的使用時(shí)間和壽命，又減少了不必要的能源損耗。因?yàn)?，在?shí)際水下觀測應(yīng)用中，各傳感器基本的工作模式是周期性間斷的，譬如化學(xué)傳感器測量每隔半小時(shí)工作一次，海流測量儀每隔1小時(shí)工作10分鐘等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種深海電源管理控制裝置，其要通過對(duì)水下供電系統(tǒng)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理控制技術(shù)，提高水下電源的供電能力和電池壽命，減少不必要的能源損耗，在不增加電池組的情況下，有效的提高了水下觀測系統(tǒng)觀測時(shí)間。
本發(fā)明是要通過對(duì)電源進(jìn)行電源動(dòng)態(tài)管理方法而達(dá)到提高電源的供電能力。該方法是根據(jù)理論研究資料和長期實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的基礎(chǔ)上建立起來的。因此，在傳感器不工作時(shí)利用本發(fā)明將傳感器電源關(guān)閉，在下一個(gè)采樣周期開始前再開始供電。其次，由于水下長期觀測系統(tǒng)的電池是由一系列電池組并聯(lián)而成，可以根據(jù)系統(tǒng)的供電需求將圓并聯(lián)在一起的電池組分為幾個(gè)單組供電系統(tǒng)。通過對(duì)各電池組和負(fù)載的電壓和電流變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整供電順序，實(shí)現(xiàn)各組電池系統(tǒng)的輪流循環(huán)性開路/閉路控制。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明研制了一種深海電源管理控制裝置，其包括循環(huán)供電的諸電池組，諸該電池組各自連接有開/關(guān)執(zhí)行器。諸該執(zhí)行器通過具有解碼器功能的74LS273芯片構(gòu)成的八通道并行數(shù)字?jǐn)U展接口，電連接于數(shù)字控制電路的輸出端；所述的該數(shù)字控制電路是以可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，通過單片機(jī)的時(shí)序管理程序與獨(dú)立的、自帶備鋰電池的時(shí)鐘電路相連接，該單片機(jī)控制系統(tǒng)利用其時(shí)序管理程序與時(shí)鐘電路提供的時(shí)間信息，并通過該數(shù)字?jǐn)U展接口對(duì)諸該執(zhí)行器進(jìn)行控制，既利用基于單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測控制電路和時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集器和傳感器的供電時(shí)間及周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理；該單片機(jī)還與芯片MAX197連接，并與其構(gòu)成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，該轉(zhuǎn)換接口還與諸該電池組分別連接，從而對(duì)諸該電池組的電壓和電流進(jìn)行測量；該單片機(jī)還通過芯片MAX232構(gòu)成的通訊接口與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
所述的可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)，其包括80C51為核心的單片機(jī)，與該單片機(jī)分別連接的程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，大容量的數(shù)據(jù)保存電路和工作控制電路、驅(qū)動(dòng)電路。
所述的單片機(jī)控制系統(tǒng)及其大容量的數(shù)據(jù)保存電路，其是由該單片機(jī)通過數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片62256而構(gòu)成具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的大容量數(shù)據(jù)保存電路。
所述的單片機(jī)控制系統(tǒng)及其程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，其包括具有電池時(shí)序管理程序的單片機(jī)，單片機(jī)總線上的時(shí)鐘電路DS12887芯片和由兼有看門狗定時(shí)器、復(fù)位定時(shí)器和EEPROM三種功能的、自帶備鋰電池的x25045芯片組成。
所述的工作控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，其由EPM7032可編程器件構(gòu)成。
所述的開/關(guān)執(zhí)行器，或?yàn)槔^電器，或?yàn)榭煽毓杵骷?br> 本發(fā)明的積極效果在于由于采用時(shí)鐘芯片DS12887給系統(tǒng)提供時(shí)鐘，使得本發(fā)明裝置可以及時(shí)地獲得所需要的時(shí)間信息，來判斷在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行繼電器開關(guān)的控制。因此單片機(jī)每秒從時(shí)鐘芯片那里獲得時(shí)間信息，利用時(shí)間對(duì)通過數(shù)字接口對(duì)繼電器進(jìn)行控制。為保證在數(shù)據(jù)在傳輸和接收中具有可靠的歷史記錄，數(shù)據(jù)通訊模塊中采用了62256的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片。由于利用芯片MAX197和單片機(jī)構(gòu)成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，對(duì)電池組的電壓和電流進(jìn)行測量。由于上述異步通訊芯片、時(shí)鐘芯片、以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片都通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在設(shè)計(jì)中采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，利用可編程芯片EPM7032產(chǎn)生的片選信號(hào)來進(jìn)行各芯片工作的協(xié)調(diào)，使它們可以共享數(shù)據(jù)和地址總線。由于采用的芯片MAX232提供了標(biāo)準(zhǔn)的串行接口電平，使單片機(jī)和外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
本發(fā)明為了保證單片機(jī)控制部分本身的可靠性，系統(tǒng)中增加了X25045器件。該X25045芯片兼有看門狗定時(shí)器、復(fù)位定時(shí)器和EEPROM三種功能。其中看門狗定時(shí)器對(duì)微處理器——單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，其中的RESET可做出響應(yīng)，使微處理器——單片機(jī)重新啟動(dòng)工作。
本發(fā)明的深海電源管理控制裝置在投放前，先將計(jì)算機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)串行口與單片機(jī)系統(tǒng)上的串行口連接，進(jìn)行傳感器采樣間隔的供電時(shí)間參數(shù)設(shè)置、供電電池組的供電時(shí)序設(shè)置、最低供電電壓極限設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明裝置的實(shí)際應(yīng)用證明，一臺(tái)深海海流剖面儀，其功耗為400mWh，采用1kWh的電池對(duì)其供電。該深海海流剖面儀每小時(shí)工作一次，即采樣間隔為1小時(shí)，每次工作時(shí)間為10分鐘。在不進(jìn)行電源能量控制時(shí)，理論上講，電池可保證深海海流剖面儀工作2500小時(shí)，即104天。如果采用本發(fā)明的裝置根據(jù)深海海流剖面儀的采樣間隔進(jìn)行控制，同樣的電池可保證深海海流剖面儀工作時(shí)間為15000小時(shí)，即625天。由于實(shí)現(xiàn)了電池放電后，停止工作一段時(shí)間的結(jié)果。這樣使電池可產(chǎn)生自我充電效應(yīng)，而使電池的供電能力可提高10％。因此采用本發(fā)明的裝置，可以根據(jù)傳感器和觀測儀器的工作時(shí)間，合理的安排電池的供電和休眠時(shí)間，挖掘電池自我充電能力，延長電池的使用時(shí)間和壽命，減少了不必要的能源損耗。本發(fā)明的裝置通過對(duì)水下供電系統(tǒng)實(shí)行動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)，極大地提高水下電源的供電能力。在不增加電池組的情況下，有效的提高了水下觀測系統(tǒng)觀測時(shí)間。同時(shí)，由于對(duì)電池的電壓和電流的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，避免了電池的過放電引起的電池壽命降低等現(xiàn)象。
總之，本發(fā)明的特點(diǎn)是投資小，使用簡便、應(yīng)用范圍廣泛，控制方法靈活，可滿足不同工作條件下的電源管理工作，因此特別適于深海水下長期觀測設(shè)備。
附圖及其具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明如下

圖1為本深海電源管理控制裝置的水下應(yīng)用實(shí)例示意方框圖。
圖2為本深海電源管理控制裝置的實(shí)際應(yīng)用電路圖。
參見圖1，2制成的一種深海電源管理控制裝置，其包括循環(huán)供電的諸電池組7，諸該電池組7各自連接有開/關(guān)執(zhí)行器1。諸該執(zhí)行器1通過具有解碼器功能的74LS273芯片構(gòu)成的八通道并行數(shù)字?jǐn)U展接口8，電連接于數(shù)字控制電路3的輸出端；所述的該數(shù)字控制電路3是以可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，通過單片機(jī)3′的時(shí)序管理程序與獨(dú)立的、自帶備鋰電池的時(shí)鐘電路4相連接，該單片機(jī)控制系統(tǒng)利用其時(shí)序管理程序與時(shí)鐘電路4提供的時(shí)間信息，并通過該數(shù)字?jǐn)U展接口8對(duì)諸該執(zhí)行器1進(jìn)行控制，既利用基于單片機(jī)3′系統(tǒng)的監(jiān)測控制電路和時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集器和傳感器的供電時(shí)間及周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理；該單片機(jī)3′還與芯片MAX197連接，并與其構(gòu)成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口6，該轉(zhuǎn)換接口6還與諸該電池組7分別連接，從而對(duì)諸該電池組7的電壓和電流進(jìn)行測量；該單片機(jī)3′還通過芯片MAX232構(gòu)成的通訊接口2與外部計(jì)算機(jī)9進(jìn)行通訊。
所述的可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)，其包括80C51為核心的單片機(jī)3′，與該單片機(jī)3′分別連接的程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，大容量的數(shù)據(jù)保存電路和工作控制電路、驅(qū)動(dòng)電路。
所述的單片機(jī)控制系統(tǒng)，其中該單片機(jī)3′還通過數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片62256作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，并通過芯片MAX232構(gòu)成通訊接口2與外部計(jì)算機(jī)9連接。
所述的程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，其包括具有電池時(shí)序管理程序的單片機(jī)3′，單片機(jī)3′總線上的時(shí)鐘電路4DS12887芯片和由兼有看門狗定時(shí)器、復(fù)位定時(shí)器和EEPROM三種功能的、自帶備鋰電池的x25045芯片組成。
所述的工作控制電路和驅(qū)動(dòng)電路5，其由EPM7032可編程器件構(gòu)成。
所述的開/關(guān)執(zhí)行器1，或?yàn)槔^電器，或?yàn)榭煽毓杵骷?br> 參見圖2本深海電源管理控制裝置的水下應(yīng)用實(shí)例。本控制裝置的控制部分是以80C51為核心的單片機(jī)3′。該數(shù)字控制電路3，以時(shí)鐘芯片DS12887構(gòu)成時(shí)鐘電路4，以x25045構(gòu)成程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，以74LS273芯片構(gòu)成一個(gè)八通道并行數(shù)字?jǐn)U展接口8，以存儲(chǔ)芯片62256構(gòu)成大容量的數(shù)據(jù)保存電路，以Altera公司的EPM7032可編程器件構(gòu)成系統(tǒng)接口協(xié)調(diào)的工作控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，以MAX197組成一個(gè)12位八通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口6。其中數(shù)據(jù)采集器10，觀測傳感器11，海流觀測儀器12。采用三組供電電源7.1，7.2和7.3。該數(shù)字控制電路3通過對(duì)兩組電源7.1，7.2和7.3的電壓和電流的進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)上述的電源動(dòng)態(tài)自動(dòng)管理方法，利用數(shù)字輸出/輸入控制電路3的數(shù)字控制線對(duì)固體繼電器1.1、1.2和1.3進(jìn)行開/關(guān)控制。三組供電電源的任務(wù)依賴固體繼電器1.1、1.2和1.3開、關(guān)狀態(tài)進(jìn)行。每次給觀測儀器供電只選用其電壓值為最高的一組電池，其他兩組者處于開路狀態(tài)，譬如，如果電池組7.2的電壓和電流測量值高于電池組7.1和7.3，固體繼電器1.2便接通，因此電池組7.2對(duì)儀器進(jìn)行供電，留給其他兩組電池7.1和7.3充裕時(shí)間進(jìn)行自我充電過程。下一個(gè)采樣任務(wù)開始時(shí)仍舊選用上述標(biāo)準(zhǔn)選用狀態(tài)最好的電池組進(jìn)行供電，如此循環(huán)下去直到三組電池組的電壓都小于固定設(shè)定的極限數(shù)值，將停止對(duì)儀器供電，以保護(hù)可充電電池組的過放電而引起的電池失效。
本發(fā)明的裝置需要時(shí)間信息以判斷在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行繼電器開關(guān)的控制。因此采用時(shí)鐘芯片DS12887給系統(tǒng)提供時(shí)鐘電路4，單片機(jī)3′每秒從時(shí)鐘芯片那里獲得時(shí)間信息，利用時(shí)間對(duì)通過數(shù)字接口8對(duì)繼電器1進(jìn)行控制。為保證在數(shù)據(jù)在傳輸和接收中具有可靠的歷史記錄，數(shù)據(jù)通訊模塊中采用了62256的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片。利用芯片MAX197和單片機(jī)3′構(gòu)成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口6，對(duì)電池組7.1，7.2和7.3的電壓和電流進(jìn)行測量。由于上述異步通訊芯片、時(shí)鐘芯片DS12887、以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片62256都通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在設(shè)計(jì)中采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，因此利用可編程芯片EPM7032產(chǎn)生的片選信號(hào)來進(jìn)行各芯片工作的協(xié)調(diào)，使它們可以共享數(shù)據(jù)和地址總線。通訊接口芯片MAX232提供了標(biāo)準(zhǔn)的串行接口電平，使單片機(jī)3′和外部計(jì)算機(jī)9進(jìn)行通訊。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都會(huì)理解，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)于上述實(shí)施例進(jìn)行修改，添加和替換都是可能的，其都沒有超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種深海電源管理控制裝置，其包括循環(huán)供電的諸電池組，諸該電池組各自連接有開/關(guān)執(zhí)行器，其特征在于諸該執(zhí)行器通過具有解碼器功能的74LS273芯片構(gòu)成的八通道并行數(shù)字?jǐn)U展接口，電連接于數(shù)字控制電路的輸出端；所述的該數(shù)字控制電路是以可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，通過單片機(jī)的時(shí)序管理程序與獨(dú)立的、自帶備鋰電池的時(shí)鐘電路相連接，該單片機(jī)控制系統(tǒng)利用其時(shí)序管理程序與時(shí)鐘電路提供的時(shí)間信息，并通過該數(shù)字?jǐn)U展接口對(duì)諸該執(zhí)行器進(jìn)行控制；該單片機(jī)還與芯片MAX197連接，并與其構(gòu)成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，該轉(zhuǎn)換接口還與諸該電池組分別連接，從而對(duì)諸該電池組的電壓和電流進(jìn)行測量；該單片機(jī)還通過芯片MAX232構(gòu)成的通訊接口與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所深海述電源管理控制裝置，其特征在于所述的可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)，其包括80C51為核心的單片機(jī)，與該單片機(jī)分別連接的程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，大容量的數(shù)據(jù)保存電路和工作控制電路、驅(qū)動(dòng)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述深海電源管理控制裝置，其特征在于所述的單片機(jī)控制系統(tǒng)及其大容量的數(shù)據(jù)保存電路，其是由該單片機(jī)通過數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM芯片62256而構(gòu)成具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的大容量數(shù)據(jù)保存電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述深海電源管理控制裝置，其特征在于所述的單片機(jī)控制系統(tǒng)及其程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，其包括具有電池時(shí)序管理程序的單片機(jī)，單片機(jī)總線上的時(shí)鐘電路DS12887芯片和由兼有看門狗定時(shí)器、復(fù)位定時(shí)器和EEPROM三種功能的、自帶備鋰電池的x25045芯片組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述深海電源管理控制裝置，其特征在于所述的工作控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，其由EPM7032可編程器件構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述深海電源管理控制裝置，其特征在于所述的開/關(guān)執(zhí)行器，或?yàn)槔^電器，或?yàn)榭煽毓杵骷?br> 全文摘要
本發(fā)明是一種深海電源管理控制裝置包括電池組，開/關(guān)執(zhí)行器。諸該執(zhí)行器通過具有解碼器功能的74LS273芯片構(gòu)成的八通道并行數(shù)字?jǐn)U展接口，電連接于數(shù)字控制電路的輸出端；該數(shù)字控制電路是以可編程單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，通過單片機(jī)的時(shí)序管理程序與自帶備鋰電池的時(shí)鐘電路相連接，該單片機(jī)控制系統(tǒng)通過該數(shù)字?jǐn)U展接口對(duì)諸該執(zhí)行器進(jìn)行控制，既利用基于單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測控制電路和時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集器和傳感器的供電時(shí)間及周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和實(shí)時(shí)控制，避免了電池的過放電引起的電池壽命降低等現(xiàn)象。本裝置投資小，使用簡便、應(yīng)用范圍廣泛，控制方法靈活，可滿足不同工作條件下的電源管理工作，因此特別適于深海水下長期觀測設(shè)備。
文檔編號(hào)G05B19/05GK1761121SQ20051004435
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者于新生, 安偉, 曹志敏, 張曉東 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)