超級電容斷電延時電源計算機監測系統設計

樊永霞

(石家莊科技工程職業學院，河北石家莊050800)

超級電容斷電延時電源計算機監測系統設計

樊永霞

(石家莊科技工程職業學院，河北石家莊050800)

作為供電系統的組成部分，電源是各種系統進行正常工作的重要保證。超級電容具有存儲容量大、質量輕、壽命長的特性，利用其電氣特性構成的斷電延時系統可以在發生斷電故障或電壓暫降故障時，為相應的系統提供延時電能供應，以保證系統的正常運行。為提高系統的可靠性，采用以無線傳感網為核心的計算機監測系統來檢測電網供電的基本情況。當出現電壓不穩定、斷電等情況時，由繼電器接通超級電容儲能元件為系統供電；當電網供電恢復正常時，由傳感器所采集的儲能器件中的電量等參數來決定超級電容器的工作狀況，以保證系統的可靠性和安全性。

斷電延時電源；超級電容；無線傳感網；計算機監測

電力電子技術的發展使各種精密儀器進入到國民生產的各個環節，這些精密儀器的正常工作離不開有效的電能支持。由于工作環境和工作特性的原因，電源的工作場合也是千差萬別，這對電源本身的質量提出了更高的要求。質量好、壽命長、可靠性高是電源性能的基本要求。近些年來，電源性能在各類科研人員的努力下不斷優化，實現了高轉換效率、高功率密度等指標[1]。但是由于整個用電系統及供電系統的復雜化，使得電源的可靠性成為用電方更為關注的課題，尤其在供電系統突然發生斷電和其他故障時，容易造成系統運行狀態的紊亂和丟失數據等問題。因此，為保證系統的安全運行，為關鍵設備設置不間斷電源(UPS)是一種必要的手段。但是在一些場合下，無法滿足安裝UPS的基本要求，因此就需要利用一些技術手段構造相應的儲能環節，給斷電提供延時保護。同時利用計算機技術對這一類儲能環節的參數進行有效監控，保證其工作的可靠性，以達到保護運行系統正常工作的目的。

1 斷電延時電源儲能環節選擇

隨著社會的不斷發展，人類對能源的需求呈現出高端性和多類化，這促使各種新材料電池得到了迅猛的發展，以鋰電池、太陽電池、燃料電池為代表的新型電池逐漸成為市場的主體。其中，鋰電池以其容量大、質量輕、無記憶效應等優點成為主力軍，但是，鋰電池充電時間長和易發生爆炸的缺點，阻礙了鋰電池的進一步發展。太陽電池和燃料電池具有清潔能源的優勢，但是，它們的輸出電壓和功率密度又相對較低。

超級電容是一種新型的電池形式，具有質量輕、存儲容量大、充電時間短、充電次數多和壽命長的優點，可提供大的瞬間電流，同時超級電容的安全性也較高，因此是一種優質的無源儲能電池。但是，超級電容也具有持續時間較短和內阻大的缺點。持續時間短使超級電容的續航能力差，而內阻大又導致超級電容很難應用到交流電的場合。因此，要想利用超級電容構建儲能電池，就要在實際應用中解決這兩個難題。

2 斷電延時電源設計

斷電延時電源的功能是當供電系統因故障斷電或電壓不穩時，能夠短時間維持用電系統的正常運行狀態，從而保證系統正常退出運行。

利用超級電容構建斷電延時電源，需要解決超級電容的兩個缺點。在本設計中，利用太陽電池作為超級電容的后備電源，利用控制電路來實現相應的控制，具體電路如圖1所示。

圖1 斷電延時電源原理

圖1中的延時電路由超級電容組件、太陽電池組、DC/DC變換模塊、充電電路構成，其中，超級電容作為主要的短時供電設備，太陽電池作為備用供電設備。當超級電容能力不足時，由太陽電池向系統供電。超級電容通過充電電路吸收來自于市電的供電，當市電供電問題時間較長時，由太陽電池向超級電容充電。整個系統由DC/DC變換模塊實現電壓的轉換，將輸入的電壓轉變為設備需要的電壓。

3 充電電路分析

本設計中，充電電路是一個設計重點。它要滿足來自于市電和太陽電池的兩種不同的輸入方式，同時又要對充電過程進行有效管理，因此，采用TI公司的充電芯片UC309來實現充電參數的設置和跟蹤。具體設置如表1所示。

表1 充電電路參數設置

智能控制芯片UC3909中包含平均電流型PWM控制電路，可產生充電狀態邏輯電平，具有欠壓保護、充電狀態控制、溫度補償等功能，還可根據電池的實際狀態實現涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段的合理分配，而這四個階段由智能控制芯片自動控制。

4 監測系統設計

為了提高整個電池組的工作效率和安全性，本設計為整個以超級電容為主體的斷電延時電源增加了計算機監測系統。該系統分為兩層：第一層是底層數據采集層，采集電池組的溫度、濕度、電量、電壓、電流等參數，以無線傳感器節點的形式傳至計算機的串口，計算機中安裝有上位機分析程序，以有效分析電池組的運行狀態。

無線傳感器節點采取ZigBee技術，由于電池組需要采集的參數并不多，而且各采集點之間的距離相對較近，因此本設計采用由四個節點組成的ZigBee網絡。四個節點均采用CC2530，其中有一個為協調器，硬件結構如圖2所示，主要的功能是負責網絡的發起、參數的設定、信息的管理及維護；而其他的三個節點作為終端節點，連接相應的傳感器。四個節點以協調器為核心，構成星形網絡結構，協調器節點程序的開發環境為IAR MCS 7.51A，采用的協議棧為TI Z-Stack 2.3.1,具體組網流程如圖3所示[2]。協調器與計算機利用串口相連，上位機程序從串口中讀取信息字符串，進行信息分析。

圖2 協調器節點硬件結構

圖3 協調器節點工作流程

本設計中的上位機程序采用Java來開發，同時開發了基于Android的手機端APP完成遠程通迅，開發環境采用eclipse，串口的數據傳輸通過Java中的Jar包來完成，計算機端口安裝3G卡，通過無線方式與手機通信。

5 總結

本設計利用超級電容與太陽電池構建了具有斷電延時功能的電源系統。該系統適用于短時斷電和電壓不穩的供電系統，經測試，其技術可靠性高，結構靈活。

[1]張士化，韓明，王學震.[C]//西安：全國抗惡劣環境計算機第十八屆學術年會論文集，2008：177-179.

[2]徐健.基于CC2530的ZigBee協調器節點設計[M].物聯網技術，2012(5)：56-58.

Design of computer monitoring system of super capacitor delay power supply

FAN Yong-xia
(Shijiazhuang Vocational College for Scientific and Technical Engineering,Shijiazhuang Hebei 050800,China)

As part of the power supply system,the power supply is the important guarantee for normal work of various systems.Super capacitor has good characteristics such as great energy storage,light quality,long service life and so on. The delay system with electrical characteristics can provide delay power supply to ensure system normal operation in the event of power failure or voltage sag.In order to improve the reliability of the system,a computer monitoring system with wireless sensor network as the core was used to detect the basic situation of power grid. When the voltage was not stable or off,the super capacitor energy storage switched on relay provided power supply for the system;when the power supply was back to normal,the parameters such as power in energy storage devices collected by sensor were used to decide the operation condition of super capacitor, ensuring the reliability and security of the system.

delay power supply;super capacitor;WSN;computer monitoring

TM 53

A

1002-087 X(2015)08-1758-02

2015-05-29

樊永霞(1978—)，女，河北省人，碩士，講師，主要研究方向為軟件工程。