電池溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

針對采用熱敏電阻測溫和有線溫度測量系統(tǒng)的不足，提出了采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、單片機和無線收發(fā)模塊等組成智能無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。DS18B20具有體積小，精度高，采用一線總線，可組網(wǎng)等優(yōu)點，短距離無線通信技術應用到多點溫度測量中，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)無線傳輸，該系統(tǒng)擴展維護方便、成本低、高可靠性等特點，具有一定的實用性。

蓄電池作為一種供電方便、安全可靠的直流電源，在電力、通信、軍事等領域中得到了廣泛的應用。溫度是蓄電池的一個重要參數(shù)，它可以間接地反映電池的性能狀況，并且根據(jù)此溫度參數(shù)可以對電池進行智能化管理，以延長電池的壽命。在蓄電池組充放電維護及工作工程中，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會引起電池的溫度發(fā)生變化，尤其是蓄電池過充電、電池內(nèi)部電解液發(fā)生異常變化等原因均可能造成電池溫度過高而造成電池損壞。

傳統(tǒng)上用人工定時測量的方法，勞動強度大、測量精度差，工作環(huán)境惡劣，尤其是不能及時發(fā)現(xiàn)異常單體電池，容易導致單體電池損壞，甚至導致整組電池故障或損壞；基于總線結構的有線多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的智能化測量，但存在布線繁多復雜、維護擴展困難等不足。鑒于此，設計了一種基于單總線溫度傳感器和無線收發(fā)模塊的電池溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效地克服熱敏電阻測溫和總線結構控制系統(tǒng)的不足，有利于提高蓄電池性能監(jiān)測的智能化水平。

1 單總線溫度傳感器DS18B20

1.1 DS18B20芯片特性

DS18B20數(shù)字溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，它將溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、寄存器及接口電路集成在一個芯片中，采用1-wire總線協(xié)議，可直接數(shù)字化輸出、測試。與其他溫度傳感器相比，具有以下主要特性：

采用獨特的單線接口技術，與微處理器相連僅需一根端口線即可實現(xiàn)雙向通信，占用微處理器的端口較少，可接收大量的引線和邏輯電路；使用中不需要任何外圍電路，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路都集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；測溫范圍- 55~ +125℃，精度可達±0.5℃，可編程9~12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫；測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可掛在總線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。適應電壓范圍寬：3.0~5.5V，在寄電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；DS18B20與單片機連接如圖1所示，單總線器件只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都在這根線上完成，單總線上外接一個4.7Ω的上拉電阻，以保證總線空閑時，狀態(tài)為高電平。

圖1 DS18B20與單片機硬件連接圖

1.2 DS18B20的控制時序

DS18B20與微處理器間采用的是串行數(shù)據(jù)傳送，在對其進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。DS18B20控制時序主要包括初始化時序、讀操作時序和寫操作時序，如圖2所示。

圖2 DS18B20控制時序

(1)初始化時序。時序見圖2(a)，主機總線t0時刻發(fā)送一復位脈沖(最短為480s的低電平信號)接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)，DS18B20在檢測到總線的上升沿之后等待15~60μs，接著DS18B20在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60~240s)，如圖中虛線所示。

(2)寫操作時序。當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，就產(chǎn)生寫時間隙。從t0時刻開始15μs之內(nèi)應將所需寫的位送到總線上，DS18B20在t0后15~60μs間對總線采樣，若低電平寫入的位是0，若高電平寫入的位是1，連續(xù)寫2位的間隙應大于1μs，見圖2(b)。

(3)讀操作時序。當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，總線只需保持低電平6~10μs之后，在t1時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間隙，讀時間隙在t1時刻后到t2時刻前有效，t2~t0為15μs，也就是說，在t2時刻前主機必須完成讀位，并在t0后的60~120μs內(nèi)釋放總線，見圖2(c)。

2 系統(tǒng)硬件結構

監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測節(jié)點、主控單元和上位機等3部分組成，系統(tǒng)結構如圖3所示。溫度監(jiān)測節(jié)點分布在蓄電池組的各個單體電池上，采集各單體電池的溫度信息，通過無線網(wǎng)絡傳輸給主控單元；主控單元與所有監(jiān)測節(jié)點進行通信，接收上位機的命令和來自監(jiān)測節(jié)點的溫度信息，并將溫度信息上報上位機；上位機實時顯示蓄電池的溫度信息，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)設定的報警門限啟動告警程序，及時發(fā)現(xiàn)異常電池。

圖3 系統(tǒng)總體結構

2.1 溫度監(jiān)測節(jié)點設計

溫度監(jiān)測節(jié)點的功能是完成對單體電池的溫度信息采集、處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。采用單片機控制無線收發(fā)芯片nRF2401和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度的智能測量，主要包括單片機系統(tǒng)、溫度采集電路、無線收發(fā)電路、顯示電路、告警電路和電源等組成，其硬件結構如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)測節(jié)點硬件結構

DS18B20測溫電路如圖1所示，用熱傳導的粘合劑將DS18B20粘附在蓄電池的表明，管芯溫度與表面溫度之差大約在0.2℃之內(nèi)。利用nRf2401無線收發(fā)芯片實現(xiàn)無線傳輸，nRF2401是一個單片集成接收、發(fā)射器的芯片，工作頻率范圍為全球開放的2.4GHz頻段。它內(nèi)置了先入先出堆棧區(qū)、地址解碼器、解調(diào)處理器、GFSK濾波器、時鐘處理器、頻率合成器，低噪聲放大器、功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，使用起來非常方便。在本系統(tǒng)中nRf2401通過P2口與單片機進行通信，AT89S51的P2.0和P2.1口分別與nRF2401的CLK1，DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發(fā)送或接收控制端，PWR_UP是電源控制端，分別由單片機的P2.3，P2.4和P2.5引腳控制。nRF2401的DR1為高時表明在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，接單片機的P2.2。

由于nRF2401的供電電壓范圍為1.9~3.6V，而AT89S51單片機的供電電壓是5V，為了使芯片正常工作，需要進行電平轉(zhuǎn)換和分壓處理，設計采用MAXIM公司的MAX884芯片進行5V到3.3V 電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖5 5V到3.3V轉(zhuǎn)換電路

2.2 主控單元設計

主控單元和監(jiān)測節(jié)點組成無線網(wǎng)路，通過主控單元實現(xiàn)上位機和監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)通信。主控單元的基本結構和監(jiān)測單元類似，主要由單片機系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、顯示電路、串行通信電路及電源等組成。

串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議，大多數(shù)計算機包含2個基于RS232的串口，PC的串行口是RS232C電平，而單片機的串行口是TTL電平，兩者之間通過串口通信時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，設計運用MAX232A芯片完成單片機與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，硬件連接電路如圖6所示。

圖6 單片機與MAX232A硬件連接電路

3 控制程序設計

系統(tǒng)控制程序主要由單總線測溫控制程序、無線收發(fā)控制程序和上位機監(jiān)測程序等組成。單總線測溫程序負責單總線設備初始化、采集電池溫度并傳送給nRF2401模塊；無線收發(fā)控制程序主要功能是負責無線網(wǎng)絡的組建和數(shù)據(jù)信息的無線傳送；上位機監(jiān)測程序的主要功能是通過串口和主控單元進行數(shù)據(jù)通信，實時顯示并存儲數(shù)據(jù)信息。以監(jiān)測節(jié)點為例，圖7是監(jiān)測單元的程序流程圖，監(jiān)測單元首先進行初始化，主要包括單片機系統(tǒng)的通信、中斷及定時的初始化等，然后采集單體電池的溫度信息、保存并用數(shù)碼管顯示，實時監(jiān)測主控單元的數(shù)據(jù)傳送命令，如果有就將電池的溫度數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送出去。

圖7 監(jiān)測節(jié)點程序流程

4 試驗結果

設計了試驗樣機，監(jiān)測節(jié)點試驗電路實物如圖8所示，在室內(nèi)進行了溫度測試，采用4個監(jiān)測節(jié)點，分別在距離主控單元4m，8m，12m的距離進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，溫度的測量精度可達±0.3℃，無線傳輸?shù)臏蚀_率較高，能夠滿足無線溫度監(jiān)測的需要。

圖8 監(jiān)測節(jié)點試驗電路

表1 測溫試驗數(shù)據(jù)

5 結語

本文針對蓄電池組中單體電池的溫度監(jiān)測問題，設計了基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器和無線收發(fā)芯片組成的遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機、主控單元和多個監(jiān)測單節(jié)點組成，主控單元通過串口與上位機進行通信。與傳統(tǒng)的有線多點溫度測量系統(tǒng)相比，具有布設、擴展、維護及更新方便等特點，有一定工程實際應用價值。