電池溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)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(jìn)行智能化管理，以延長電池的壽命。在蓄電池組充放電維護(hù)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?fù)p壞。

　　傳統(tǒng)上用人工定時測量的方法，勞動強(qiáng)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(dǎo)致單體電池?fù)p壞，甚至導(dǎo)致整組電池故障或損壞； 基于總線結(jié)構(gòu)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(fù)雜、維護(hù)擴(kuò)展困難等不足。鑒于此， 設(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)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(dá)±0. 5℃，可編程9~ 12 位A/ D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0. 062 5℃， 可實現(xiàn)高精度測溫；測量結(jié)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(qiáng)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(yīng)電壓范圍寬：3. 0~ 5. 5 V，在寄電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；DS18B20 與單片機(jī)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(jī)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(jìn)行讀寫編程時， 必須嚴(yán)格保證讀寫時序， 否則將無法讀取測溫結(jié)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(jī)總線t0 時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖（ 最短為480 s 的低電平信號） 接著在t 1 時刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)， DS18B20 在檢測到總線的上升沿之后等待15~ 60 μs ， 接著DS18B20在t2 時刻發(fā)出存在脈沖（ 低電平持續(xù)60~ 240 s） ， 如圖中虛線所示。

　?。?2） 寫操作時序。當(dāng)主機(jī)總線t 0 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(yīng)將所需寫的位送到總線上， DS18B20 在t 0 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(yīng)大于1μs ， 見圖2 （ b） 。

　?。?3） 讀操作時序。當(dāng)主機(jī)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t 2時刻前有效， t2~ t0 為15μs， 也就是說， 在t2 時刻前主機(jī)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(jié)構(gòu)

　　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(jī)等3 部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(luò)傳輸給主控單元；主控單元與所有監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行通信，接收上位機(jī)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(jī)；上位機(jī)實時顯示蓄電池的溫度信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)設(shè)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(jié)構(gòu)

　　2. 1 溫度監(jiān)測節(jié)點設(shè)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(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)如圖4 所示。

　　圖4 溫度監(jiān)測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

　　DS18B20 測溫電路如圖1 所示， 用熱傳導(dǎo)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. 4 GHz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(jī)進(jìn)行通信， AT 89S51 的P2. 0 和P2. 1 口分別與nRF2401 的CLK1， DA TA 相連接。nRf2401 的CS是片選端， CE 是發(fā)送或接收控制端， PWR_U P 是電源控制端， 分別由單片機(jī)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(jī)的P2. 2。

　　由于nRF2401 的供電電壓范圍為1. 9~ 3. 6 V ， 而AT89S51 單片機(jī)的供電電壓是5 V， 為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和分壓處理，設(shè)計采用MAXIM 公司的MAX884 芯片進(jìn)行5 V 到3. 3 V 電平轉(zhuǎn)換，如圖5 所示。

　　圖5 5 V 到3. 3 V 轉(zhuǎn)換電路

　　2. 2 主控單元設(shè)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(jī)和監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)通信。主控單元的基本結(jié)構(gòu)和監(jiān)測單元類似，主要由單片機(jī)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(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，大多數(shù)計算機(jī)包含2 個基于RS 232 的串口，PC 的串行口是RS 232C 電平，而單片機(jī)的串行口是T TL 電平，兩者之間通過串口通信時，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計運(yùn)用MAX232A 芯片完成單片機(jī)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(jī)與M AX232A 硬件連接電路

　　3 控制程序設(shè)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(jī)監(jiān)測程序等組成。單總線測溫程序負(fù)責(zé)單總線設(shè)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(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)信息的無線傳送；上位機(jī)監(jiān)測程序的主要功能是通過串口和主控單元進(jìn)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(jìn)行初始化，主要包括單片機(jī)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(jié)果

　　設(shè)計了試驗樣機(jī)，監(jiān)測節(jié)點試驗電路實物如圖8 所示，在室內(nèi)進(jìn)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4 m， 8 m， 12 m 的距離進(jìn)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(dá)± 0. 3℃ ，無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確率較高，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(jié)語

　　本文針對蓄電池組中單體電池的溫度監(jiān)測問題，設(shè)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(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī)、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(jī)進(jìn)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(shè)、擴(kuò)展、維護(hù)及更新方便等特點，有一定工程實際應(yīng)用價值。