數(shù)字溫度傳感器DSl8820在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中設(shè)計原理

為加快我國衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計．充分體現(xiàn)數(shù)字電路體積小、重量輕、功耗低、適
應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點，提高電源分系統(tǒng)的電能重量比，本文以DSl8820作為溫度傳感器,并采用單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、計算、調(diào)節(jié)及V-T曲線控制。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要用來為整個衛(wèi)星的正常運行提供穩(wěn)定的電源。它是衛(wèi)星電能產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)、傳輸分配和管理的重要分系統(tǒng)。其基本功能是通過物理和化學(xué)過程將太陽的光能、核能或化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并根據(jù)需要對電能進(jìn)行存儲、調(diào)節(jié)和變換，然后向衛(wèi)星其它各分系統(tǒng)不間斷供電。我國的衛(wèi)星大都采用太陽能／蓄電池供電系統(tǒng)。蓄電池充電終壓控制采用電壓一溫度補(bǔ)償法，即V-T控制。蓄電池溫度傳感器傳統(tǒng)上一般選用熱電耦或鉑電阻。模擬電路硬件控制是溫度補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒?，已?jīng)在我國各種型號的衛(wèi)星上獲得成功應(yīng)用。

1 V-T曲線控制原理

　　V-T曲線的控制關(guān)系為：V=N(Vs-kT)
式中：Vs電壓狀態(tài)值；T溫度；k溫度系數(shù)；N為補(bǔ)償系數(shù)。 如溫度T上升，電壓v下降，這表明此時蓄電池升高，需要調(diào)節(jié)充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線補(bǔ)償。其具體方法是采用V-T曲線跟蹤補(bǔ)償方案來控制蓄電池的充電終止電壓．然后通過測量蓄電池組的端電壓和單體溫度．以預(yù)設(shè)的溫度補(bǔ)償電壓曲線確定充電結(jié)束狀態(tài)。同時在充電器內(nèi)部設(shè)置保護(hù)性充電終止電壓控制．以在電源控制計算機(jī)出現(xiàn)故障時停止對蓄電池充電．從
而保證蓄電池組的安全。

2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20

2．1 DS18B20的主要特點

　　DS18B20是美國DALLAS公司繼DSl820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面都比DSl820有所改進(jìn)。DS18B20的主要特點如下：

　　◇采用單總線方式，僅需一根信號線與CPU連接即可傳送串行數(shù)據(jù)，且不需要外部元件；

　　◇每個芯片都有惟一編碼。多個DS18B20；芯片可以并聯(lián)在一根總線上，故可實現(xiàn)多點測溫；

　　◇測溫范圍為-55～125℃，分辨率為12位；

　　◇測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)為9～12位，并可編程選擇；

　　◇可用數(shù)據(jù)線供電，也可用外部電源。

2．2 DS18B20的結(jié)構(gòu)及功能

　　DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其管腳排列如圖l所示。GND為地；I／O為數(shù)據(jù)輸入／輸出端(即單線總線)，該腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD外部+5V電源端．不用時應(yīng)接地。

　　DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等七部分。其中ROM由64位二進(jìn)制數(shù)字組成，它由生產(chǎn)廠家光刻而成，共分為8個字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號28H，字節(jié)1～6的內(nèi)容是48位器件序列號，字節(jié)7是ROM前56位校驗碼。每個DS18B20的64位序列號均不相同，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣，就可以在一根總線上掛接多個DS18B20。

　　DS18B20溫度傳感器主要用于對溫度進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)可用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。

2．3 DS18B20的工作時序

　　根據(jù)．DS18B20的通信協(xié)議，用主機(jī)控制DS18B20以完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20生行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作，每一步操作必須嚴(yán)格按照時序規(guī)定進(jìn)行。DS18B20的_T作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。

2.4 DS18B20使用注意事項

　　主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時，在每一次讀寫之前，都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，而且該復(fù)位要求主CPU要將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放。DS18B20收到信號后將等待16～60μs左右，之后再發(fā)出60～240μs的低脈沖。主CPU收到此信號即表示復(fù)位成功。實際上，較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，因此，在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格地保證讀寫
時序，否則，將無法正確讀取測溫結(jié)果。

　　對于在單總線上所掛DS18B20的數(shù)量問題，一般人們會誤認(rèn)為可以掛任意多個DS18B20，而在實際應(yīng)用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過8個時，則需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點測溫
系統(tǒng)設(shè)計時該問題要加以注意。

　　連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中．當(dāng)采用普通信號電纜且其傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。而將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá)150m，如采用帶屏蔽層且每米絞合次數(shù)更多的雙絞線電纜，則正常通信距離還可以進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的，因此，在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布容和阻抗匹配問題。

　　在DS18B20測溫程序設(shè)計中，當(dāng)向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DSl8820的返回信號。這樣，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時就沒有返回信號，從而使程序進(jìn)入死循環(huán)。因此，在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。

3數(shù)字V-T曲線控制系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計

　　本設(shè)計選用美國Atmel公司的增強(qiáng)型Flash單片機(jī)AT89S52作為主處理器來完成主要的測控任務(wù)．A999S52內(nèi)嵌的8 KB Flash ROM可在軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點是集成了ISP接口．因而可直接在目標(biāo)板上進(jìn)行在線編程。另外,設(shè)計中選用DALLAS公司的DS18B20作為溫度測量單元，其單總線上掛接的DS18B20采用外接Vcc(而未用寄生供電)，進(jìn)行多點測量；模數(shù)轉(zhuǎn)換采用ADI公司的AD574，精度為12 bit。

　　應(yīng)用AT89S52單片機(jī)和DS18B20嵌入式數(shù)字溫度傳感器等設(shè)計的V-T曲線控制補(bǔ)償系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計算和調(diào)節(jié)。試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完全可以達(dá)到設(shè)計要求，以實現(xiàn)數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制要求。該方法與傳統(tǒng)的模擬硬件控制系統(tǒng)相比，可以很好地解決衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等問題?？梢灶A(yù)見，該設(shè)計方案在我國的航天領(lǐng)域?qū)⒂泻艽笞鳛椤?/p>