數字溫度傳感器DS18B20在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的應用

0 引言
　　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)星電能產生、儲存、變換、調節(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過程將太陽的光能、核能或化學能轉化為電能，并根據需要對電能進行存儲、調節(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-溫度補償法，即V-T曲線控制。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償的常用方法，已經在我國各種型號的衛(wèi)星上獲得成功應用。
　　為加快我國衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的數字化設計。充分體現(xiàn)數字電路體積小、重量輕、功耗低、適應性強和可靠性高等優(yōu)點，提高電源分系統(tǒng)的電能重量比，本文以DS18B20作為溫度傳感器，并采用單片機控制系統(tǒng)進行數據的采集、計算、調節(jié)及V-T曲線控制。
　　
1 V-T曲線控制原理
　　V-T曲線的控制關系為：V=N（Vs-kT）
　　式中：Vs為電壓狀態(tài)值；T為溫度；k為溫度系數；N為補償系數。
　　如溫度T上升，電壓V下降，這表明此時蓄電池升高，需要調節(jié)充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線補  
償。其具體方法是采用V-T曲線跟蹤補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，以預設的溫度補償電壓曲線確定充電結束狀態(tài)。同時在充電器內部設置保護性充電終止電壓控制，以在電源控制計算機出現(xiàn)故障時停止對蓄電池充電，從而保證蓄電池組的安全。
　　
2 數字溫度傳感器DS18B20
　　2.1 DS18B20的主要特點
　　DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數字溫度傳感器。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面都比DS1820有所改進。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據，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；
　　◇測溫結果的數字量位數為9～12位，并可編程選擇；
　　◇可用數據線供電，也可用外部電源。
　　2.2 DS18B20的結構及功能
　　DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其管腳排列如圖1所示。圖中，GND為地；I／O為數據輸入／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是外部+5 V電源端，不用時應接地。

DS18B20的內部結構主要包括寄生電源、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位二進制數字組成，它由生產廠家光刻而成，共分為8個字節(jié)，字節(jié)0的內容是該產品的廠家代號28H，字節(jié)1～6的內容是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行測量，數據可用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。具體的溫度和數字量的關系如表1所列。

2.3 DS18B20的工作時序
　　根據DS18B20的通信協(xié)議，用主機控制DS18B20以完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。每一步操作必須嚴格按照時序規(guī)定進行。DS18B20的工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
　　主機控制DS18B20完成溫度轉換時，在每一次讀寫之前，都要對DS18B20進行復位，而且該復位要求主CPU要將數據線下拉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位成功。實際上，較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償。由于DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送方式，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序，否則，將無法正確讀取測溫結果。
　　對于在單總線上所掛DS18B20的數量問題，一般人們會誤認為可以掛任意多個DS18B20，而在實際應用中并非如此。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動問題，因此，在進行蓄電池單體多點測溫系統(tǒng)設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，當采用普通信號電纜且其傳輸長度超過50 m時，讀取的測溫數據將發(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150 m，如采用帶屏蔽層且每米絞合次數更多的雙絞線電纜，則正常通信距離還可以進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的，因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。
　　在DS18B20測溫程序設計中，當向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號。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，從而使程序進入死循環(huán)。因此，在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時，應當給予足夠的重視。
　 　
3 數字V-T曲線控制系統(tǒng)
　　3.1 硬件設計

本設計選用美國Atmel公司的增強型Flash單片機AT89S52作為主處理器來完成主要的測控任務，A999S52內嵌的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，因而可直接在目標板上進行在  
線編程。另外，設計中選用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方式（而未用寄生供電），進行多點測量；模數轉換采用ADI公司的AD574，精度為12 bit。其系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。
　　3.2 軟件計
　　本系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數據刷新子程序等。編程時必須嚴格按照DS18B20的時序規(guī)定進行。尤其需要注意的是，在多點溫度測量中，由于多個DS18B20掛在一條總線上，為識別不同的器件，在系統(tǒng)安裝之前，應將主機逐個與DS18B20掛接，以讀出其序列號。具體是由主機先給DS18B20發(fā)一個復位脈沖，在DS18B20發(fā)回響應脈沖給主機后，主機再發(fā)讀ROM命令（代碼33H），并發(fā)一個15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號的一位，并用同樣方法讀取序列號的每一位。其V-T曲線控制系統(tǒng)主程序和測溫子程序分別如圖3和圖4所示。

4 系統(tǒng)抗干擾設計
　　為了該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地工作，本系統(tǒng)還應對其進行抗干擾設計。具體應從以下幾個方面人手進行設計：
　?。?） 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開。使用完全光耦隔離方法來提高抗干擾能力，減少互感振蕩，光耦應選擇高速器件；
　　（2） CPU、RAM、ROM等主芯片應在VCC和GND間接電解及瓷片電容，以去掉高低頻干擾；
　?。?） 應采用獨立系統(tǒng)結構，并減少接插件與連線，以提高可靠性，減少故障率；
　?。?） 在外部供電的輸入口應加二極管橋抑制電路，以防止逆向電流的出現(xiàn)，同時也使得內外電路的地線隔離，從而起到抗干擾作用；
　?。?） 加復位電壓檢測電路可防止復位不充分從而CPU就工作的現(xiàn)象，尤其在有EEPROM器件時，復位不充分會改變EEPROM的內容；
　?。?） 在單片機空單元寫上00H，并在最后放跳轉指令到ORG 0000H，可防止程序跑飛。
　　
5 結束語
　　應用AT89S52單片機和DS18B20嵌入式數字溫度傳感器等設計的V-T曲線控制補償系統(tǒng)，可以方便地進行數據采集、計算和調節(jié)。試驗結果表明，該控制系統(tǒng)完全可以達到設計要求，以實現(xiàn)數字化的數據采集、數據處理和控制要求。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見，該設計方案在我國的航天領域將有很大的作為。