數(shù)字溫度傳感器DS18B20在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要用來(lái)為整個(gè)衛(wèi)星的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的電源。它是衛(wèi)星電能產(chǎn)生、儲(chǔ)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(guò)物理和化學(xué)過(guò)程將太陽(yáng)的光能、核能或化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并根據(jù)需要對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)、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(guó)的衛(wèi)星大都采用太陽(yáng)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(bǔ)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(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ǎ呀?jīng)在我國(guó)各種型號(hào)的衛(wèi)星上獲得成功應(yīng)用。

為加快我國(guó)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)。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(diǎn)，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(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、調(diào)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(guān)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(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(shí)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(lái)控制蓄電池的充電終止電壓，然后通過(guò)測(cè)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(shí)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(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)停止對(duì)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(diǎn)

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都比DS1820有所改進(jìn)。DS18B20的主要特點(diǎn)如下：

◇采用單總線方式，僅需一根信號(hào)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(gè)芯片都有惟一編碼，多個(gè)DS18B20芯片可以并聯(lián)在一根總線上，故可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫； ◇測(cè)溫范圍為-55～125℃，分辨率為12位；

◇測(cè)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1所示。圖中，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(kāi)路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD是外部+5 V電源端，不用時(shí)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(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)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(gè)字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號(hào)28H，字節(jié)1～6的內(nèi)容是48位器件序列號(hào)，字節(jié)7是ROM前56位校驗(yàn)碼。每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)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(gè)DS18B20都各不相同，這樣，就可以在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20。

DS18B20溫度傳感器主要用于對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)可用16位符號(hào)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。具體的溫度和數(shù)字量的關(guān)系如表1所列。


2.3 DS18B20的工作時(shí)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(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)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(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。每一步操作必須嚴(yán)格按照時(shí)序規(guī)定進(jìn)行。DS18B20的工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。

2.4 DS18B20使用注意事項(xiàng)

主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，在每一次讀寫(xiě)之前，都要對(duì)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(hào)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(hào)即表示復(fù)位成功。實(shí)際上，較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)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(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則，將無(wú)法正確讀取測(cè)溫結(jié)果。

對(duì)于在單總線上所掛DS18B20的數(shù)量問(wèn)題，一般人們會(huì)誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS18B20，而在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，則需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)該問(wèn)題要加以注意。

連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜且其傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50 m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。而將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150 m，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(zhǎng)。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?，因此，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。

在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號(hào)。這樣，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時(shí)就沒(méi)有返回信號(hào)，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(jì)時(shí)，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(jì)


本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Atmel公司的增強(qiáng)型Flash單片機(jī)AT89S52作為主處理器來(lái)完成主要的測(cè)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(diǎn)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(jì)中選用DALLAS公司的DS18B20作為溫度測(cè)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(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量；模數(shù)轉(zhuǎn)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 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。編程時(shí)必須嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序規(guī)定進(jìn)行。尤其需要注意的是，在多點(diǎn)溫度測(cè)量中，由于多個(gè)DS18B20掛在一條總線上，為識(shí)別不同的器件，在系統(tǒng)安裝之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS18B20掛接，以讀出其序列號(hào)。具體是由主機(jī)先給DS18B20發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖，在DS18B20發(fā)回響應(yīng)脈沖給主機(jī)后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令(代碼33H)，并發(fā)一個(gè)15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號(hào)的一位，并用同樣方法讀取序列號(hào)的每一位。其V-T曲線控制系統(tǒng)主程序和測(cè)溫子程序分別如圖3和圖4所示。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

為了該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地工作，本系統(tǒng)還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。具體應(yīng)從以下幾個(gè)方面人手進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1) 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開(kāi)。使用完全光耦隔離方法來(lái)提高抗干擾能力，減少互感振蕩，光耦應(yīng)選擇高速器件；
(2) CPU、RAM、ROM等主芯片應(yīng)在VCC和GND間接電解及瓷片電容，以去掉高低頻干擾；

(3) 應(yīng)采用獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并減少接插件與連線，以提高可靠性，減少故障率；

(4) 在外部供電的輸入口應(yīng)加二極管橋抑制電路，以防止逆向電流的出現(xiàn)，同時(shí)也使得內(nèi)外電路的地線隔離，從而起到抗干擾作用；
(5) 加復(fù)位電壓檢測(cè)電路可防止復(fù)位不充分從而CPU就工作的現(xiàn)象，尤其在有EEPROM器件時(shí)，復(fù)位不充分會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容；

(6) 在單片機(jī)空單元寫(xiě)上00H，并在最后放跳轉(zhuǎn)指令到ORG 0000H，可防止程序跑飛。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)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(jì)算和調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以實(shí)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(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，該設(shè)計(jì)方案在我國(guó)的航天領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮淖鳛椤?

編輯：博子