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(gè)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(duì)電池進(jìn)行智能化管理,，以延長(zhǎng)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(huì)引起電池的溫度發(fā)生變化,，尤其是蓄電池過(guò)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" title="電池溫度">電池溫度過(guò)高而造成電池?fù)p壞。
傳統(tǒng)上用人工定時(shí)測(cè)量的方法,，勞動(dòng)強(qiáng)度大,、測(cè)量精度差，工作環(huán)境惡劣,，尤其是不能及時(shí)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(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的智能化測(cè)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(jì)了一種基于單總線溫度傳感器和無(wú)線收發(fā)模塊的電池溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)" title="無(wú)線監(jiān)測(cè)">無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效地克服熱敏電阻測(cè)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(cè)的智能化水平,。
1 單總線溫度傳感器DS18B20
1. 1 DS18B20" title="DS18B20">DS18B20 芯片特性
DS18B20 數(shù)字溫度傳感器" title="數(shù)字溫度傳感器">數(shù)字溫度傳感器是美國(guó)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(gè)芯片中，采用1-wire 總線協(xié)議,， 可直接數(shù)字化輸出,、測(cè)試。與其他溫度傳感器相比,，具有以下主要特性：
采用獨(dú)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(shí)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(cè)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(cè)溫分辨率可達(dá)0. 062 5℃,， 可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫,；測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)， 同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼,， 具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力,；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20 可掛在總線上,，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)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(gè)4. 7Ω的上拉電阻，以保證總線空閑時(shí),，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(shí)序
DS18B20 與微處理器間采用的是串行數(shù)據(jù)傳送，在對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí),， 必須嚴(yán)格保證讀寫(xiě)時(shí)序,， 否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。DS18B20 控制時(shí)序主要包括初始化時(shí)序、讀操作時(shí)序和寫(xiě)操作時(shí)序,， 如圖2 所示,。
圖2 DS18B20 控制時(shí)序
（ 1） 初始化時(shí)序,。時(shí)序見(jiàn)圖2（ a） ,， 主機(jī)總線t0 時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖（ 最短為480 s 的低電平信號(hào)） 接著在t 1 時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)， DS18B20 在檢測(cè)到總線的上升沿之后等待15~ 60 μs ,， 接著DS18B20在t2 時(shí)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(xiě)操作時(shí)序,。當(dāng)主機(jī)總線t 0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)， 就產(chǎn)生寫(xiě)時(shí)間隙,。從t0 時(shí)刻開(kāi)始15μs 之內(nèi)應(yīng)將所需寫(xiě)的位送到總線上,， DS18B20 在t 0 后15~ 60μs間對(duì)總線采樣， 若低電平寫(xiě)入的位是0,， 若高電平寫(xiě)入的位是1,， 連續(xù)寫(xiě)2 位的間隙應(yīng)大于1μs ， 見(jiàn)圖2 （ b） ,。
?。?3） 讀操作時(shí)序。當(dāng)主機(jī)總線t0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí),， 總線只需保持低電平6~ 10μs 之后,， 在t1 時(shí)刻將總線拉高， 產(chǎn)生讀時(shí)間隙,， 讀時(shí)間隙在t1 時(shí)刻后到t 2時(shí)刻前有效,， t2~ t0 為15μs， 也就是說(shuō),， 在t2 時(shí)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(jiàn)圖2（ c） ,。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),、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(cè)節(jié)點(diǎn)分布在蓄電池組的各個(gè)單體電池上,，采集各單體電池的溫度信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控單元,；主控單元與所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,，接收上位機(jī)的命令和來(lái)自監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度信息,，并將溫度信息上報(bào)上位機(jī)；上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示蓄電池的溫度信息,，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,，根據(jù)設(shè)定的報(bào)警門(mén)限啟動(dòng)告警程序，及時(shí)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(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能是完成對(duì)單體電池的溫度信息采集,、處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。采用單片機(jī)控制無(wú)線收發(fā)芯片nRF2401 和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的智能測(cè)量,， 主要包括單片機(jī)系統(tǒng),、溫度采集電路、無(wú)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(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
DS18B20 測(cè)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(wú)線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸， nRF2401 是一個(gè)單片集成接收,、發(fā)射器的芯片,， 工作頻率范圍為全球開(kāi)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(shí)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(lái)非常方便,。在本系統(tǒng)中nRf2401 通過(guò)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(shí)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(jì)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(jì)
主控單元和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線網(wǎng)路,，通過(guò)主控單元實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)通信。主控單元的基本結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)單元類似,，主要由單片機(jī)系統(tǒng),、無(wú)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(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含2 個(gè)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(guò)串口通信時(shí),，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，設(shè)計(jì)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(jì)
系統(tǒng)控制程序主要由單總線測(cè)溫控制程序,、無(wú)線收發(fā)控制程序和上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序等組成。單總線測(cè)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(wú)線收發(fā)控制程序主要功能是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳送；上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序的主要功能是通過(guò)串口和主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息,。以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)為例，圖7 是監(jiān)測(cè)單元的程序流程圖,，監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去,。
圖7 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程
4 試驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī),，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)電路實(shí)物如圖8 所示，在室內(nèi)進(jìn)行了溫度測(cè)試,，采用4 個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),，分別在距離主控單元4 m， 8 m,， 12 m 的距離進(jìn)行了試驗(yàn),，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。
從表1 可以看出,，溫度的測(cè)量精度可達(dá)± 0. 3℃ ,，無(wú)線傳輸?shù)臏?zhǔn)確率較高，能夠滿足無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)的需要,。
圖8 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)電路
表1 測(cè)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)
5 結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)蓄電池組中單體電池的溫度監(jiān)測(cè)問(wèn)題,，設(shè)計(jì)了基于DS18B20 數(shù)字溫度傳感器和無(wú)線收發(fā)芯片組成的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī),、主控單元和多個(gè)監(jiān)測(cè)單節(jié)點(diǎn)組成,，主控單元通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。與傳統(tǒng)的有線多點(diǎn)溫度測(cè)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(diǎn),，有一定工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。