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(diǎn)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(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(shí)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(yàn)碼， 具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力,；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,，多個DS18B20 可掛在總線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)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(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)測節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行通信,，接收上位機(jī)的命令和來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的溫度信息，并將溫度信息上報上位機(jī),；上位機(jī)實(shí)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(diǎn)設(shè)計
溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)組成無線網(wǎng)路,，通過主控單元實(shí)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(shí)時顯示并存儲數(shù)據(jù)信息,。以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)程序流程
4 試驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計了試驗(yàn)樣機(jī)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)電路實(shí)物如圖8 所示,，在室內(nèi)進(jìn)行了溫度測試,，采用4 個監(jiān)測節(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(diǎn)試驗(yàn)電路
表1 測溫試驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn),，有一定工程實(shí)際應(yīng)用價值,。