電池溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[圖]

摘要：針對采用熱敏電阻測溫和有線溫度測量系統(tǒng)的不足，提出了采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、單片機(jī)和無線收發(fā)模塊等組成智能無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。DS18B20具有體積小，精度高，采用一線總線，可組網(wǎng)等優(yōu)點，短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用到多點溫度測量中，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)無線傳輸，該系統(tǒng)擴(kuò)展維護(hù)方便、成本低、高可靠性等特點，具有一定的實用性。

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)0.0625℃，可實現(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校驗碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力；支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可掛在總線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。適應(yīng)電壓范圍寬：3.0~5.5V，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480s的低電平信號)接著在t1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15~60μs，接著DS18B20在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60~240s)，如圖中虛線所示。

(2)寫操作時序。當(dāng)主機(jī)總線t0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t0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t2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、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)點進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的命令和來自監(jiān)測節(jié)點的溫度信息，并將溫度信息上報上位機(jī)；上位機(jī)實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)點設(shè)計