電池溫度智能監測系統設計與實(shí)現

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用。溫度是蓄電池的一個(gè)重要參數，它可以間接地反映電池的性能狀況，并且根據此溫度參數可以對電池進(jìn)行智能化管理，以延長(cháng)電池的壽命。在蓄電池組充放電維護及工作工程中，電池內部產(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、電池內部電解液發(fā)生異常變化等原因均可能造成電池溫度過(guò)高而造成電池損壞。

　　傳統上用人工定時(shí)測量的方法，勞動(dòng)強度大、測量精度差，工作環(huán)境惡劣，尤其是不能及時(shí)發(fā)現異常單體電池容易導致單體電池損壞，甚至導致整組電池故障或損壞； 基于總線(xiàn)結構的有線(xiàn)多點(diǎn)溫度監測系統，能夠實(shí)現溫度的智能化測量，但存在布線(xiàn)繁多復雜、維護擴展困難等不足。鑒于此， 設計了一種基于單總線(xiàn)溫度傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的電池溫度無(wú)線(xiàn)監測系統，能夠有效地克服熱敏電阻測溫和總線(xiàn)結構控制系統的不足，有利于提高蓄電池性能監測的智能化水平。

　　1 單總線(xiàn)溫度傳感器DS18B20

　　1. 1 DS18B20 芯片特性

　　DS18B20 數字溫度傳感器是美國DALLAS 半導體公司生產(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(xiàn)協(xié)議， 可直接數字化輸出、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(xiàn)接口技術(shù)與微處理器相連僅需一根端口線(xiàn)即可實(shí)現雙向通信，占用微處理器的端口較少，可接收大量的引線(xiàn)和邏輯電路；使用中不需要任何外圍電路， 全部傳感元件及轉換電路都集成在形如一只三極管的集成電路內； 測溫范圍- 55 ~ + 125℃， 精度可達±0. 5℃，可編程9~ 12 位A/ D 轉換精度，測溫分辨率可達0. 062 5℃， 可實(shí)現高精度測溫；測量結果直接輸出數字溫度信號， 同時(shí)可傳送CRC 校驗碼， 具有極強的抗干擾糾錯能力；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20 可掛在總線(xiàn)上，實(shí)現組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。適應電壓范圍寬：3. 0~ 5. 5 V，在寄電源方式下可由數據線(xiàn)供電；DS18B20 與單片機連接如圖1 所示，單總線(xiàn)器件只有一根數據線(xiàn)，系統中的數據交換、控制都在這根線(xiàn)上完成，單總線(xiàn)上外接一個(gè)4. 7Ω的上拉電阻，以保證總線(xiàn)空閑時(shí)，狀態(tài)為高電平。

　　圖1 DS18B20 與單片機硬件連接圖

　　1. 2 DS18B20 的控制時(shí)序

　　DS18B20 與微處理器間采用的是串行數據傳送，在對其進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)， 必須嚴格保證讀寫(xiě)時(shí)序， 否則將無(wú)法讀取測溫結果。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） ， 主機總線(xiàn)t0 時(shí)刻發(fā)送一復位脈沖（ 最短為480 s 的低電平信號） 接著(zhù)在t 1 時(shí)刻釋放總線(xiàn)并進(jìn)入接收狀態(tài)， DS18B20 在檢測到總線(xiàn)的上升沿之后等待15~ 60 μs ， 接著(zhù)DS18B20在t2 時(shí)刻發(fā)出存在脈沖（ 低電平持續60~ 240 s） ， 如圖中虛線(xiàn)所示。

　?。?2） 寫(xiě)操作時(shí)序。當主機總線(xiàn)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 之內應將所需寫(xiě)的位送到總線(xiàn)上， DS18B20 在t 0 后15~ 60μs間對總線(xiàn)采樣， 若低電平寫(xiě)入的位是0， 若高電平寫(xiě)入的位是1， 連續寫(xiě)2 位的間隙應大于1μs ， 見(jiàn)圖2 （ b） 。

　?。?3） 讀操作時(shí)序。當主機總線(xiàn)t0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)， 總線(xiàn)只需保持低電平6~ 10μs 之后， 在t1 時(shí)刻將總線(xiàn)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)刻前主機必須完成讀位， 并在t0 后的60~ 120μs 內釋放總線(xiàn)，見(jiàn)圖2（ c） 。

　　2 系統硬件結構

　　監測系統主要由溫度監測節點(diǎn)、主控單元和上位機等3 部分組成，系統結構如圖3 所示。溫度監測節點(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸給主控單元；主控單元與所有監測節點(diǎn)進(jìn)行通信，接收上位機的命令和來(lái)自監測節點(diǎn)的溫度信息，并將溫度信息上報上位機；上位機實(shí)時(shí)顯示蓄電池的溫度信息，并對數據進(jìn)行分析處理，根據設定的報警門(mén)限啟動(dòng)告警程序，及時(shí)發(fā)現異常電池。

　　圖3 系統總體結構

　　2. 1 溫度監測節點(diǎn)設計

　　溫度監測節點(diǎn)的功能是完成對單體電池的溫度信息采集、處理和無(wú)線(xiàn)數據傳輸。采用單片機控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF2401 和單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現溫度的智能測量， 主要包括單片機系統、溫度采集電路、無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路、顯示電路、告警電路和電源等組成， 其硬件結構如圖4 所示。

　　圖4 溫度監測節點(diǎn)硬件結構

　　DS18B20 測溫電路如圖1 所示， 用熱傳導的粘合劑將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。利用nRf2401 無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)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。它內置了先入先出堆棧區、地址解碼器、解調處理器、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。在本系統中nRf2401 通過(guò)P2 口與單片機進(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)表明在接收緩沖區有數據， 接單片機的P2. 2。

　　由于nRF2401 的供電電壓范圍為1. 9~ 3. 6 V ， 而AT89S51 單片機的供電電壓是5 V， 為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉換和分壓處理，設計采用MAXIM 公司的MAX884 芯片進(jìn)行5 V 到3. 3 V 電平轉換，如圖5 所示。

　　圖5 5 V 到3. 3 V 轉換電路

　　2. 2 主控單元設計

　　主控單元和監測節點(diǎn)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路，通過(guò)主控單元實(shí)現上位機和監測單元的數據通信。主控單元的基本結構和監測單元類(lèi)似，主要由單片機系統、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、顯示電路、串行通信電路及電源等組成。

　　串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議，大多數計算機包含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)行電平轉換，設計運用MAX232A 芯片完成單片機與PC 之間的數據傳輸，硬件連接電路如圖6 所示。

　　圖6 單片機與M AX232A 硬件連接電路

　　3 控制程序設計

　　系統控制程序主要由單總線(xiàn)測溫控制程序、無(wú)線(xiàn)收發(fā)控制程序和上位機監測程序等組成。單總線(xiàn)測溫程序負責單總線(xiàn)設備初始化、采集電池溫度并傳送給nRF2401 模塊；無(wú)線(xiàn)收發(fā)控制程序主要功能是負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組建和數據信息的無(wú)線(xiàn)傳送；上位機監測程序的主要功能是通過(guò)串口和主控單元進(jìn)行數據通信，實(shí)時(shí)顯示并存儲數據信息。以監測節點(diǎn)為例，圖7 是監測單元的程序流程圖，監測單元首先進(jìn)行初始化，主要包括單片機系統的通信、中斷及定時(shí)的初始化等，然后采集單體電池的溫度信息、保存并用數碼管顯示，實(shí)時(shí)監測主控單元的數據傳送命令，如果有就將電池的溫度數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送出去。

　　圖7 監測節點(diǎn)程序流程

　　4 試驗結果

　　設計了試驗樣機，監測節點(diǎn)試驗電路實(shí)物如圖8 所示，在室內進(jìn)行了溫度測試，采用4 個(gè)監測節點(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，試驗數據如表1 所示。

　　從表1 可以看出，溫度的測量精度可達± 0. 3℃ ，無(wú)線(xiàn)傳輸的準確率較高，能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)溫度監測的需要。

　　圖8 監測節點(diǎn)試驗電路

　　表1 測溫試驗數據

　　5 結語(yǔ)

　　本文針對蓄電池組中單體電池的溫度監測問(wèn)題，設計了基于DS18B20 數字溫度傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片組成的遠程無(wú)線(xiàn)監測系統。系統由上位機、主控單元和多個(gè)監測單節點(diǎn)組成，主控單元通過(guò)串口與上位機進(jìn)行通信。與傳統的有線(xiàn)多點(diǎn)溫度測量系統相比，具有布設、擴展、維護及更新方便等特點(diǎn)，有一定工程實(shí)際應用價(jià)值。