一種高效的蓄電池性能監測系統的設計方案

　　0 引言

　　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0.0625℃，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：3.0~5.5V，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

　?。?）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480s的低電平信號）接著(zhù)在t1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15~60μs，接著(zhù)DS18B20在t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖（低電平持續60~240s），如圖中虛線(xiàn)所示。

　?。?）寫(xiě)操作時(shí)序。當主機總線(xiàn)t0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t0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）。

　?。?）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t2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 系統硬件設計

　　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2.4GHz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，AT89S51的P2.0和P2.1口分別與nRF2401的CLK1，DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發(fā)送或接收控制端，PWR_UP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1.9~3.6V，而AT89S51單片機的供電電壓是5V，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5V到3.3V 電平轉換，如圖5所示。

　　圖5 5V到3.3V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RS232的串口，PC的串行口是RS232C電平，而單片機的串行口是TTL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MAX232A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。

　　圖8 監測節點(diǎn)試驗電路實(shí)物

　　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4m，8m，12m的距離進(jìn)行了試驗，試驗數據如表1所示。

　　表1 測溫試驗數據

　　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。

　　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，提出了基于DS18B20數字溫度傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片組成的蓄電池性能監測系統的設計方案。方案中的系統由上位機、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，具有高效、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。