摘要：針對(duì)采用熱敏電阻測(cè)溫和有線溫度測(cè)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(cè)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(diǎn)，短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用到多點(diǎn)溫度測(cè)量中，實(shí)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(diǎn)，具有一定的實(shí)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(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(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線收發(fā)模塊的電池溫度無線監(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芯片特性
DS18B20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)0.0625℃，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：3.0~5.5V，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(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)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(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)序見圖2(a)，主機(jī)總線t0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480s的低電平信號(hào))接著在t1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15~60μs，接著DS18B20在t2時(shí)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(shí)序。當(dāng)主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙。從t0時(shí)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(duì)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(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t2時(shí)刻前有效，t2~t0為15μs，也就是說，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，通過無線網(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(cè)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(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無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)無線傳輸，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放的2.4GHz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，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(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1.9~3.6V，而AT89S51單片機(jī)的供電電壓是5V，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5V到3.3V 電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。
圖5 5V到3.3V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)組成無線網(wǎng)路，通過主控單元實(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RS232的串口，PC的串行口是RS232C電平，而單片機(jī)的串行口是TTL電平，兩者之間通過串口通信時(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MAX232A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(cè)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(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)通過無線模塊發(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4m，8m，12m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℃，無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確率較高，能夠滿足無線溫度監(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)問題，設(shè)計(jì)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(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。