針對蓄電池組中單體電池的溫度設計了遠程無線監(jiān)測系統(tǒng) - 全文

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字溫度傳感器DS18B20、單片機和無線收發(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，可組網等優(yōu)點，短距離無線通信技術應用到多點溫度測量中，實現了溫度數據無線傳輸，該系統(tǒng)擴展維護方便、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、軍事等領域中得到了廣泛的應用。溫度是蓄電池的一個重要參數，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行智能化管理，以延長電池的壽命。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損壞。傳統(tǒng)上用人工定時測量的方法，勞動強度大、測量精度差，工作環(huán)境惡劣，尤其是不能及時發(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；基于總線結構的有線多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實現溫度的智能化測量，但存在布線繁多復雜、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構控制系統(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數字溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司生產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芯片中，采用1-wire總線協(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：采用獨特的單線接口技術，與微處理器相連僅需一根端口線即可實現雙向通信，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℃，可實現高精度測溫；測量結果直接輸出數字溫度信號，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；支持多點組網功能，多個DS18B20可掛在總線上，實現組網多點測溫。適應電壓范圍寬：3．0～5．5 V，在寄電源方式下可由數據線供電；DS18B20與單片機連接如圖1所示，單總線器件只有一根數據線，系統(tǒng)中的數據交換、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。

?

?

1．2 DS18B20的控制時序
??? DS18B20與微處理器間采用的是串行數據傳送，在對其進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。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。
??? (1)初始化時序。時序見圖2(a)，主機總線t0時刻發(fā)送一復位脈沖(最短為480μs的低電平信號)接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態(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)60～240 μs)，如圖中虛線所示。
??? (2)寫操作時序。當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，就產生寫時間隙。從t0時刻開始15μs之內應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位的間隙應大于1 μs，見圖2(b)。
??? (3)讀操作時序。當主機總線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時刻前主機必須完成讀位，并在t0后的60～120μs內釋放總線，見圖2(c)。

2 系統(tǒng)硬件結構

??? 監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測節(jié)點、主控單元和上位機等3部分組成，系統(tǒng)結構如圖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，通過無線網絡傳輸給主控單元；主控單元與所有監(jiān)測節(jié)點進行通信，接收上位機的命令和來自監(jiān)測節(jié)點的溫度信息，并將溫度信息上報上位機；上位機實時顯示蓄電池的溫度信息，并對數據進行分析處理，根據設定的報警門限啟動告警程序，及時發(fā)現異常電池。

?

?

2．1 溫度監(jiān)測節(jié)點設計
??? 溫度監(jiān)測節(jié)點的功能是完成對單體電池的溫度信息采集、處理和無線數據傳輸。采用單片機控制無線收發(fā)芯片nRF2401和單總線數字溫度傳感器DS18B20來實現溫度的智能測量，主要包括單片機系統(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，其硬件結構如圖4所示。

?

?

??? 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無線收發(fā)芯片實現無線傳輸，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。它內置了先入先出堆棧區(qū)、地址解碼器、解調處理器、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口與單片機進行通信，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為高時表明在接收緩沖區(qū)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，需要進行電平轉換和分壓處理，設計采用MAXIM公司的MAX884芯片進行5 V到3．3 V電平轉換，如圖5所示。

?

?

2．2 主控單元設計
??? 主控單元和監(jiān)測節(jié)點組成無線網路，通過主控單元實現上位機和監(jiān)測單元的數據通信。主控單元的基本結構和監(jiān)測單元類似，主要由單片機系統(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TTL電平，兩者之間通過串口通信時，必須進行電平轉換，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。

?

?

控制程序設計
??? 系統(tǒng)控制程序主要由單總線測溫控制程序、無線收發(fā)控制程序和上位機監(jiān)測程序等組成。單總線測溫程序負責單總線設備初始化、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責無線網絡的組建和數據信息的無線傳送；上位機監(jiān)測程序的主要功能是通過串口和主控單元進行數據通信，實時顯示并存儲數據信息。以監(jiān)測節(jié)點為例，圖7是監(jiān)測單元的程序流程圖，監(jiān)測單元首先進行初始化，主要包括單片機系統(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、保存并用數碼管顯示，實時監(jiān)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無線模塊發(fā)送出去。

?

?

?

4 試驗結果

??? 設計了試驗樣機，監(jiān)測節(jié)點試驗電路實物如圖8所示，在室內進行了溫度測試，采用4個監(jiān)測節(jié)點，分別在距離主控單元4 m，8 m，12 m的距離進行了試驗，試驗數據溫度的測量精度可達±0．3℃，無線傳輸的準確率較高，能夠滿足無線溫度監(jiān)測的需要。

5 結語

??? 本文針對蓄電池組中單體電池的溫度監(jiān)測問題，設計了基于DS18B20數字溫度傳感器和無線收發(fā)芯片組成的遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機、主控單元和多個監(jiān)測單節(jié)點組成，主控單元通過串口與上位機進行通信。與傳統(tǒng)的有線多點溫度測量系統(tǒng)相比，具有布設、擴展、維護及更新方便等特點，有一定工程實際應用價值。