電池溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)
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(shí)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(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(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(gè)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(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. 062 5℃, 可實(shí)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(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼, 具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力;支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20 可掛在總線上,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。適應(yīng)電壓范圍寬:3. 0~ 5. 5 V,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480 s 的低電平信號) 接著在t 1 時(shí)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~ 60 μs , 接著DS18B20在t2 時(shí)刻發(fā)出存在脈沖( 低電平持續(xù)60~ 240 s) , 如圖中虛線所示。
( 2) 寫操作時(shí)序。當(dāng)主機(jī)總線t 0 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t 0 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(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t 2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)測系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測節(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)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,接收上位機(jī)的命令和來自監(jiān)測節(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)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的功能是完成對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)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
DS18B20 測溫電路如圖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. 4 GHz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, 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(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. 6 V , 而AT89S51 單片機(jī)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(zhuǎn)換和分壓處理,設(shè)計(jì)采用MAXIM 公司的MAX884 芯片進(jìn)行5 V 到3. 3 V 電平轉(zhuǎn)換,如圖5 所示。
圖5 5 V 到3. 3 V 轉(zhuǎn)換電路
2. 2 主控單元設(shè)計(jì)
主控單元和監(jiān)測節(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)測單元的數(shù)據(jù)通信。主控單元的基本結(jié)構(gòu)和監(jiān)測單元類似,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RS 232 的串口,PC 的串行口是RS 232C 電平,而單片機(jī)的串行口是T TL 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M AX232A 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溫控制程序、無線收發(fā)控制程序和上位機(jī)監(jiān)測程序等組成。單總線測溫程序負(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)顯示并存儲數(shù)據(jù)信息。以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)為例,圖7 是監(jiān)測單元的程序流程圖,監(jiān)測單元首先進(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)行了溫度測試,采用4 個(gè)監(jiān)測節(jié)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(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。
從表1 可以看出,溫度的測量精度可達(dá)± 0. 3℃ ,無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確率較高,能夠滿足無線溫度監(jiān)測的需要。
圖8 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)電路
表1 測溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)
5 結(jié)語
本文針對蓄電池組中單體電池的溫度監(jiān)測問題,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)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī)、主控單元和多個(gè)監(jiān)測單節(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。
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