基于單片機(jī)的蓄電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建海，楊帆，孫艷麗

（海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001）

基于單片機(jī)的蓄電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建海，楊帆，孫艷麗

（海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001）

溫度是蓄電池的一個(gè)重要參數(shù)，為使電池處在最佳工作狀態(tài)，需對電池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED顯示器和USB-RS232轉(zhuǎn)換器的電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、硬件電路設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控等。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有測溫速度快、精度高，易于擴(kuò)展，系統(tǒng)升級方便，監(jiān)控良好等特點(diǎn)。

蓄電池；溫度控制；單片機(jī)；DS18B20

蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種直流供電裝置，在電力、通信、航空等領(lǐng)域的直流供電系統(tǒng)中起著重要的作用。溫度是蓄電池的一個(gè)重要參數(shù)，能間接反映電池的性能狀況，電池充放電會引起電池溫度的變化，溫度過高會損壞電池。閥控式密封鉛酸蓄電池的電解液溫度在25℃時(shí),容量為100%；當(dāng)溫度降低至-20℃時(shí),放出容量僅為60%[1]。航空鎘鎳蓄電池組電解液的最佳工作溫度是15℃左右，溫度低于-18℃無法保證正常工作[2-3]。通信系統(tǒng)大都采用蓄電池提供不間斷的直流供電，電池溫度過高會影響電池的工作效率和壽命[4]，進(jìn)而影響通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為使蓄電池處在最佳的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)掌握電池的荷電狀態(tài)，提高蓄電池使用可靠性和延長電池壽命，必須對蓄電池組的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器的電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、智能化程度高等特點(diǎn)，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控電池溫度的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由單片機(jī)系統(tǒng)、溫度采集電路、顯示電路、報(bào)警電路、溫度控制電路和通信模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，實(shí)時(shí)檢測數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集的溫度信息并進(jìn)行存儲，同時(shí)用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，將得到的參數(shù)與設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，啟動溫度控制電路進(jìn)行加熱，使溫度升至設(shè)定值；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，啟動溫度控制電路進(jìn)行散熱，使溫度降至設(shè)定值。當(dāng)溫控電路故障不能進(jìn)行溫度控制時(shí)，啟動報(bào)警電路聲光告警；通信模塊采用基于PL2303的USB-RS232轉(zhuǎn)換模塊，用于與上位機(jī)通信，完成監(jiān)控程序的下載，向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的在線調(diào)試、升級等功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集電路設(shè)計(jì)

常見的溫度測量元件有熱電阻、熱電偶、模擬式集成溫度傳感器和數(shù)字式集成溫度傳感器等。熱電偶和熱電阻溫度傳感器把信號轉(zhuǎn)化為電動勢/電阻和溫度之間的非線性關(guān)系，熱電偶輸出的熱電勢信號為毫伏級，不宜遠(yuǎn)距離傳輸，還需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，需要配接補(bǔ)償電橋或冷端補(bǔ)償器等裝置，使用不方便；熱電偶和熱電阻輸出的都是模擬信號，不便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字式測量[5]。通用性較強(qiáng)的AD590是電流輸出型模擬式集成溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度成正比，溫度每升高1K，輸出電流就增加1 μA，需要附加電流/電壓變換電路和A/D轉(zhuǎn)換器才能進(jìn)行數(shù)字量的控制，同時(shí)取樣電阻也有一定的誤差，具有電路復(fù)雜、測量有偏差等不足[6-7]。DS18B20是一種適配微處理器的智能型數(shù)字溫度傳感器，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)形如三極管的芯片中，采用單總線協(xié)議，不需任何外圍電路就可直接輸出數(shù)字溫度信號，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，測溫分辨率達(dá)0.062 5℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。另外，DS18B20內(nèi)置了專門用于存儲高低溫報(bào)警觸發(fā)值TH和TL的非易失性電可擦除EEPROM，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，上電復(fù)位時(shí)數(shù)據(jù)從EEPROM載入到中間結(jié)果暫存器，確保報(bào)警門限數(shù)據(jù)的完整性和安全性[8-10]。綜合各類測溫元件的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)選用具有數(shù)字量輸出的單總線傳感器DS18B20作為溫度信號的測量單元。

DS18B20有外部電源供電和寄生電源供電兩種方式。寄生電源供電采用一根數(shù)據(jù)總線，既傳輸數(shù)據(jù)又進(jìn)行供電，溫度測量時(shí)間較長；外部電源供電方式數(shù)據(jù)總線用來專門傳輸數(shù)據(jù)，測量速度較快。系統(tǒng)采用外部電源供電，接線方式如圖2所示，數(shù)據(jù)總線DQ與單片機(jī)的P1.0口相連，單總線通常要求外接約5 K的上拉電阻，其他3路溫度測量分別接P1.1、P1.2和P1.3口。

圖2 DS18B20與單片機(jī)連接

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用3個(gè)數(shù)碼管顯示溫度，為節(jié)省系統(tǒng)資源，采用動態(tài)掃描的工作方式，硬件電路如圖3所示[11]。

圖3 顯示電路

采用LED數(shù)碼管顯示，必須考慮驅(qū)動和限流兩個(gè)方面的問題，利用P3.2、P3.3、P3.4通過小功率三極管9012驅(qū)動共陽極數(shù)碼管的公共端進(jìn)行位選信號的控制，P2.0至P2.7控制段選信號。由于數(shù)碼管中的發(fā)光管導(dǎo)通時(shí)電壓為1.5～1.8 V，導(dǎo)通電流一般要求 5～10 mA，限流電阻 R1～R8選擇依據(jù)是（5-1.8）V/10 mA=320 Ω，根據(jù)電阻的標(biāo)稱值系列選擇300 Ω，此時(shí)的段電流約為11 mA左右，滿足工作要求。

2.3 溫控電路設(shè)計(jì)

溫控電路包括加熱和降溫兩個(gè)部分，其電路組成基本相同，主要由三極管9013、繼電器和溫控裝置等組成。降溫電路如圖4所示，當(dāng)溫度大于高溫告警門限值時(shí)，單片機(jī)P3.5端口輸出高電平控制繼電器接通散熱風(fēng)扇，達(dá)到降溫目的，加熱電路與此類似。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)通信采用基于PL2303的USB-RS232轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)[12]。PL2303具有雙向轉(zhuǎn)換功能，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。PL2303雙向轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)的硬件連接如圖5所示，芯片的TXD、RXD管腳分別接單片機(jī)的P3.0和P3.1口[13]。數(shù)據(jù)通信前需在PC機(jī)上安裝轉(zhuǎn)換模塊的USB驅(qū)動程序，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控程序的下載和溫度數(shù)據(jù)的上傳。

圖4 降溫電路

圖5 通信電路

3 控制程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控程序采用模塊化的編程思想，控制程序主要由初始化模塊、測溫模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、告警保護(hù)模塊、溫度控制模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊等組成。

初始化模塊主要完成單片機(jī)系統(tǒng)的通信、中斷及定時(shí)初始化以及DS18B20的初始化等，其余功能模塊完成溫度的采集、顯示、溫度控制和告警保護(hù)等功能?？刂瞥绦虻牧鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制程序流程

4 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化編程開發(fā)工具，采用數(shù)據(jù)流的方法描述程序的執(zhí)行。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，上位機(jī)監(jiān)控程序主要完成4路蓄電池的溫度信息的監(jiān)測，實(shí)時(shí)顯示溫度變化的曲線圖，設(shè)置溫度告警的門限、告警顯示等功能，其監(jiān)控界面如圖7所示[14-15]，4路溫度分別為25℃、22℃、25℃、23℃，溫度上限設(shè)置為30℃，下限設(shè)置為20℃，監(jiān)控界面顯示直觀、人機(jī)交互良好。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED顯示器和USBRS232轉(zhuǎn)換器的電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)利用LabVIEW圖形化語言的優(yōu)勢，使監(jiān)控界面直觀，功能完善。試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行表明，系統(tǒng)具有工作可靠、測溫精度高、易于維護(hù)擴(kuò)展，系統(tǒng)升級方便，監(jiān)控界面良好等特點(diǎn)。

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Design of battery temperature monitoring system based on microcontroller

LI Jian-hai，YANG Fan，SUN Yan-Li
（Department of Basic Experiment，Naval Aeronautical and Astronautical University ，Yantai 264001，China）

The temperature is an important parameter of the battery，in order to make the battery in the best working condition，it is necessary to monitor the temperature of the battery.The battery temperature monitoring system is designed based on STC89C52 microcontroller、1-wire digital temperature sensor DS18B20、LED and USB-RS232 converter.The constitution of the system、hardware design、control program design and PC monitoring are introduced in detail.The experiment results prove that this system has the advantages of accurate temperature measurement、easier expansibility、convenient upgrade and monitor.

storage battery；temperature control； microcontroller； DS18B20

TN99

：A

：1674－6236（2017）14-0140-03

2016-07-15稿件編號：201607118

李建海（1976—），男，內(nèi)蒙商都人，碩士，副教授。研究方向：電氣控制和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。