數字溫度傳感器在衛星電源系統中的應用

　　為加快我國衛星電源分系統的數字化設計.充分體現數字電路體積小、重量輕、功耗低、適應性強和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提高電源分系統的電能重量比，本文以DSl8820作為溫度傳感器,并采用單片機控制系統進(jìn)行數據的采集、計算、調節及V-T曲線(xiàn)控制。

　　1、V-T曲線(xiàn)控制原理

　　V-T曲線(xiàn)的控制關(guān)系為：V=N(Vs-kT)

　　式中：Vs電壓狀態(tài)值;T溫度;k溫度系數;N為補償系數。 如溫度T上升，電壓v下降，這表明此時(shí)蓄電池升高，需要調節充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線(xiàn)補償。其具體方法是采用V-T曲線(xiàn)跟蹤補償方案來(lái)控制蓄電池的充電終止電壓.然后通過(guò)測量蓄電池組的端電壓和單體溫度.以預設的溫度補償電壓曲線(xiàn)確定充電結束狀態(tài)。同時(shí)在充電器內部設置保護性充電終止電壓控制.以在電源控制計算機出現故障時(shí)停止對蓄電池充電.從而保證蓄電池組的安全。

　　2、數字溫度傳感器DSl8B20

　　2.1 DSl8B20的主要特點(diǎn)

　　DSl8B20是美國DALLAS公司繼DSl820之后推出的增強型單總線(xiàn)數字溫度傳感器。它在測溫精度、轉換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都比DSl820有所改進(jìn)。DSl8B20的主要特點(diǎn)如下：

　　◇采用單總線(xiàn)方式，僅需一根信號線(xiàn)與CPU連接即可傳送串行數據，且不需要外部元件;

　　◇每個(gè)芯片都有惟一編碼。多個(gè)DSl8B20;芯片可以并聯(lián)在一根總線(xiàn)上，故可實(shí)現多點(diǎn)測溫;

　　◇測溫范圍為-55～125℃，分辨率為12位;

　　◇測溫結果的數字量位數為9～12位，并可編程選擇;

　　◇可用數據線(xiàn)供電，也可用外部電源。

　　2.2 DSl8B20的結構及功能

　　DSl8B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其管腳排列如圖l所示。圖中，GND為地;I/O為數據輸入/輸出端(即單線(xiàn)總線(xiàn))，該腳為漏極開(kāi)路輸出，常態(tài)下呈高電平;VDD外部+5V電源端.不用時(shí)應接地。

　　DSl8B20的內部結構主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫存器、用于存儲用戶(hù)設定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等七部分。其中ROM由64位二進(jìn)制數字組成，它由生產(chǎn)廠(chǎng)家光刻而成，共分為8個(gè)字節，字節0的內容是該產(chǎn)品的廠(chǎng)家代號28H，字節1～6的內容是48位器件序列號，字節7是ROM前56位校驗碼。每個(gè)DSl8B20的64位序列號均不相同，它可以看作是該DSl8B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個(gè)DSl8B20都各不相同，這樣，就可以在一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DSl8B20。

　　DSl8B20溫度傳感器主要用于對溫度進(jìn)行測量，數據可用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數形式提供，并以0.0625℃/LSB形式表示。具體的溫度和數字量的關(guān)系如表1所列。

　　2.3 DSl8B20的工作時(shí)序

　　根據.DSl8B20的通信協(xié)議，用主機控制DSl8B20以完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對DSl8B20生行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DSl8B20進(jìn)行預定的操作，每一步操作必須嚴格按照時(shí)序規定進(jìn)行。DSl8B20的_T作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。

　　2.4 DSl8B20使用注意事項

　　主機控制DSl8B20完成溫度轉換時(shí)，在每一次讀寫(xiě)之前，都要對DSl8B20進(jìn)行復位，而且該復位要求主CPU要將數據線(xiàn)下拉500μs，然后釋放。DSl8B20收到信號后將等待16～60μs左右，之后再發(fā)出60～240μs的低脈沖。主CPU收到此信號即表示復位成功。實(shí)際上，較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對復雜的軟件進(jìn)行補償。由于DSl8B20與微處理器間采用串行數據傳送方式，因此，在對DSl8B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴格地保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則，將無(wú)法正確讀取測溫結果。

　　對于在單總線(xiàn)上所掛DSl8B20的數量問(wèn)題，一般人們會(huì )誤認為可以?huà)烊我舛鄠€(gè)DSl8B20，而在實(shí)際應用中并非如此。若單總線(xiàn)上所掛DSl8B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，則需要解決微處理器的總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測溫系統設計時(shí)該問(wèn)題要加以注意。

　　連接DSl8B20的總線(xiàn)電纜是有長(cháng)度限制的。試驗中.當采用普通信號電纜且其傳輸長(cháng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測溫數據將發(fā)生錯誤。而將總線(xiàn)電纜改為雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達150m，如采用帶屏蔽層且每米絞合次數更多的雙絞線(xiàn)電纜，則正常通信距離還可以進(jìn)一步加長(cháng)。這種情況主要是由總線(xiàn)分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的，因此，在用DSl8B20進(jìn)行長(cháng)距離測溫系統設計時(shí)要充分考慮總線(xiàn)分布容和阻抗匹配問(wèn)題。

　　在DSl8B20測溫程序設計中，當向DSl8B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DSl8820的返回信號。這樣，一旦某個(gè)DSl8B20接觸不好或斷線(xiàn)，在程序讀該DSl8B20時(shí)就沒(méi)有返回信號，從而使程序進(jìn)入死循環(huán)。因此，在進(jìn)行DSl8B20硬件連接和軟件設計時(shí)，應當給予足夠的重視。

　　3、數字V-T曲線(xiàn)控制系統

　　3.1 硬件設計

　　本設計選用美國Atmel公司的增強型Flash單片機AT89S52作為主處理器來(lái)完成主要的測控任務(wù).A999S52內嵌的8 KB Flash ROM可在軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點(diǎn)是集成了ISP接口.因而可直接在目標板上進(jìn)行在線(xiàn)編程。另外,設計中選用DALLAS公司的DSl8B20作為溫度測量單元，其單總線(xiàn)上掛接的DSl8B20采用外接Vcc(而未用寄生供電)，進(jìn)行多點(diǎn)測量;模數轉換采用ADI公司的AD574，精度為12 bit。其系統硬件組成如圖2所示。

　　3.2軟件設計

　　本系統程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數據刷新子程序等。編程時(shí)必須嚴格按照DSl8B20的時(shí)序規定進(jìn)行。尤其需要注意的是,在多點(diǎn)溫度測量中，由于多個(gè)DSl8B20掛在一條總線(xiàn)上，為識別不同的器件，在系統安裝之前，應將主機逐個(gè)與DSl8B20掛接，以讀出其序列號。具體是由主機先給DSl8B20發(fā)一個(gè)復位脈沖，在DSl8B20發(fā)回響應脈沖給主機后，主機再發(fā)讀ROM命令(代碼33H)，并發(fā)一個(gè)15μs左右的脈沖，接著(zhù)再讀取DSl8B20序列號的一位，并用同樣方法讀取序列號的每一位。其V-T曲線(xiàn)控制系統主程序和測溫子程序分別如圖3和圖4所示。

　　4、系統抗干擾設計

　　為了該系統能夠穩定可靠地工作，本系統還應對其進(jìn)行抗干擾設計。具體應從以下幾個(gè)方面人手進(jìn)行設計：

　　(1) 線(xiàn)加粗，合理走線(xiàn)、接地，三總線(xiàn)分開(kāi)。使用完全光耦隔離方法來(lái)提高抗干擾能力，減少互感振蕩，光耦應選擇高速器件;

　　(2) CPU、RAM、ROM等主芯片應在Vcc和GND間接電解及瓷片電容，以去掉高低頻干擾;

　　(3) 應采用獨立系統結構，并減少接插件與連線(xiàn),以提高可靠性，減少故障率;

　　(4) 在外部供電的輸入口應加二極管橋抑制電路，以防止逆向電流的出現，同時(shí)也使得內外電路的地線(xiàn)隔離，從而起到抗干擾作用;

　　(5) 加復位電壓檢測電路可防止復位不充分從而CPU就工作的現象,尤其在有EEPROM器件時(shí)，復位不充分會(huì )改變EEPROM的內容;

　　(6) 在單片機空單元寫(xiě)上00H，并在最后放跳轉指令到ORG 0000H，可防止程序跑飛。

　　5、結束語(yǔ)

　　應用AT89S52單片機和DSl8B20嵌入式數字溫度傳感器等設計的V-T曲線(xiàn)控制補償系統，可以方便地進(jìn)行數據采集、計算和調節。試驗結果表明，該控制系統完全可以達到設計要求，以實(shí)現數字化的數據采集、數據處理和控制要求。該方法與傳統的模擬硬件控制系統相比，可以很好地解決衛星電源分系統的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等問(wèn)題?？梢灶A見(jiàn)，該設計方案在我國的航天領(lǐng)域將有很大作為。