基于单线数字温度传感器DS18B20的电池温度测量系统.doc

基于DS18B20的电池组温度测量装置 摘要:本文主要介绍了以89C51单片机作为检测主机，数字温度传感器DS18B20对动力电池组的温度测量的研究，采用单片机数字量接口和DS18B20一一对应的接法，数据转换后发送给上位机。这种温度测量装置可以作为动力电池温度检测的典型应用。关键词：DS18B20; 89C51单片机；电池；温度；测量The Device of Temperature Measurement about Battery Pack Based on Digital DS18B20 Abstract: This paper introduces one design of measurement that about temperature.DS18B20 temperature sensor is digital and used to measure the temperature of battery pack,and 89C51 MCU acts out host machine of detection.The methoed is a one-to-one correlation between the I/O and DS18B20. The datas will be transmited to the upper computer after converted. This device of temperature measurement introduced in this paper may be applyed typically.Keywords: DS18B20; 89C51 MCU; Battery; Temperature; Measurement矿用应急电源常采用大容量动力锂电池，电池组工作过程的温度检测是在电池管理系统中重要的环节，通过温度测量可以对电池实时保护，电池管理系统中温度测量是整个系统的主要功能之一。在研制矿用动力电池管理系统时，采用以单线数字温度传感器DS18B20为温度敏感元件的电池温度测量装置，该装置以89C51单片机为检测主机，DS18B20数字温度传感器直接与主机连接，主机通过RS-485总线网与上位机进行通信。本文就DS18B20芯片与单片机组成数据采集部分与传输环节，结合电池测温系统，对DSl8B20的这种单总线技术及其具体应用进行了讨论。2 系统硬件设计2.1 系统的总体设计整个系统从结构上可分为两层：89C51单片机基本应用系统和DS18B20温度测量转换传感器构成温度测量主机；用S7-200 PLC作为上位机通过其网络接口与测温主机串行通讯口交换数据。测温主机与上位机通过RS-485 总线作为物理层，通讯协议采用MODBUS现场总线协议。系统硬件配置见图1。图1 电池组温度测量框图2.2 温度数据采集传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用方便等优点。18B20芯片直接送出的转化后的是数字温度信号，单片机不需要进行A/D转换，这就简化应用系统设计，提高了测量效率；理论上在单片机每个数字量接口上可以同时并联多个18B20芯片，构成串行总线工作方式。芯片的地址可由芯片的ROM中存有的唯一标识码进行识别，不存在相同标识码的DS18B20，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。2.3温度采集传感器与单片机连接。虽然用DS18B20芯片作为温度传感器理论上可以在同一单片机数字量接口上并联多个传感器，这样硬件电路比较简单，还可以节省很多数字量接口，这种电路结构如图2所示。图2传统单片机与温度传感器连接图但用作通用的电池温度测量装置时会遇到三个问题。第一，尽管DS18B20功耗很低，但仍受到单片机数字量接口驱动能力的限制，对89C51单片机每个数字量接口一般不宜超过8个，否则可能会影响系统正常工作；第二，在单片机一个数字量接口并联多个传感器时，必须靠DS18B20芯片ROM中存有的标识码进行识别，因此温度传感器位置与识别码必须一一对应，在单片机中必须预存好各个芯片的识别码，当更换传感器时要重新修改单片机中的识别码，涉及到修改系统软件，这会给用户更换传感器带来很大的不便；第三，并接多个传感器在数据采集过程中要求单片机要不断地读取识别码，使数据采集速度周期过长。基于上述因素，在设计电池组温度采集装置时，考虑实际应用采集点和循环时间要求，采取单片机每个数字量接口只连接一个温度传感器的方案，利用单片机的P1、P2口分别连接16个传感器组成16通道温度采集装置，用于电池组中各单体电池工作温度采集。图3给出了单片机与DS18B20温度传感器连接方式。这样做有三个优点，第一，单片机接口驱动能力富裕度大工作可靠；第二，装置中传感器数据地址完全由其安装位置确定，与芯片识别码无关，单片机中也不需要预存的芯片识别码，在以后用户更换传感器时只要与原来位置对应即可，不需要更改；第三，工作过程中单片机不用读写DS18B20芯片的标识码，单片机运行时执行指令少，数据采集过程短。图3单片机与温度传感器连接图2.3测温主机与上位机连接89C51单片机具备串行接口，用51单片机电池温度测量装置，具有价格低、控制功能强等特点，实际应用时是不能直接用于网络串行通讯。主要问题有以下几个方面的问题，一是传输距离近，在应用系统中，测温主机与上位机相距较远，距离从几米到几十米甚至百米不等；二是工业现场干扰源多，直接利用单片机的串行接口，抗干扰能力差，单片机甚至根本不能工作；三是单片机接口信号为3.3，不能与上位机电平匹配，同时还存在电源共地的问题。因此主机电路采用具有电磁隔离的AMD2587芯片构成RS-485总线接口实现数据的远程传输，通过RS-485 物理通信接口与上位机连接。采集到的温度数据通过连成的总线型网络进行传输，测温主机将接收DS18B20 传感器所测得的的温度数据，并将这些数据进行处理与转化发往上位机。单片机主程序实现对DS18B20 传感器的实时数据采集，将结果存贮于单片机的RAM 区。中断服务程序实现测温主机与上位机的通信。系统具有通信功能强、可靠性高、程序设计简单等特点。测温主机实时完成电池温度数据采集，将采集的数据存放于外部存储器RAM中，当收到上位机的上传数据命令时，由发送子程序将数据进行打包后送出。数据上传到上位机并在上位机的监控界面显示给用户。3 软件设计软件主要由温度数据采集、数据处理和传输三部分组成。3.1 温度测量与数据采集软件的工作流程DS18B20 以单总线协议工作，基于上述单片机与DS18B20温度传感器连接方式，软件采用以P1、P2口成组进行温度测量与数据采集。测温主机首先通过P1、P2口发送复位冲命令，使信号线上所有的DS18B20 芯片都被复位，接着发送温度变换操作命令，使DS18B20被激活进入接收内存访问命令状态；内存访问命令完成温度转换、温度读取等作。存储器操作命令为：写暂存存储器(0x4EH) 、读暂存存储器(0xBEH)、复制暂存存储器(0x48H)、温度变换(0x44H)命令。DS18B20对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照它的时序要求去操作。DS18B20 的数据读写由单片机来完成，包括初始化、读数据和写数据。程序流程如图4所示：图4温度数据采集流程图3.2 DS18B20的时延及读写时序问题为保证DS18B20的严格I/O时序，需要作较精确的延时。在DS18B20的操作中，用到很多的延时，C51编译器提供了若干内部函数_nop_()函数为其中之一，其编译结果就是在对应位置嵌入一个nop汇编指令，所以短时间延时可利用_nop_()函数实现。大于10us较长时间延时，可编写一个基本延时函数，在DS18B20操作中，用到的较长时间延时有15us、90us、270us、540us等，这些延时均为15us的整数倍，编写一个Delayl5(n)函数，该函数重复调用可实现约15usn的延时。3.2.1 复位DS18B20的初始化包括发送复位脉冲指令。总线在开始时刻发出一个最短为480us的低电平复位脉冲，接着在该时刻释放总线并进入接收状态，DS18B20在接收到总线的电平上升沿，等待1560us后，发出60240us时延的低电平存在脉冲信号，表明器件已接在总线上。时序如图3所示。图4 复位时序由于每个温度芯片都独立的连接在单片机的一个数字量接口，所以采取16只温度芯片同时进行温度采集的方案，因此复位阶段也是同时完成复位即完成握手信号。3.2.2主机向传感器写指令和读数据主机在该时刻将总线从高电平拉至低电平，产生“写”的时间隙。从该时刻开始15us之内，应将所需写的位送到总线上，DS18B20在该时刻后的1545us期间内对总线采样，低电平“0”或“1”写入DS18B20。连续写两位之间的间隙应大于1us。写时序如图4所示。图4 主机写时序起始时刻将总线从高电平拉至低电平，持续15us之后将总线释放，就产生读时间间隙。测温主机机必须在该时刻之后的15us之内完成读总线状态，并在45us内释放总线，连续读两位之间的间隙应大于1us。读时序如图5所示。图5 读写时序3.3 数据处理测温主机首先通过P1或P2口以字节的形式对信号线上所有的DS18B20 芯片进行读写操作，读取的数据并非是DS18B20中按字节存储的真正的内存数据，而是按照读取顺序得到的一组代码，其第一个字节中各位数是所有DS18B20中内存数据的最高位，第二个字节中各位数是所有DS18B20中内存数据的第二位，依此类推，共16个字节，一个字节8位得到16*8的一个矩阵，该矩阵的第一列数据为P1.0和P2.0所连接的温度芯片的温度数据，第二列为P1.1和P2.1的数据，依次类推。实际应用时利用主机中位操作指令，将数据矩阵的每一列数据组合成两个字节输出给上位机，上位机经过处理在触摸屏上显示出实际温度值。数据转换的程序流程图如图 所示。3.4 上位机通讯软件测温主机设计了标准的RS-485通讯接口。利用ModBus通讯协议与上位机交换数据，这个通讯协议已广泛被国内外电力行业及工控行业作为系统集成的标准。这里采用的是ModBus RTU 方式进行通讯，上位机作为通讯主机，测温主机作为通讯从机。S7-200提供了标准的ModBus RTU 方式通讯协议和相关指令，信息传输为异步方式，并以字节为单位。在主站和从站之间传递的通讯信息是11位的字格式，当通讯命令由上位机发送至测温主机时，符合相应地址码的接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给上位机机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。每次通讯信息帧传送的第二个字节为ModBus通讯规约定义的功能码，这里只用到功能码03，即读取一个或多个寄存器的数据。4 总结本文论述了以DS18B20 为传感器，89C51 单片机为控制核心组成的电池组温度检测装置。由于DS18B20 采用数字单总线技术，使得系统电路简单，总线数字化，使得系统