基于单片机的蓄电池温度监控系统设计

李建海，杨帆，孙艳丽

（海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001）

基于单片机的蓄电池温度监控系统设计

李建海，杨帆，孙艳丽

（海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001）

温度是蓄电池的一个重要参数，为使电池处在最佳工作状态，需对电池温度进行实时监控。设计了一种基于STC89C52单片机、单总线数字温度传感器DS18B20、LED显示器和USB-RS232转换器的电池温度监控系统。介绍了系统的结构组成、硬件电路设计、控制程序设计和上位机监控等。试验表明，系统具有测温速度快、精度高，易于扩展，系统升级方便，监控良好等特点。

蓄电池；温度控制；单片机；DS18B20

蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种直流供电装置，在电力、通信、航空等领域的直流供电系统中起着重要的作用。温度是蓄电池的一个重要参数，能间接反映电池的性能状况，电池充放电会引起电池温度的变化，温度过高会损坏电池。阀控式密封铅酸蓄电池的电解液温度在25℃时,容量为100%；当温度降低至-20℃时,放出容量仅为60%[1]。航空镉镍蓄电池组电解液的最佳工作温度是15℃左右，温度低于-18℃无法保证正常工作[2-3]。通信系统大都采用蓄电池提供不间断的直流供电，电池温度过高会影响电池的工作效率和寿命[4]，进而影响通信系统的可靠性和稳定性。为使蓄电池处在最佳的工作状态，实时掌握电池的荷电状态，提高蓄电池使用可靠性和延长电池寿命，必须对蓄电池组的工作温度进行实时监控。本文设计了一种基于单片机和数字温度传感器的电池温度监控系统，具有抗干扰能力强、测量精度高、智能化程度高等特点，能够达到实时监控电池温度的目的。

1 系统结构组成

系统硬件总体结构如图1所示，主要由单片机系统、温度采集电路、显示电路、报警电路、温度控制电路和通信模块等组成。

图1 系统总体结构

系统采用STC89C52单片机作为主控制器，实时检测数字温度传感器DS18B20采集的温度信息并进行存储，同时用LED数码管进行显示，将得到的参数与设定的温度阈值进行比较，当温度低于设定值时，启动温度控制电路进行加热，使温度升至设定值；当温度高于设定值时，启动温度控制电路进行散热，使温度降至设定值。当温控电路故障不能进行温度控制时，启动报警电路声光告警；通信模块采用基于PL2303的USB-RS232转换模块，用于与上位机通信，完成监控程序的下载，向上位机传送数据以及系统的在线调试、升级等功能。

2 硬件电路设计

2.1 温度采集电路设计

常见的温度测量元件有热电阻、热电偶、模拟式集成温度传感器和数字式集成温度传感器等。热电偶和热电阻温度传感器把信号转化为电动势/电阻和温度之间的非线性关系，热电偶输出的热电势信号为毫伏级，不宜远距离传输，还需进行冷端温度补偿，需要配接补偿电桥或冷端补偿器等装置，使用不方便；热电偶和热电阻输出的都是模拟信号，不便于实现数字式测量[5]。通用性较强的AD590是电流输出型模拟式集成温度传感器，其输出电流与绝对温度成正比，温度每升高1K，输出电流就增加1 μA，需要附加电流/电压变换电路和A/D转换器才能进行数字量的控制，同时取样电阻也有一定的误差，具有电路复杂、测量有偏差等不足[6-7]。DS18B20是一种适配微处理器的智能型数字温度传感器，它将温度传感器、A/D转换器、寄存器及接口电路集成在一个形如三极管的芯片中，采用单总线协议，不需任何外围电路就可直接输出数字温度信号，测温范围-55～+125℃，精度可达±0.5℃，可编程9～12位A/D转换精度，测温分辨率达0.062 5℃，可实现高精度测温。另外，DS18B20内置了专门用于存储高低温报警触发值TH和TL的非易失性电可擦除EEPROM，掉电后数据不丢失，上电复位时数据从EEPROM载入到中间结果暂存器，确保报警门限数据的完整性和安全性[8-10]。综合各类测温元件的优缺点，系统选用具有数字量输出的单总线传感器DS18B20作为温度信号的测量单元。

DS18B20有外部电源供电和寄生电源供电两种方式。寄生电源供电采用一根数据总线，既传输数据又进行供电，温度测量时间较长；外部电源供电方式数据总线用来专门传输数据，测量速度较快。系统采用外部电源供电，接线方式如图2所示，数据总线DQ与单片机的P1.0口相连，单总线通常要求外接约5 K的上拉电阻，其他3路温度测量分别接P1.1、P1.2和P1.3口。

图2 DS18B20与单片机连接

2.2 显示电路设计

系统采用3个数码管显示温度，为节省系统资源，采用动态扫描的工作方式，硬件电路如图3所示[11]。

图3 显示电路

采用LED数码管显示，必须考虑驱动和限流两个方面的问题，利用P3.2、P3.3、P3.4通过小功率三极管9012驱动共阳极数码管的公共端进行位选信号的控制，P2.0至P2.7控制段选信号。由于数码管中的发光管导通时电压为1.5～1.8 V，导通电流一般要求 5～10 mA，限流电阻 R1～R8选择依据是（5-1.8）V/10 mA=320 Ω，根据电阻的标称值系列选择300 Ω，此时的段电流约为11 mA左右，满足工作要求。

2.3 温控电路设计

温控电路包括加热和降温两个部分，其电路组成基本相同，主要由三极管9013、继电器和温控装置等组成。降温电路如图4所示，当温度大于高温告警门限值时，单片机P3.5端口输出高电平控制继电器接通散热风扇，达到降温目的，加热电路与此类似。

2.4 通信模块设计

监控系统与上位机通信采用基于PL2303的USB-RS232转换器来实现[12]。PL2303具有双向转换功能，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。PL2303双向转换模块与单片机的硬件连接如图5所示，芯片的TXD、RXD管脚分别接单片机的P3.0和P3.1口[13]。数据通信前需在PC机上安装转换模块的USB驱动程序，以实现监控程序的下载和温度数据的上传。

图4 降温电路

图5 通信电路

3 控制程序设计

监控程序采用模块化的编程思想，控制程序主要由初始化模块、测温模块、数据显示模块、告警保护模块、温度控制模块和数据通讯模块等组成。

初始化模块主要完成单片机系统的通信、中断及定时初始化以及DS18B20的初始化等，其余功能模块完成温度的采集、显示、温度控制和告警保护等功能。控制程序的流程如图6所示。

图6 控制程序流程

4 上位机监控设计

LabVIEW是一种图形化编程开发工具，采用数据流的方法描述程序的执行。根据系统功能的要求，上位机监控程序主要完成4路蓄电池的温度信息的监测，实时显示温度变化的曲线图，设置温度告警的门限、告警显示等功能，其监控界面如图7所示[14-15]，4路温度分别为25℃、22℃、25℃、23℃，温度上限设置为30℃，下限设置为20℃，监控界面显示直观、人机交互良好。

图7 上位机监控界面

5 结束语

文中设计了一种基于STC89C52单片机、单总线数字温度传感器DS18B20、LED显示器和USBRS232转换器的电池温度监控系统。上位机利用LabVIEW图形化语言的优势，使监控界面直观，功能完善。试验样机运行表明，系统具有工作可靠、测温精度高、易于维护扩展，系统升级方便，监控界面良好等特点。

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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稿件编号：201607118

李建海（1976—），男，内蒙商都人，硕士，副教授。研究方向：电气控制和电子系统设计。