数字温度传感器DSl8820在卫星电源系统中设计原理

为加快我国卫星电源分系统的数字化设计．充分体现数字电路体积小、重量轻、功耗低、适
应性强和可靠性高等优点，提高电源分系统的电能重量比，本文以DSl8820作为温度传感器,并采用单片机控制系统进行数据的采集、计算、调节及V-T曲线控制。

卫星电源系统主要用来为整个卫星的正常运行提供稳定的电源。它是卫星电能产生、储存、变换、调节、传输分配和管理的重要分系统。其基本功能是通过物理和化学过程将太阳的光能、核能或化学能转化为电能，并根据需要对电能进行存储、调节和变换，然后向卫星其它各分系统不间断供电。我国的卫星大都采用太阳能／蓄电池供电系统。蓄电池充电终压控制采用电压一温度补偿法，即V-T控制。蓄电池温度传感器传统上一般选用热电耦或铂电阻。模拟电路硬件控制是温度补偿的常用方法，已经在我国各种型号的卫星上获得成功应用。

1 V-T曲线控制原理

　　V-T曲线的控制关系为：V=N(Vs-kT)
式中：Vs电压状态值；T温度；k温度系数；N为补偿系数。 如温度T上升，电压v下降，这表明此时蓄电池升高，需要调节充电电压使温度降低，这就是V-T曲线补偿。其具体方法是采用V-T曲线跟踪补偿方案来控制蓄电池的充电终止电压．然后通过测量蓄电池组的端电压和单体温度．以预设的温度补偿电压曲线确定充电结束状态。同时在充电器内部设置保护性充电终止电压控制．以在电源控制计算机出现故障时停止对蓄电池充电．从
而保证蓄电池组的安全。

2 数字温度传感器DS18B20

2．1 DS18B20的主要特点

　　DS18B20是美国DALLAS公司继DSl820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都比DSl820有所改进。DS18B20的主要特点如下：

　　◇采用单总线方式，仅需一根信号线与CPU连接即可传送串行数据，且不需要外部元件；

　　◇每个芯片都有惟一编码。多个DS18B20；芯片可以并联在一根总线上，故可实现多点测温；

　　◇测温范围为-55～125℃，分辨率为12位；

　　◇测温结果的数字量位数为9～12位，并可编程选择；

　　◇可用数据线供电，也可用外部电源。

2．2 DS18B20的结构及功能

　　DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其管脚排列如图l所示。GND为地；I／O为数据输入／输出端(即单线总线)，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD外部+5V电源端．不用时应接地。

　　DS18B20的内部结构主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。其中ROM由64位二进制数字组成，它由生产厂家光刻而成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位校验码。每个DS18B20的64位序列号均不相同，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样，就可以在一根总线上挂接多个DS18B20。

　　DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。

2．3 DS18B20的工作时序

　　根据．DS18B20的通信协议，用主机控制DS18B20以完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20生行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作，每一步操作必须严格按照时序规定进行。DS18B20的_T作时序包括初始化时序、写时序和读时序。

2.4 DS18B20使用注意事项

　　主机控制DS18B20完成温度转换时，在每一次读写之前，都要对DS18B20进行复位，而且该复位要求主CPU要将数据线下拉500μs，然后释放。DS18B20收到信号后将等待16～60μs左右，之后再发出60～240μs的低脉冲。主CPU收到此信号即表示复位成功。实际上，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送方式，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写
时序，否则，将无法正确读取测温结果。

　　对于在单总线上所挂DS18B20的数量问题，一般人们会误认为可以挂任意多个DS18B20，而在实际应用中并非如此。若单总线上所挂DS18B20超过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题，因此，在进行蓄电池单体多点测温
系统设计时该问题要加以注意。

　　连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中．当采用普通信号电缆且其传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。而将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，如采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆，则正常通信距离还可以进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的，因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布容和阻抗匹配问题。

　　在DS18B20测温程序设计中，当向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DSl8820的返回信号。这样，一旦某个DS18B20接触不好或断线，在程序读该DS18B20时就没有返回信号，从而使程序进入死循环。因此，在进行DS18B20硬件连接和软件设计时，应当给予足够的重视。

3数字V-T曲线控制系统

3.1 硬件设计

　　本设计选用美国Atmel公司的增强型Flash单片机AT89S52作为主处理器来完成主要的测控任务．A999S52内嵌的8 KB Flash ROM可在软硬件上兼容AT89C52，但其最大的特点是集成了ISP接口．因而可直接在目标板上进行在线编程。另外,设计中选用DALLAS公司的DS18B20作为温度测量单元，其单总线上挂接的DS18B20采用外接Vcc(而未用寄生供电)，进行多点测量；模数转换采用ADI公司的AD574，精度为12 bit。

3.2软件设计

　　本系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等。编程时必须严格按照DS18B20的时序规定进行。尤其需要注意的是,在多点温度测量中，由于多个DS18B20挂在一条总线上，为识别不同的器件，在系统安装之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，以读出其序列号。具体是由主机先给DS18B20发一个复位脉冲，在DS18B20发回响应脉冲给主机后，主机再发读ROM命令(代码33H)，并发一个15μs左右的脉冲，接着再读取DS18B20序列号的一位，并用同样方法读取序列号的每一位。

4系统抗干扰设计

　　为了该系统能够稳定可靠地工作，本系统还应对其进行抗干扰设计。具体应从以下几个方面人手进行设计：

　　(1) 线加粗，合理走线、接地，三总线分开。使用完全光耦隔离方法来提高抗干扰能
力，减少互感振荡，光耦应选择高速器件；

　　(2) CPU、RAM、ROM等主芯片应在Vcc和GND间接电解及瓷片电容，以去掉高低频干扰；

　　(3) 应采用独立系统结构，并减少接插件与连线,以提高可靠性，减少故障率；

　　(4) 在外部供电的输入口应加二极管桥抑制电路，以防止逆向电流的出现，同时也使得内外电路的地线隔离，从而起到抗干扰作用；

　　(5) 加复位电压检测电路可防止复位不充分从而CPU就工作的现象,尤其在有EEPROM器件时，复位不充分会改变EEPROM的内容；

　　(6) 在单片机空单元写上00H，并在最后放跳转指令到ORG 0000H，可防止程序跑飞。

5 结束语

　　应用AT89S52单片机和DS18B20嵌入式数字温度传感器等设计的V-T曲线控制补偿系统，可以方便地进行数据采集、计算和调节。试验结果表明，该控制系统完全可以达到设计要求，以实现数字化的数据采集、数据处理和控制要求。该方法与传统的模拟硬件控制系统相比，可以很好地解决卫星电源分系统的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等问题。可以预见，该设计方案在我国的航天领域将有很大作为。