關(guān)鍵詞：傳感器、特性、原理、采集

01

.鋰動(dòng)力電池單體溫度測量

    鋰動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車(chē)運行的唯一能量來(lái)源，是電動(dòng)汽車(chē)的核心組成部分，在電動(dòng)汽車(chē)上扮演著(zhù)等同于燃油車(chē)輛中“發(fā)動(dòng)機”的重要角色。為了使鋰動(dòng)力電池處在最佳的工作狀態(tài)并且隨時(shí)把握好鋰動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，需要選用一種抗干擾能力強、測量精度高的溫度傳感器器件對鋰動(dòng)力鋰動(dòng)力電池單體的溫度進(jìn)行準確測量。

    隨著(zhù)鋰動(dòng)力電池的能量密度的提升和安全裕度的降低，鋰動(dòng)力電池溫度對電池的容量、電壓、內阻、充放電效率、使用壽命、安全性和鋰動(dòng)力電池一致性等方面都有較大的影響，所以鋰動(dòng)力電池在使用中必須進(jìn)行溫度監測。

    測量的核心的問(wèn)題是要知道鋰動(dòng)力電池單體本身的溫度，通過(guò)溫度傳感器得到鋰動(dòng)力電池的冷卻開(kāi)啟溫度點(diǎn)、限制功率溫度點(diǎn)、停止輸出溫度點(diǎn)、極端熱事件溫度點(diǎn)電路，如圖1所示。

    目前單體電池溫度的測量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣來(lái)讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關(guān)系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個(gè)鋰動(dòng)力電池單體上，分時(shí)將不同鋰動(dòng)力電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進(jìn)行溫度采樣，實(shí)現鋰動(dòng)力電池單體溫度的巡檢。

    在采用普通熱敏電阻機箱溫度測量時(shí)，因其測量精度為±1.0℃，誤差較大。同時(shí)有時(shí)由于制造工藝原因，熱敏電阻個(gè)體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測量校準的困難。進(jìn)行多點(diǎn)溫度巡檢時(shí)，同樣要解決分時(shí)通道選通問(wèn)題，所以同樣就需要考慮設計簡(jiǎn)潔性問(wèn)題。

 

02

.DS18B20 溫度傳感器特性及測溫原理

（1）DS18B20 溫度傳感器特性：

    DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強，精度高的特點(diǎn)。DS18B20數字溫度傳感器接線(xiàn)方便，可應用于多種場(chǎng)合。S18B20的主要特性如下：

1）適應電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線(xiàn)供電。

2）DS18B20具有獨特的單線(xiàn)接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯—的三線(xiàn)上，實(shí)現組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。最多能并聯(lián)8個(gè)，如果數量過(guò)多，會(huì )使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號傳輸不穩定。

4）不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在外形如一只三極管的電路內。

5）測溫范圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時(shí)精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1℃。

6）可編程的分辨率為9位～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現高精度測溫。

7）在9位分辨率時(shí)，最多93.75ms便可把溫度轉換為數字，12位分辨率時(shí)最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

8）直接輸出數字溫度信號，以一線(xiàn)總線(xiàn)串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

9）電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì )因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

（2）DS18B20測溫原理：

    DS18B20測溫原理如圖2所示，在圖2中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號發(fā)送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數器2的脈沖輸入。圖2中還隱含著(zhù)計數門(mén)，當計數門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計數，進(jìn)而完成溫度測量。

    計數門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數振蕩器來(lái)決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在 -55 ℃ 所對應的一個(gè)基數值。

    計數器1對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數，當計數器1的預置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開(kāi)始對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數，如此循環(huán)直到計數器2計數到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數值即為所測溫度。

    斜率累加器用于補償和修正測溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門(mén)仍未關(guān)閉就重復上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。

    由于DS18B20單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數據。因DS18B20采用一線(xiàn)通信接口，所以必須先完成ROM設定，否則記憶和控制功能將無(wú)法使用。首先提供以下功能命令之一：

1）讀ROM。

2）ROM匹配。

3）搜索ROM。

4）跳過(guò)ROM。

5）報警檢查。

    這些指令操作作用在沒(méi)有一個(gè)器件的64位光刻ROM序列號，可以在掛在一線(xiàn)上多個(gè)器件選定某一個(gè)器件，同時(shí)，總線(xiàn)也可以知道總線(xiàn)上掛有有多少，什么樣的設備。

 

03

.基于DS18B20的鋰動(dòng)力電池單體溫度采集

    鋰動(dòng)力電池模組主要由多個(gè)單體電芯所組成，通過(guò)合理的模組設計，可以通過(guò)有限的幾個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)得到整個(gè)鋰動(dòng)力電池模組內電芯的溫度。正常工作的時(shí)候，電芯的溫度是均勻的，而在鋰動(dòng)力電池模組出現異常情況下，電芯的溫度會(huì )出現較大的溫差�？紤]到電池管理系統對溫度測量實(shí)時(shí)性和準確性的要求，在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)鋰動(dòng)力電池單體溫度采集系統設計時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題：

1)溫度采集系統是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的一個(gè)重要組成部分，鑒于電池管理系統自身的復雜性，要盡量節省單片機端口資源的使用。

2)合理設計軟硬件，保證系統工作的穩定性和可靠性。

3)要求系統可以識別單線(xiàn)總線(xiàn)上掛接的所有單總線(xiàn)器件，按照設計需要準確得到目標器件的溫度值，并確保數據傳感器數據被總線(xiàn)控制器接收的準確性。

（1）DS18B20 的連接方式：

    DS18B20 采用單總線(xiàn)技術(shù)，測溫范圍-55℃～+125℃，全數字溫度轉換及輸出，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現多點(diǎn)溫度采樣。采用DS18B20 多點(diǎn)組網(wǎng)功能也可以實(shí)現鋰動(dòng)力電池單體溫度采樣，但是多點(diǎn)采樣時(shí)需要識別每個(gè)DS18B20 獨有的ROM 碼，影響采樣速度，同時(shí)無(wú)法將ROM碼同器件的實(shí)際物理位置關(guān)聯(lián)起來(lái)。

    所以多點(diǎn)組網(wǎng)功能不適合鋰動(dòng)力電池單體溫度的巡檢�；�于DS18B20的分時(shí)讀取數據的多點(diǎn)溫度采樣方法，采樣啟動(dòng)和數據讀取都是跳過(guò)ROM 碼校驗進(jìn)行的。

    DS18B20 的連接方式如圖3 所示，在圖3中 K1、K2,……Kn是光電繼電器，其通斷情況同樣由移位寄存陣控制。一開(kāi)始K1,K2,……Kn 全部閉合，MCU向所有DS18B20 發(fā)送采樣啟動(dòng)命令，啟動(dòng)命令發(fā)送完后斷開(kāi)所有光電繼電器，然后逐個(gè)閉合K1、K2,……Kn，讀取相應傳感器的溫度數據，實(shí)現分時(shí)讀取數據。采用同時(shí)啟動(dòng)分時(shí)讀取數據的多點(diǎn)溫度采樣方法，其所用時(shí)間僅比單點(diǎn)溫度采樣所用的時(shí)間多了數據讀取的時(shí)間，所以其采樣速度比較快。

（2）DS18B20的供電方式:

1）DS18B20在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線(xiàn)信號線(xiàn)上汲取能量，在信號線(xiàn)DQ處于高電平期間把能量?jì)Υ嬖趦炔侩娙堇�，在信號線(xiàn)處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來(lái)再給寄生電源（電容）充電。寄生電源供電方式的優(yōu)點(diǎn)有：

1）進(jìn)行遠距離測溫時(shí)，無(wú)需本地電源。

2）可以在沒(méi)有常規電源的條件下讀取ROM。

3）電路更加簡(jiǎn)潔，僅用一根I/O口實(shí)現測溫。

    要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉換，I/O線(xiàn)必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線(xiàn)上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時(shí)，只靠4.7kΩ上拉電阻就無(wú)法提供足夠的能量，會(huì )造成無(wú)法轉換溫度或溫度誤差極大。

2）DS18B20寄生電源強上拉供電方式。為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉換周期中獲得足夠的電流供應，當進(jìn)行溫度轉換或拷貝到E2存儲器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線(xiàn)直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動(dòng)溫度轉換的指令后，必須在最多10μs內把I/O線(xiàn)轉換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不足的問(wèn)題，因此也適合于多點(diǎn)測溫應用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線(xiàn)進(jìn)行強上拉切換。

3）DS18B20的外部電源供電方式。在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線(xiàn)不需要強上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉換精度，同時(shí)在總線(xiàn)上理論可以?huà)旖尤我舛鄠�(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統。在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。

（3）DS18B20應用中應注意事項：

    DS18B20雖然具有測溫系統簡(jiǎn)單、測溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應用中也應注意以下問(wèn)題：

1）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DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語(yǔ)言進(jìn)行系統程序設計時(shí)，對DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)現。

2）當單總線(xiàn)上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統設計時(shí)要加以注意。

3）連接DS18B20的總線(xiàn)電纜是有長(cháng)度限制的，當采用普通信號電纜傳輸長(cháng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測溫數據將發(fā)生錯誤。當將總線(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，當采用每米絞合次數更多的雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(cháng)。在用DS18B20進(jìn)行長(cháng)距離測溫系統設計時(shí)，要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配問(wèn)題，否則總線(xiàn)分布電容將使信號波形產(chǎn)生畸變。

4）在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線(xiàn)，當程序讀該DS18B20時(shí)，將沒(méi)有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設計時(shí)也要給予一定的重視。測溫電纜線(xiàn)應采用屏蔽4芯雙絞線(xiàn)，其中一對線(xiàn)接地線(xiàn)與信號線(xiàn)，另一組接VCC和地線(xiàn)，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。