智能型衛(wèi)星電源V-T曲線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

加快我國(guó)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮數(shù)字電路體積小、重量輕、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提高電源分系統(tǒng)的電能重量比，我們以單片機(jī)AT89s52和溫度傳感器DS18B20為核心，設(shè)計(jì)了一種智能型衛(wèi)星電源V-T曲線控制系統(tǒng)。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)為整個(gè)衛(wèi)星正常運(yùn)行提供了穩(wěn)定的電源，它是衛(wèi)星電能產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、調(diào)節(jié)、傳輸分配和管理的重要分系統(tǒng)。其通過(guò)物理和化學(xué)過(guò)程，將太陽(yáng)的光能、核能或化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并根據(jù)需要對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)和變換，然后向衛(wèi)星其他各分系統(tǒng)不間斷供電。我國(guó)的衛(wèi)星大都采用太陽(yáng)能/蓄電池供電系統(tǒng)。蓄電池充電終壓控制采用電壓-溫度補(bǔ)償法，即V-T曲線控制。目前，常用的方法是利用熱電耦或鉑電阻作為蓄電池溫度傳感器，這種溫度補(bǔ)償?shù)挠布刂齐娐肥?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬電路">模擬電路，已經(jīng)在我國(guó)各種型號(hào)的衛(wèi)星上獲得成功應(yīng)用。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)

某型號(hào)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)原理

該衛(wèi)星電源系統(tǒng)一次電源母線為全調(diào)節(jié)直流母線系統(tǒng)，主要包括太陽(yáng)電池陣、蓄電池組和電源控制器。在方案設(shè)計(jì)中，采用太陽(yáng)電池供電陣、充電陣分陣設(shè)計(jì)。在光照期，太陽(yáng)電池供電陣為母線長(zhǎng)期負(fù)載供電，太陽(yáng)電池充電陣對(duì)蓄電池組充電；在陰影期，由蓄電池組通過(guò)放電調(diào)節(jié)模塊為母線負(fù)載供電。當(dāng)光照期衛(wèi)星出現(xiàn)峰值負(fù)載，且太陽(yáng)電池供電陣輸出功率不能滿足母線負(fù)載供電需求時(shí)，由太陽(yáng)電池充電陣經(jīng)放電調(diào)節(jié)器，為母線補(bǔ)充能量。在此基礎(chǔ)上，若太陽(yáng)電池陣（供電、充電陣）功率還不足，由蓄電池組經(jīng)放電調(diào)節(jié)模塊補(bǔ)充供電，呈與太陽(yáng)電池陣聯(lián)合供電工作模式。充電陣為負(fù)載供電優(yōu)于為蓄電池組充電，供電陣只有當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出電能富裕，才通過(guò)分流模塊調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣輸出富裕的功率，卸放掉多余的電流，保持一次電源母線輸出的穩(wěn)定。因此，衛(wèi)星在光照期和陰影期，電源系統(tǒng)的母線輸出電壓，均保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

V-T曲線控制原理

圖1中的鎘鎳蓄電池組失效方式有泄漏、開(kāi)路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中開(kāi)路失效出現(xiàn)的可能性非常小，主要存在裝配過(guò)程的機(jī)械損傷和質(zhì)量控制出問(wèn)題，通過(guò)加強(qiáng)質(zhì)量控制和檢驗(yàn)工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經(jīng)長(zhǎng)期使用，最主要的失效表現(xiàn)就是性能衰減。因此，在使用時(shí)采用電壓溫度補(bǔ)償下的充電控制方式，并由星務(wù)計(jì)算機(jī)參與控制管理，整個(gè)壽命期設(shè)置多條硬件控制V-T曲線和多點(diǎn)充放電比選擇，可根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過(guò)遙控選擇相應(yīng)的補(bǔ)償曲線，保證鎘鎳電池組工作處于良性循環(huán)。

V-T曲線控制關(guān)系為：V=(Vs-kT)×N

式中，Vs為電壓狀態(tài)值，T為溫度；k為溫度系數(shù)；N為補(bǔ)償系數(shù)。

當(dāng)溫度T上升，電壓V下降，表明當(dāng)蓄電池升高時(shí)，需要調(diào)節(jié)充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線補(bǔ)償。采用V-T曲線跟蹤補(bǔ)償方案控制蓄電池充電終止電壓，通過(guò)測(cè)量蓄電池組端電壓和單體溫度，根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度補(bǔ)償電壓曲線確定充電結(jié)束狀態(tài)。同時(shí)，充電器內(nèi)部設(shè)有保護(hù)性充電終止電壓控制，在電源控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以停止蓄電池充電，保證蓄電池組安全。

數(shù)字溫度傳感器DS18B20

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)。

1 DS18B20的特點(diǎn) ds18b20電路圖

● 單線制接口方式，僅需要一根信號(hào)線與CPU連接，傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件。
● 每個(gè)芯片有惟一編碼，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。
● 測(cè)溫范圍為-55～+125℃，分辨率的默認(rèn)值12位。
● 測(cè)溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)為9～12位，可編程選擇。
● 既可用數(shù)據(jù)線供電，也可用外部的電源(3.0～5.5V)供電。

2 DS18B20的結(jié)構(gòu)及功能

DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝。其內(nèi)部主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫存器，存儲(chǔ)用戶設(shè)定溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等七部分。

其中，ROM由64位二進(jìn)制數(shù)字組成，由廠家光刻，共分為8字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號(hào)28H，字節(jié)1～6的內(nèi)容是48位器件序列號(hào)，字節(jié)7是ROM前56位的校驗(yàn)碼。每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同，它可以看做是該DS18B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20的作用都不相同，這樣，就可以實(shí)現(xiàn)一根總線掛接多個(gè)DS18B20的目的。

3 DS18B20的工作時(shí)序

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)如下步驟。每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，再發(fā)送RAM指令。每一步操作必須嚴(yán)格按照時(shí)序規(guī)定進(jìn)行。

4 DS18B20使用中注意事項(xiàng)

復(fù)位命令要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放。DS18B20收到信號(hào)后等待16～60μs左右，然后發(fā)出60～240μs的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)則表示復(fù)位成功。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法正確讀取測(cè)溫結(jié)果。

一般，人們誤認(rèn)為在單總線上可以掛任意多個(gè)DS18B20，但實(shí)際應(yīng)用并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，則需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。

連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通信距離可達(dá)150m；當(dāng)采用帶屏蔽層且每米絞合次數(shù)更多的雙絞線電纜時(shí)，正常通信距離進(jìn)一步加長(zhǎng)，這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻摹Ｒ虼?，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。

向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。因而在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。

V-T曲線控制系統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)

1硬件設(shè)計(jì)

選用美國(guó)Atmel公司增強(qiáng)型Flash單片機(jī)AT89s52作為主處理器以完成主要的測(cè)控任務(wù)，其內(nèi)嵌8K Flash ROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點(diǎn)是集成了ISP接口，可直接在目標(biāo)板上進(jìn)行在系統(tǒng)編程，為用戶帶來(lái)了極大的方便。選用DS18B20作為溫度測(cè)量單元，單總線上掛接的DS18B20采用外接VCC方式而未用寄生供電，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用AD574，精度12bit。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 V-T曲線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序，等等。編程時(shí)必須嚴(yán)格按照DS18B20時(shí)序規(guī)定進(jìn)行。尤其需要注意的是，在多點(diǎn)溫度測(cè)量中，由于多個(gè)DS18B20掛在一條總線上，為了識(shí)別不同的器件，在系統(tǒng)安裝之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS18B20掛接，讀出其序列號(hào)。數(shù)字V-T曲線控制系統(tǒng)主程序和測(cè)溫子程序分別如圖3、4所示。

圖3 主程序

圖4 測(cè)溫子程序

結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用AT89s52單片機(jī)、DS18B20嵌入式數(shù)字溫度傳感器等設(shè)計(jì)了智能型V-T曲線充電控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制要求。與傳統(tǒng)的模擬硬件控制電路相比，很好地解決了衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等問(wèn)題，該設(shè)計(jì)方案將廣泛應(yīng)用于我國(guó)的航天領(lǐng)域。