温度_品慧电子

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温度保险丝

中心议题：探究串联电池电压及温度测量方法研究

解决方案：采用数字温度传感器进行温度采样方法采用单体电池电压及温度测量方法

一、引言

在提倡节能减排的时代背景下，新能源的研究正成为公众关注的焦点，以电为动力的电动车就是研究的热点之一。电池是电动车的能量之源，为确保电池组性能良好并延长其使用寿命，需要对电池组进行管理和控制，其前提是必须准确而又可靠的获得电池现存的容量参数。电池的电压及温度是和电池容量密切相关的两个参数，因此精确采集单体电池电压及温度是十分重要的。

二、常用测量方法分析

1、单体电池电压测量方法分析

串联电池组单体电池电压的测量方法有很多，比较常见的有机械继电器法隔离检测、差分放大器法隔离检测、电压分压法隔离检测、光电继电器法等。机械继电器法可直接测量每个单体的电压，但是机械继电器使用寿命有限、动作速度慢，不宜使用在长期快速巡检过程中。差分放大器隔离法的测量误差基本上由隔离放大器的误差所决定，但是由于每一路的测量成本比较高，因此在经济性上略显不足。电压分压法的响应速度快、测量的成本低，但是其缺点是不能很好的调节分压比例，测量精度也不能令人满意。

法的响应速度快，工作寿命长，测量的成本相对较低，开关无触点，能够起到电压隔离的作用，若选用的光电继电器采取PhotoMOS 技术，则能达到较高的测量精度，所以光电继电器隔离法是比较理想的单体电池电压测量方法。本文的单体电池电压测量方法就是基于光电继电器隔离法实现的。

光电继电器的通断控制策略是光电继电器隔离法要解决的重要问题。常用的光电继电器的通断控制方法有：I/O 直接控制、译码器控制、模拟开关控制等。I/O 直接控制方法简单，容易实现，但是需要占用大量的I/O 资源。译码器控制和模拟开关控制的思想类似，即用数量少的I/O 去控制数量多的光电继电器，这两种方法减少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控制、译码器控制和模拟开关控制都需要将通断控制电路、A/D 转换电路及处理器设计在同一个模块即采样模块上，这样的话单体电池的两个电极就需引线到采样模块上，整个电池组来讲就会有大量的导线连到采样模块，造成安装的繁琐和电气走线的复杂性。对单体电池电压的测量，应着重解决三个问题：使用现场与测量系统的电气隔离、降低成本和简化设计方案、提高系统精度。I/O 直接控制、译码器控制和模拟开关控制这三种光电继电器的通断控制方法在设计的简洁性方面就显得不足。

本文提出一种由移位寄存阵控制光电继电器通断的光电继电器隔离单体电池电压测量方法。该方法将光电继电器通断控制电路直接设计安装在电池上，之间的走线用排线串联起来即可，使设计方案得到了很大的简化，安装方便，电气走线简洁明了。

2、单体电池温度测量方法分析

电池温度对电池的容量、电压、内阻、充放电效率、使用寿命、安全性和电池一致性等方面都有较大的影响，所以电池在使用中必须进行温度监测。

目前单体电池温度的测量一般采用热敏电阻作为温度传感器，采用分压法由A/D 采样读取热敏电阻的端电压，根据电阻—温度关系可计算出温度值。将热敏电阻安装在每个电池上，分时将不同电池上的热敏电阻接到A/D 采样电路上进行温度采样，实现单体电池温度的巡检。采用在热敏电阻测量温度，其测量精度为±1.0℃，误差较大。同时有时由于制造工艺原因，热敏电阻个体的温度特性不是很一致，由此造成温度测量校准的困难。进行多点温度巡检时，同样要解决分时通道选通问题，所以同样就需要考虑设计简洁性问题。

本文基于移位寄存阵控制通道选通的思想，提出了一种采用数字温度传感器进行同时启动分时读取数据的多点温度采样方法。采用该方法采样精度较高，采样速度快，安装简洁方便。

温度传感器与空调原理的比较

空调器除湿原理空调器在两种模式下具备除湿功能：温度传感器

（一）制冷模式。这类空调设a、b两个交换器，在独立除湿模式下分别切换为蒸发器和冷凝器，同样空气通过蒸发器a(表面低温)析出冷凝水，再由冷凝器 b(表面高温)替换方式一中电热元器件的作用，同样使空调器出风口与进风口的温度连结了基本一致。加热出风口温度的方法也有两种：一种是利用电热元器件来加热通过蒸发器后的空气。温湿度控制器制冷的过程必定伴随着除湿，湿润空气通过空调器蒸发器后温度会大幅度下降，空气湿度处于一种过饱和状态，多余水汽以冷凝水的情势析出，凝聚于蒸发器的翅片上，也就是"凝露"，比及制冷模式到达一定的平衡状态，空气湿度也就降到了一定的水平。这类空调在室内机设有电热器件，当空气通过蒸发器(表面低温)析出冷凝水后，再由电热器件加热这部门已经降温的空气，使空调器出风口与进风口的温度连结基本一致；另一种是利用冷凝器产生的热量加热被除湿的空气。

（二）独立除湿模式。这两种加热方式只是加热器件和发烧方式不同，后者为纯物理方式。这种方式被业内子士称为恒温除湿，它的基来源根基理是将通过蒸发器被冷却了的空气再加热到本来的温度，然后再送入室内，这样室内环境在湿度下降的情况下连结了相对恒定。这是不论什么温湿度控制器都具备的模式，也是空调器最基本的功能。
温度传感器的原理是除湿器的原理，简略说是利用空气中的水分在进入除湿器蒸发器时冷凝结霜，然后积聚滴出，排入下水口，从而到达减低空间湿度的目的。

温度传感器的选择主要是根据测量范围

温度传感器的选择主要是根据测量范围。当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。热敏电阻所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。最好将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为基准的。已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。

响应时间通常用时间常数表示，它是选择传感器的另一个基本依据。当要监视贮槽中温度时，时间常数不那么重要。然而当使用过程中必须测量振动管中的温度时，时间常数就成为选择传感器的决定因素。珠型热敏电阻和铠装露头型热电偶的时间常数相当小，而浸入式探头，特别是带有保护套管的热电偶，时间常数比较大。

温度传感器的选择主要是根据测量范围。当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。温度传感器所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。最好将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为基准的。已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。

汽车温度传感器的检测方法

中心议题：探讨汽车温度传感器的检测方法解决方案：冷却液温度传感器检测方法采用进气温度传感器的检测方法利用废气再循环温度传感器利用双金属片式温度传感器
常用的温度传感器有热电阻式、热电偶式、热敏铁氧体式、晶体管型、集成型等 5 种。随着汽车电子控制技术的发展，温度传感器的应用也越来越广，例如，冷却液温度传感器、空气温度传感器、变速器油温度传感器、排气温度传感器 ( 催化剂温度传感器 ) 、 EGR 监测温度传感器、车外温度传感器、车内温度传感器、日照温度传感器、蒸发器出口温度传感器、热敏开关等。如何在实际维修中，对温度传感器进行快速检测 ? 一般有用万用表测电压、测电阻等方法，现述如下。

一、冷却液温度传感器

当出现因汽车负载过大、缺水、点火时间不对、风扇不转等故障，造成冷却液温度过高时。会使发动机机体温度上升，从而使发动机不能工作，所以在仪表系统内设计了冷却液温度表。利用冷却液温度传感器检测发动机冷却液温度，让驾驶员能够直观地看出，发动机冷却液在任何工况时的温度，并及时作出相应的处理。在电控系统中也安有冷却液温度传感器，用

于喷油量修正信号。冷却液温度传感器安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却液直接接触，用于测量发动机的冷却液温度。冷却液温度表使用的温度传感器是一个负温度系数热敏电阻 (NTC) ，其阻值随温度升高而降低，有一根导线与电控单元 ECU 相连。另一根为搭铁线．如图 l 所示。

1 ．用万用表检测冷却液温度传感器

(1) 在车检查。将点火开关关闭，拆下传感器的连接器，用汽车专用万用表的 Rx1 挡，测试传感器两端子的阻值。以皇冠 3 ． O 的 THW 和 E2 端子为例，在温度为 0 ℃ 时，电阻为 4 — 7k Ω；在温度为 20 ℃ 时，电阻为 2 ～ 3k Ω；在温度为 40 ℃ 时间，电阻为 O ． 9 一 1 ． 3k Ω；在 60 ℃ 时为 O.4 ～ 0 ． 7k Ω，在 80 ℃ 时，为 0 ． 2 ～ O ． 4k Ω。冷却液温度传感器的电阻值与温度的高低成反比。

(2) 单件检查。拆下冷却液温度传感器导线连接器，然后从发动机上拆下传感器。将传感器置于烧杯内的水中，加热杯中的水。随着温度逐渐升高。用万用表电阻挡测量传感器的电阻值，将测得的值与标准值相比较，若不符合，应更换冷却液温度传感器。

2 ．冷却液温度传感嚣输出信号电压的检查

安装好冷却液温度传感器，将传感器的连接器插好。当点火开关置于 ON 位置时，测量图 1 中连接器“ THW ”端子 ( 丰田车 ) 或 ECU 连接器“ THW ”端子与 E2 间输出电压。所测得的电压应与冷却液温度成反比变化。

拆下冷却液温度传感器线束插头，打开点火开关，测量冷却温度传感器的电源电压应为 5V 。

3 ．冷却液温度传感器与 ECU 连接线柬阻值的检查

用高阻抗万用表电阻挡，测量冷却液温度传感器与 ECU 两连接线束的电阻值 ( 传感器信号端、地线端分别与对应 ECU 的两端子间的电阻值 ) ，其线路应导通。若线路不导通或电阻值大于规定值，则说明传感器线束断路或连接器接头接触不良，应进一步检查或更换。

二、进气温度传感器的检测方法

进气温度传感器的安装位置有 3 种：在 D 型 EFI 系统中，它安装在空气滤清器之后的进气软管上；在 L 型 EFI 系统中，它安装在空气流量传感器上；有的进气温度传感器安装在进气压力传感器内。进气温度传感器内部，也是一个具有负温度电阻系数的热敏电阻．外部用环氧树脂密封。进气温度传感器与 ECU 的连接电路如图 2 所示。

1 ．检测电阻进气温度传感器的电阻检测方法及要求与冷却液温度传感器基本相同。单件检查时，将点火开关置于 OFF 位置，拆下进气温度传感器导线连接器，并将传感器拆下。用电热吹风、或热水加热进气温度传感器，并用万用表电阻档，测量在不同温度下两端子间的电阻值。将测得的电阻值与标准数值进行比较，如果与标准值不符，则应更换进气温度传感器。

2 、检测电压 (1) 检测电源电压。拆下进气温度传感器线束插头，打开点火开关，测量进气温度传感器的电源电压，应为 5V 。

(2) 测量输入。信号电压。将点火开关置于 ON 位置，用万用表的电压挡测量图中 ECU 的 THA 与 E2 间的电压，该电压值应在 0 ． 5 ～ 3 ． 4V( 20 ℃ ) 范围内。若不在规定范围内，则应进一步检查进气温度传感器连接线路是否接触不良或存在断路、短路故障。 (3) 检查进气温度传感器连接线束电阻。用数字式万用表的电阻挡测量传感器插头与 ECU 插接器端子间电阻，即传感器信号端、地线端分别与对应的 ECU 的两端子电阻。如果不导通或电阻值大于 1 Ω，说明传感器连接线路或插头接触不良，应进一步捡查。

三、废气再循环温度传感器

废气再循环温度传感器如图 3 所示，安装在废气再循环管道上，用于测量废气再循环气体温度。当废气再循环阀开启时，所测温度上升，传感器告知电控单元废气再循环系统工作。

三种温度传感器的共同特点：传感器电阻采用负温度系数的热敏电阻，传感器电路工作原理也相似。 ECU 提供 5V 电源，热敏电阻另一端通过 ECU 搭铁， ECU 检测热敏电阻两端的信号电压。环境温度升高，电阻值减少，信号电压变小；环境温度降低，电阻值增大．信号电压变大。

四、双金属片式温度传感器

热敏铁氧式温度传感器，常用于控制散热器的冷却风扇，它安装在散热器冷却液的循环通路上。

热敏铁氧式温度传感器的检修方法如下：

当发动机的冷却液温度高于规定值时，如果散热器冷却风扇不运转，则应检查散热器冷却风扇工作电路。首先检查线路连接情况，检查有无断路、短路，以及风扇继电器的工作和热敏铁氧体式温度传感器的工作情况。

检查热敏铁氧体式温度传感器。将热敏铁氧体式温度传感器置于容器中，连接万用表，在加热的同时检查传感器的工作情况。正常情况下，在冷却液温度为规定温度时，传感器处于导通状态，万用表指示 0 Ω。在冷却液温度高于规定温度时，传感器应断开 ( 传感器不导通 ) ，万用表指示电阻为 ∞ ，否则说明热敏铁氧体式温度传感器已损坏，应当更换。

常用温度测量技术及其接口电路

中心议题：分析常用温度测量技术及其接口电路了解热敏电阻器利用电阻温度探测器
温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。图1：热敏电阻器的电阻/温度曲线。

温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。

热敏电阻器

用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数，这些数据是对图2：热敏电阻测量温度的典型电路。Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下：这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。

热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。

图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。

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00◆自热问题

由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的热量，因此电路设计人员应确保拉升电阻足够大，以防止热敏电阻自热过度，否则系统测量的是热敏电阻发出的热，而不是周围环境的温度。

热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数来表示，它指将热敏电阻温度提高比环境温度高1℃所需要的毫瓦数。耗散常数因热敏电阻的封装、管脚规格、包封材料及其它因素不同而不一样。

系统所允许的自热量及限流电阻大小由测量精度决定，测量精度为±5℃的测量系统比精度为±1℃测量系统可承受的热敏电阻自热要大。

应注意拉升电阻的阻值必须进行计算，以限定整个测量温度范围内的自热功耗。给定出电阻值以后，由于热敏电阻阻值变化，耗散功率在不同温度下也有所不同。

有时需要对热敏电阻的输入进行标定以便得到合适的温度分辨率，图3是一个将10～40℃温度范围扩展到ADC整个0～5V输入区间的电路。运算放大器输出公式如下：

一旦热敏电阻的输入标定完成以后，就可以用图表表示出实际电阻与温度的对应情况。由于热敏电阻是非线性的，所以需要用图表表示，系统要知道对应每一个温度ADC的值是多少，表的精度具体是以1℃为增量还是以5℃为增量要根据具体应用来定。

◆累积误差

用热敏电阻测量温度时，在输入电路中要选择好传感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些场合需要精度为1%的电阻，而有些可能需要精度为0.1%的电阻。在任何情况下都应用一张表格算出所有元件的累积误差对测量精度的影响，这些元件包括电阻、参考电压及热敏电阻本身。

如果要求精度高而又想少花一点钱，则需要在系统构建好后对它进行校准，由于线路板及热敏电阻必须在现场更换，所以一般情况下不建议这样做。在设备不能作现场更换或工程师有其它方法监控温度的情况下，也可以让软件建一张温度对应ADC变化的表格，这时需要用其它工具测量实际温度值，软件才能创建相对应的表格。对于有些必须要现场更换热敏电阻的系统，可以将要更换的元件(传感器或整个模拟前端)在出厂前就校准好，并把校准结果保存在磁盘或其它存储介质上，当然，元件更换后软件必须要能够知道使用校准后的数据。图4：RTD与热敏电阻的电阻/温度曲线的比较。

总的来说，热敏电阻是一种低成本温度测量方法，而且使用也很简单，下面我们介绍电阻温度探测器和热电偶温度传感器。

电阻温度探测器

电阻温度探测器(RTD)实际上是一根特殊的导线，它的电阻随温度变化而变化，通常RTD材料包括铜、铂、镍及镍/铁合金。RTD元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。RTD的电阻值以0℃阻值作为标称值。0℃ 100Ω铂RTD电阻在1℃时它的阻值通常为100.39Ω，50℃时为119.4Ω，图4是RTD电阻/温度曲线与热敏电阻的电阻/温度曲线的比较。 RTD的误差要比热敏电阻小，对于铂来说，误差一般在0.01%，镍一般为0.5%。除误差和电阻较小以外，RTD与热敏电阻的接口电路基本相同。

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00热电偶

热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，铁-康铜(J型)、铜-康铜(T型)和铬-铝(K型)热电偶是最常用的三种。图5：热点偶温度测量接口电路。热电偶产生的电压很小，通常只有几毫伏。K型热电偶温度每变化1℃时电压变化只有大约40μV，因此测量系统要能测出4μV的电压变化测量精度才可以达到0.1℃。

由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电位差，所以热电偶与测量系统的连接也会产生电压。一般把连接点放在隔热块上以减小这一影响，使两个节点处以同一温度下，从而降低误差。有时候也会测量隔热块的温度，以补偿温度的影响(图5)。

测量热电偶电压要求的增益一般为100到300，而热电偶撷取的噪声也会放大同样的倍数。通常采用测量放大器来放大信号，因为它可以除去热电偶连线里的共模噪声。市场上还可以买到热电偶信号调节器，如模拟器件公司的AD594/595，可用来简化硬件接口。

固态热传感器

表1：典型NTC热敏电阻器性能参数。最简单的半导体温度传感器就是一个PN结，例如二极管或晶体管基极-发射极之间的PN结。如果一个恒定电流流过正向偏置的硅 PN结，正向压降在温度每变化1℃时会降低1.8mV。很多IC利用半导体的这一特性来测量温度，包括美信的MAX1617、国半的LM335和LM74 等等。半导体传感器的接口形式多样，从电压输出到串行SPI/微线接口都可以。

温度传感器种类很多，通过正确地选择软件和硬件，一定可以找到适合自己应用的传感器。

电池温度智能监测系统设计
中心议题：电池温度智能监测系统设计蓄电池组中单体电池的温度监测问题解决方案：采集电池温度并传送给nRF2401模块通过串口和主控单元进行数据通信
针对采用热敏电阻测温和有线温度测量系统的不足，提出了采用单总线数字温度传感器DS18B20、单片机和无线收发模块等组成智能无线温度监测系统。DS18B20具有体积小，精度高，采用一线总线，可组网等优点，短距离无线通信技术应用到多点温度测量中，实现了温度数据无线传输，该系统扩展维护方便、成本低、高可靠性等特点，具有一定的实用性。

蓄电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源，在电力、通信、军事等领域中得到了广泛的应用。温度是蓄电池的一个重要参数，它可以间接地反映电池的性能状况，并且根据此温度参数可以对电池进行智能化管理，以延长电池的寿命。在蓄电池组充放电维护及工作工程中，电池内部产生的热量会引起电池的温度发生变化，尤其是蓄电池过充电、电池内部电解液发生异常变化等原因均可能造成电池温度过高而造成电池损坏。

传统上用人工定时测量的方法，劳动强度大、测量精度差，工作环境恶劣，尤其是不能及时发现异常单体电池，容易导致单体电池损坏，甚至导致整组电池故障或损坏；基于总线结构的有线多点温度监测系统，能够实现温度的智能化测量，但存在布线繁多复杂、维护扩展困难等不足。鉴于此，设计了一种基于单总线温度传感器和无线收发模块的电池温度无线监测系统，能够有效地克服热敏电阻测温和总线结构控制系统的不足，有利于提高蓄电池性能监测的智能化水平。

1 单总线温度传感器DS18B20

1.1 DS18B20芯片特性

DS18B20数字温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的新一代适配微处理器的智能温度传感器，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芯片中，采用1-wire总线协议，可直接数字化输出、测试。与其他温度传感器相比，具有以下主要特性：

采用独特的单线接口技术，与微处理器相连仅需一根端口线即可实现双向通信，占用微处理器的端口较少，可接收大量的引线和逻辑电路；使用中不需要任何外围电路，全部传感元件及转换电路都集成在形如一只三极管的集成电路内；测温范围- 55~ +125℃，精度可达±0.5℃，可编程9~12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，可实现高精度测温；测量结果直接输出数字温度信号，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；支持多点组网功能，多个DS18B20可挂在总线上，实现组网多点测温。适应电压范围宽：3.0~5.5V，在寄电源方式下可由数据线供电；DS18B20与单片机连接如图1所示，单总线器件只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上完成，单总线上外接一个4.7Ω的上拉电阻，以保证总线空闲时，状态为高电平。

图1 DS18B20与单片机硬件连接图
1.2 DS18B20的控制时序

DS18B20与微处理器间采用的是串行数据传送，在对其进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。DS18B20控制时序主要包括初始化时序、读操作时序和写操作时序，如图2所示。

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图2 DS18B20控制时序
(1)初始化时序。时序见图2(a)，主机总线t0时刻发送一复位脉冲(最短为480s的低电平信号)接着在t1时刻释放总线并进入接收状态，DS18B20在检测到总线的上升沿之后等待15~60μs，接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60~240s)，如图中虚线所示。

(2)写操作时序。当主机总线t0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙。从t0时刻开始15μs之内应将所需写的位送到总线上，DS18B20在t0后15~60μs间对总线采样，若低电平写入的位是0，若高电平写入的位是1，连续写2位的间隙应大于1μs，见图2(b)。

(3)读操作时序。当主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平6~10μs之后，在t1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在t1时刻后到t2时刻前有效，t2~t0为15μs，也就是说，在t2时刻前主机必须完成读位，并在t0后的60~120μs内释放总线，见图2(c)。

2 系统硬件结构

监测系统主要由温度监测节点、主控单元和上位机等3部分组成，系统结构如图3所示。温度监测节点分布在蓄电池组的各个单体电池上，采集各单体电池的温度信息，通过无线网络传输给主控单元；主控单元与所有监测节点进行通信，接收上位机的命令和来自监测节点的温度信息，并将温度信息上报上位机；上位机实时显示蓄电池的温度信息，并对数据进行分析处理，根据设定的报警门限启动告警程序，及时发现异常电池。

图3 系统总体结构

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002.1 温度监测节点设计

温度监测节点的功能是完成对单体电池的温度信息采集、处理和无线数据传输。采用单片机控制无线收发芯片nRF2401和单总线数字温度传感器DS18B20来实现温度的智能测量，主要包括单片机系统、温度采集电路、无线收发电路、显示电路、告警电路和电源等组成，其硬件结构如图4所示。

图4 温度监测节点硬件结构
DS18B20测温电路如图1所示，用热传导的粘合剂将DS18B20粘附在蓄电池的表明，管芯温度与表面温度之差大约在0.2℃之内。利用nRf2401无线收发芯片实现无线传输，nRF2401是一个单片集成接收、发射器的芯片，工作频率范围为全球开放的2.4GHz频段。它内置了先入先出堆栈区、地址解码器、解调处理器、GFSK滤波器、时钟处理器、频率合成器，低噪声放大器、功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，使用起来非常方便。在本系统中nRf2401通过P2口与单片机进行通信，AT89S51的P2.0和P2.1口分别与nRF2401的CLK1，DATA相连接。nRf2401的CS是片选端，CE是发送或接收控制端，PWR_UP是电源控制端，分别由单片机的P2.3，P2.4和P2.5引脚控制。nRF2401的DR1为高时表明在接收缓冲区有数据，接单片机的P2.2。

由于nRF2401的供电电压范围为1.9~3.6V，而AT89S51单片机的供电电压是5V，为了使芯片正常工作，需要进行电平转换和分压处理，设计采用MAXIM公司的MAX884芯片进行5V到3.3V 电平转换，如图5所示。

图5 5V到3.3V转换电路
2.2 主控单元设计

主控单元和监测节点组成无线网路，通过主控单元实现上位机和监测单元的数据通信。主控单元的基本结构和监测单元类似，主要由单片机系统、无线收发模块、显示电路、串行通信电路及电源等组成。

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含2个基于RS232的串口，PC的串行口是RS232C电平，而单片机的串行口是TTL电平，两者之间通过串口通信时，必须进行电平转换，设计运用MAX232A芯片完成单片机与PC之间的数据传输，硬件连接电路如图6所示。

图6 单片机与MAX232A硬件连接电路

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003 控制程序设计

系统控制程序主要由单总线测温控制程序、无线收发控制程序和上位机监测程序等组成。单总线测温程序负责单总线设备初始化、采集电池温度并传送给nRF2401模块；无线收发控制程序主要功能是负责无线网络的组建和数据信息的无线传送；上位机监测程序的主要功能是通过串口和主控单元进行数据通信，实时显示并存储数据信息。以监测节点为例，图7是监测单元的程序流程图，监测单元首先进行初始化，主要包括单片机系统的通信、中断及定时的初始化等，然后采集单体电池的温度信息、保存并用数码管显示，实时监测主控单元的数据传送命令，如果有就将电池的温度数据通过无线模块发送出去。

图7 监测节点程序流程
4 试验结果

设计了试验样机，监测节点试验电路实物如图8所示，在室内进行了温度测试，采用4个监测节点，分别在距离主控单元4m，8m，12m的距离进行了试验，试验数据如表1所示。

从表1可以看出，温度的测量精度可达±0.3℃，无线传输的准确率较高，能够满足无线温度监测的需要。

图8 监测节点试验电路

表1 测温试验数据
5 结语

本文针对蓄电池组中单体电池的温度监测问题，设计了基于DS18B20数字温度传感器和无线收发芯片组成的远程无线监测系统。系统由上位机、主控单元和多个监测单节点组成，主控单元通过串口与上位机进行通信。与传统的有线多点温度测量系统相比，具有布设、扩展、维护及更新方便等特点，有一定工程实际应用价值。
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00

温度传感器工作原理及其应用

中心议题：

温度传感器工作原理及其应用
学习传感器前置放大电路

解决方案：

从传感器前置放大电路输出的信号

使用温度传感器为 PT100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范围.本电路选择其工作在 -19℃ 至 500℃ 范围.

整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机 A/D 转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.

前置放大部分原理图如下:

工作原理:

传感器的接入非常简单,从系统的 5V 供电端仅仅通过一支 3K92 的电阻就连接到 PT100 了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.

按照 PT100 的参数,其在 0℃ 到 500℃ 的区间内,电阻值为 100 至 280.9Ω，我们按照其串联分压的揭发，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）* PT100 = 输出电压（mV），可以计算出其在整百℃时的输出电压，见下面的表格：

温度 ℃	PT100 阻值 Ω	传感两端电压 mV
0	100.00	124.38
1	100.39	124.8
50	119.40	147.79
100	138.51	170.64
150	157.33	192.93
200	175.86	214.68
250	194.10	235.90
300	212.05	256.59
350	229.72	276.79
400	247.09	296.48
450	264.18	315.69
500	280.98	334.42

单片机的 10 位 A/D 在满度量程下，最大显示为 1023 字，为了得到 PT100 传感器输出电压在显示 500 字时的单片机 A/D 转换输入电压，必须对传感器的原始输出电压进行放大，计算公式为：(500/1023 * Vcc)/传感器两端电压( mV/℃ ) ，（Vcc＝系统供电＝5V），可以得到放大倍数为 10.466 。

关于放大倍数的说明：有热心的用户朋友询问，按照 (500/1023 * Vcc)/传感器两端电压不能得到 10.466 的结果，而是得到 11.635的结果。实际上，500 个字的理想值是无法靠电路本身自然得到的，自然得到的数字仅仅为 450 个字，因此，公式中的 500℃ 在实际计算时的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其实，计算的方法有多种，关键是要按照传感器的 mV/℃ 为依据而不是以被测温度值为依据，我们看看加上非线性校正系数：10.47*1.1117=11.639499 ，这样，热心朋友的计算结果就吻合了。

运算放大器分为两级，后级固定放大 5 倍（原理图中 12K/3K+1=5），前级放大为：10.465922/5=2.0931844 倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差，使用了一只精密微调电位器对放大倍数进行细调，可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数(原理图中 10K/(8K2+Rw)+1)。

通常，在温度测量电路里，都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器，以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题。本电路没有采用两只电位器是因为只要“零度”调整准确了，就可以保证整个工作范围的正确显示，当然也包括满度时的最大显示问题了。

那么，电路中对“零度”是如何处理的呢？它是由单片机程序中把这个“零度”数字直接减掉就是了，在整个工作范围内，程序都会自动减掉“零度”值之后再作为有效数值来使用。

当供电电压发生偏差后，是否会引起传感器输入的变化进而影响准确度呢？供电变化后，必然引起流过传感器的电流发生变化，也就会使传感器输出电压发生变化。可是，以此同时，单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的，当单片机的 A/D 基准使用供电电压时，就意味着测量基准也在同步同方向发生变化，因此，只要参数选择得当，系统供电的变化在 20% 之内时，就不会影响测量的准确度。(通常单片机系统并不允许供电有过大的变化，这不仅仅是在温度测量电路中的要求。）

后级单片机电路的原理图如下：

从传感器前置放大电路输出的信号，就送入到 HT46R23 的 A/D 转换输入端口（PB0/AN0），由单片机去进行各种必需的处理。首先是进行软件非线性校正，把输入信号按照不同的温度值划分为不同段，再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数，令其与理论值尽量接近，经过非线性校正的数字，才被送去进行显示，比较用户设定的控制值等等。

各段的非线性补偿系数见下列表格（仅仅列出主要段的数据，非全部表格内容）：

传感电压

传感电压	mV/℃	内部AD读数	校正系数
124.3781	供电电阻=3K92±1%,供电电压=5.000V±1%
124.8450	0.4670	1.00	1.0000
147.7942	0.4683	50.14	0.9972
170.6414	0.4626	99.06	1.0095
192.9326	0.4570	146.80	1.0218
214.6802	0.4515	193.36	1.0343
235.8961	0.4461	238.79	1.0469
256.5918	0.4407	283.11	1.0597
276.7898	0.4355	326.36	1.0724
296.4779	0.4302	368.52	1.0854
315.6891	0.4251	409.65	1.0985
334.4220	0.4201	449.76	1.1117

本电路还有一个特点，就是用户可以在工作范围内，任意设定 3 个超限控制值。当测量显示值大于设定值的时候，对应的控制端口就会输出高电平。利用这个高电平信号，再外接一级三极管驱动继电器的电路，就可以实现自动控制。在某一个控制端口输出高电平的同时，与之串联的 LED 发光管会同时点亮，以便提示使用者是哪一个设定值在输出控制信号。

电路中的 24C02 是电存储器，可以把使用者设定的控制值可靠地保存起来，即使掉电也不会丢失数据。

电路图中还有 3 只按键，它们分别是“设定”、“加置数”和“减置数”操作按键，用于使用者进行超限值的设置。使用方法如下：

按动一下设定键，屏幕显示“1--”，表示现在进入第一个超限值的设置，三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁(*** 代表原来电存储器里储存的超限数值)，然后，按压加数键(或减数键)，屏幕上的最低位的数字就会加一(或减一)，如果按住按键三秒以上不放开，屏幕上的前两位数字就会快速进行加数(或减数)。把屏幕上的数字调整到所需要的数字后，这个超限值就设置完成了。

接着，再按动一下设定键屏幕显示“2--”，表示现在进入第二个超限值的设置，三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁....,接下来的操作与第一个超限值的操作完全一样。

第三个超限值的设置与上面两个完全一样。

当设置好 3 个超限值之后，还必须最后按动一下设定键，退出设定状态而返回正常工作状态。如果忘记了这最后一次按动退出的操作，程序就会等待 10 秒之后，自动返回正常工作状态。

简易调试方法:

可以使用 100Ω 的电阻来模拟 PT100 在 0℃ 的阻值,接入传感器输入端，看看显示是否 =000,如果不对,可以调整微调电位器来达到;然后用一只 281Ω 的电阻来模拟 PT100 在 500℃ 时传感器的电阻值,显示应该在 500 字±1字；最后，使用一只 194Ω 的电阻来代替 250℃ 传感器电阻输入,应该显示 250±1 字.如果经过上面调试没有问题,就可以接入真正的 PT100 传感器投入使用了.（真正的传感器也有误差，可以微调一下前置放大的电位器来校正它。）

在实际工作中，要求电路的供电电压为 5V±5%.如果测量显示值大于某一个超限值，对应的控制端口就会立即输出高电平。

如果传感器发生开路故障,显示就会出现"HHH",如果传感器及其引线发生了短路,显示就会立即出现"LLL".为了防止传感器出现开路或者短路之后可能会引起的不良后果，这时候，3 个控制输出端口都会优先关闭。

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