智能型衛(wèi)星電源V-T曲線控制系統(tǒng)設計方案

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

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)為整個衛(wèi)星正常運行提供了穩(wěn)定的電源，它是衛(wèi)星電能產(chǎn)生、儲存、變換、調節(jié)、傳輸分配和管理的重要分系統(tǒng)。其通過物理和化學過程，將太陽的光能、核能或化學能轉化為電能，并根據(jù)需要對電能進行存儲、調節(jié)和變換，然后向衛(wèi)星其他各分系統(tǒng)不間斷供電。我國的衛(wèi)星大都采用太陽能/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，這種溫度補償?shù)挠布?a href="http://m.makelele.cn/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路是模擬電路，已經(jīng)在我國各種型號的衛(wèi)星上獲得成功應用。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)

某型號衛(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節(jié)直流母線系統(tǒng)，主要包括太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器。在方案設計中，采用太陽電池供電陣、充電陣分陣設計。在光照期，太陽電池供電陣為母線長期負載供電，太陽電池充電陣對蓄電池組充電；在陰影期，由蓄電池組通過放電調節(jié)模塊為母線負載供電。當光照期衛(wèi)星出現(xiàn)峰值負載，且太陽電池供電陣輸出功率不能滿足母線負載供電需求時，由太陽電池充電陣經(jīng)放電調節(jié)器，為母線補充能量。在此基礎上，若太陽電池陣（供電、充電陣）功率還不足，由蓄電池組經(jīng)放電調節(jié)模塊補充供電，呈與太陽電池陣聯(lián)合供電工作模式。充電陣為負載供電優(yōu)于為蓄電池組充電，供電陣只有當太陽電池陣輸出電能富裕，才通過分流模塊調節(jié)太陽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、開路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中開路失效出現(xiàn)的可能性非常小，主要存在裝配過程的機械損傷和質量控制出問題，通過加強質量控制和檢驗工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經(jīng)長期使用，最主要的失效表現(xiàn)就是性能衰減。因此，在使用時采用電壓溫度補償下的充電控制方式，并由星務計算機參與控制管理，整個壽命期設置多條硬件控制V-T曲線和多點充放電比選擇，可根據(jù)衛(wèi)星運行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過遙控選擇相應的補償曲線，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為補償系數(shù)。

當溫度T上升，電壓V下降，表明當蓄電池升高時，需要調節(jié)充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線補償。采用V-T曲線跟蹤補償方案控制蓄電池充電終止電壓，通過測量蓄電池組端電壓和單體溫度，根據(jù)預設的溫度補償電壓曲線確定充電結束狀態(tài)。同時，充電器內(nèi)部設有保護性充電終止電壓控制，在電源控制計算機出現(xiàn)故障時，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DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進。

1 DS18B20的特點??? ds18b20電路圖

● 單線制接口方式，僅需要一根信號線與CPU連接，傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件。
● 每個芯片有惟一編碼，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的單線上，實現(xiàn)多點測溫。
● 測溫范圍為-55～+125℃，分辨率的默認值12位。
● 測溫結果的數(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的結構及功能

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，存儲用戶設定溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等七部分。

其中，ROM由64位二進制數(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28H，字節(jié)1～6的內(nèi)容是48位器件序列號，字節(jié)7是ROM前56位的校驗碼。每個DS18B20的64位序列號均不相同，它可以看做是該DS18B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個DS18B20的作用都不相同，這樣，就可以實現(xiàn)一根總線掛接多個DS18B20的目的。

3 DS18B20的工作時序

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過如下步驟。每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，再發(fā)送RAM指令。每一步操作必須嚴格按照時序規(guī)定進行。

4 DS18B20使用中注意事項

復位命令要求主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收到此信號則表示復位成功。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序，否則將無法正確讀取測溫結果。

一般，人們誤認為在單總線上可以掛任意多個DS18B20，但實際應用并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過8個時，則需要解決微處理器的總線驅動問題。因此，在進行蓄電池單體多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。

連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通信距離可達150m；當采用帶屏蔽層且每米絞合次數(shù)更多的雙絞線電纜時，正常通信距離進一步加長，這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。

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DS18B20接觸不好或斷線，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。因而在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。

V-T曲線控制系統(tǒng)數(shù)字電路設計

1硬件設計

選用美國Atmel公司增強型Flash單片機AT89s52作為主處理器以完成主要的測控任務，其內(nèi)嵌8K Flash ROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點是集成了ISP接口，可直接在目標板上進行在系統(tǒng)編程，為用戶帶來了極大的方便。選用DS18B20作為溫度測量單元，單總線上掛接的DS18B20采用外接VCC方式而未用寄生供電，進行多點測量。模數(shù)轉換采用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)硬件結構

2軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序，等等。編程時必須嚴格按照DS18B20時序規(guī)定進行。尤其需要注意的是，在多點溫度測量中，由于多個DS18B20掛在一條總線上，為了識別不同的器件，在系統(tǒng)安裝之前，應將主機逐個與DS18B20掛接，讀出其序列號。數(shù)字V-T曲線控制系統(tǒng)主程序和測溫子程序分別如圖3、4所示。

圖3 主程序

圖4 測溫子程序

結語

應用AT89s52單片機、DS18B20嵌入式數(shù)字溫度傳感器等設計了智能型V-T曲線充電控制系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、計算和調節(jié)。試驗結果表明，該控制系統(tǒng)達到了設計要求，實現(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題，該設計方案將廣泛應用于我國的航天領域。