智能型衛星電源V-T曲線控制系統設計方案

加快我國衛星電源分系統數字化設計，充分發揮數字電路體積小、重量輕、功耗低、適應性強和可靠性高等優點，提高電源分系統的電能重量比，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星電源V-T曲線控制系統。

衛星電源分系統為整個衛星正常運行提供了穩定的電源，它是衛星電能產生、儲存、變換、調節、傳輸分配和管理的重要分系統。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，并根據需要對電能進行存儲、調節和變換，然后向衛星其他各分系統不間斷供電。我國的衛星大都采用太陽能/蓄電池供電系統。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，這種溫度補償的硬件控制電路是模擬電路，已經在我國各種型號的衛星上獲得成功應用。

衛星電源分系統

某型號衛星電源分系統工作原理框圖如圖1所示。

圖1? 衛星電源系統原理

該衛星電源系統一次電源母線為全調節直流母線系統，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模塊為母線負載供電。當光照期衛星出現峰值負載，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放電調節器，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，由蓄電池組經放電調節模塊補充供電，呈與太陽電池陣聯合供電工作模式。充電陣為負載供電優于為蓄電池組充電，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定。因此，衛星在光照期和陰影期，電源系統的母線輸出電壓，均保持在一個穩定的范圍內。

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。鎘鎳蓄電池組經長期使用，最主要的失效表現就是性能衰減。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，可根據衛星運行狀態和蓄電池使用情況，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。

V-T曲線控制關系為：V=(Vs-kT)×N

式中，Vs為電壓狀態值，T為溫度；k為溫度系數；N為補償系數。

當溫度T上升，電壓V下降，表明當蓄電池升高時，需要調節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，根據預設的溫度補償電壓曲線確定充電結束狀態。同時，充電器內部設有保護性充電終止電壓控制，在電源控制計算機出現故障時，可以停止蓄電池充電，保證蓄電池組安全。

數字溫度傳感器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，傳送串行數據，不需要外部元件。
● 每個芯片有惟一編碼，多個DS18B20可以并聯在惟一的單線上，實現多點測溫。
● 測溫范圍為-55～+125℃，分辨率的默認值12位。
● 測溫結果的數字量位數為9～12位，可編程選擇。
● 既可用數據線供電，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觸發器、存儲與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼發生器等七部分。

其中，ROM由64位二進制數字組成，由廠家光刻，共分為8字節，字節0的內容是該產品的廠家代號28H，字節1～6的內容是48位器件序列號，字節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，就可以實現一根總線掛接多個DS18B20的目的。

3 DS18B20的工作時序

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

4 DS18B20使用中注意事項

復位命令要求主CPU將數據線下拉500μs，然后釋放。DS18B20收到信號后等待16～60μs左右，然后發出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據傳送，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，讀取的測溫數據將發生錯誤。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生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。

向DS18B20發出溫度轉換命令后，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。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曲線控制系統數字電路設計

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。模數轉換采用AD574，精度12bit。系統硬件組成如圖2所示。

圖2 V-T曲線控制系統硬件結構

2軟件設計

系統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、顯示數據刷新子程序，等等。編程時必須嚴格按照DS18B20時序規定進行。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，在系統安裝之前，應將主機逐個與DS18B20掛接，讀出其序列號。數字V-T曲線控制系統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嵌入式數字溫度傳感器等設計了智能型V-T曲線充電控制系統，進行數據采集、計算和調節。試驗結果表明，該控制系統達到了設計要求，實現了數字化的數據采集、數據處理和控制要求。與傳統的模擬硬件控制電路相比，很好地解決了衛星電源分系統的小型化、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。