基于PIC16F877A單片機(jī)的儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 琦，韓天興，賈 偉，李林高

（1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原030013；2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，朔州036800）

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能電池組的容量不斷提高，為了合理利用空間電池組會(huì)密集布置，但是在充放電過(guò)程中熱量的積聚，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能電池箱內(nèi)溫度變化明顯，因此合適的電池溫度環(huán)境對(duì)電池安全穩(wěn)定工作至關(guān)重要[1]。為了滿足儲(chǔ)能電池對(duì)環(huán)境溫度的要求，儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)的研究也應(yīng)運(yùn)而生。儲(chǔ)能電池最佳工作溫度為15 ℃～25 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，電池放電電壓也會(huì)大幅度下降，電池反應(yīng)速率降低，輸出功率也會(huì)下降；而當(dāng)溫度上升時(shí)，輸出功率雖然會(huì)上升，但若是超過(guò)溫度上限后，隨著溫度的繼續(xù)升高，儲(chǔ)能電池內(nèi)部化學(xué)平衡遭到破壞，長(zhǎng)期這樣下去電池性能退化，循環(huán)壽命會(huì)縮短[2]，還有可能因電池的熱失控問(wèn)題而導(dǎo)致燃燒、爆炸等危險(xiǎn)事故，因此儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)對(duì)于維持電池的使用壽命和輸出穩(wěn)定的功率至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)總體方案

儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)的被控量為箱內(nèi)溫度和濕度，通過(guò)控制空調(diào)、天/側(cè)窗、散熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到控制目的。本文儲(chǔ)能電池箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制器件選擇用PIC16F877A 單片機(jī)，因其具有哈佛總線結(jié)構(gòu)、精簡(jiǎn)指令集（RISC）技術(shù)、功耗低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[3]，具有很全面的功能，應(yīng)用范圍也廣泛。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括溫、濕度數(shù)據(jù)采集電路、輸出控制電路、報(bào)警電路、人機(jī)接口電路以及通訊接口電路等。溫、濕度數(shù)據(jù)的采集是將儲(chǔ)能電池箱內(nèi)的溫度、濕度等生態(tài)因子參數(shù)通過(guò)溫度、濕度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將此可識(shí)別的電信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路送入以單片機(jī)PIC16F877A 為核心的控制器。將輸入的信號(hào)和溫度設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)箱內(nèi)所測(cè)值超出設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)啟動(dòng)條件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)針對(duì)溫度變化進(jìn)行相應(yīng)的控制同時(shí)系統(tǒng)警報(bào)能夠及時(shí)引起運(yùn)行人員重視。PIC16F877A 控制器能夠獨(dú)立完成對(duì)儲(chǔ)能電池溫度的控制以及與上位機(jī)之間相互進(jìn)行通信（包括可以接收指令同時(shí)又將采集的參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸回去）。

本儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)使用模糊控制算法對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。可根據(jù)儲(chǔ)能電池箱內(nèi)的溫度、濕度等生態(tài)因子的變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程人員長(zhǎng)期的操作經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的工程經(jīng)驗(yàn)知識(shí)可以預(yù)先設(shè)定模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、天/側(cè)窗、散熱器等控溫設(shè)備的自動(dòng)控制，調(diào)控儲(chǔ)能電池箱內(nèi)氣候環(huán)境，為電池安全穩(wěn)定工作提供適宜環(huán)境。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集電路

本儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有體積小、耗能小、精度高、性能好等特性，除此之外該型號(hào)還具有傳感器單線接口，沒(méi)有外圍元件，可以由總線提供電源等特性[4]。DS18B20 將溫度參數(shù)直接轉(zhuǎn)化成電信號(hào)處理，不需要專(zhuān)門(mén)的A/D 轉(zhuǎn)換電路，很容易與單片機(jī)連接。溫度采集電路如圖2所示，從圖中可以看到DS18B20 與PIC16F877A 單片機(jī)之間的連接方法是：

（1）Vcc 引腳接外部+5 V 電源；

（2）GND 引腳要接地；

（3）I/O 引腳與PIC16F877A 的I/O 線連接。

圖2 DS18B20 溫度采集電路Fig.2 Gathering circuit of temperature

在DS18B20 進(jìn)行溫度A/D 轉(zhuǎn)換操作以及寫(xiě)存儲(chǔ)器操作時(shí)，為了降低功耗，總線上必須有一個(gè)上拉電阻，上拉開(kāi)啟時(shí)間不能超過(guò)10 μs，所以要在I/O口線處接一個(gè)數(shù)值為4.7 kΩ 的上拉電阻。

2.2 空氣濕度采集電路

本儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)使用的濕度傳感器是Honeywell 公司生產(chǎn)的帶有熱固聚酯電容式傳感頭的HIH-3610 集成濕度傳感器。該濕度傳感器在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此其輸出的線性電壓是由相對(duì)濕度值變?yōu)殡娙葜缔D(zhuǎn)換而出的，同時(shí)還可以和A/D 轉(zhuǎn)換器直接連接進(jìn)行數(shù)字化處理，不需要經(jīng)過(guò)外部信號(hào)的調(diào)理，其具有反應(yīng)快、精度高、互換性好、價(jià)格低以及抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)特性[5]。濕度測(cè)量電路如圖3所示，是將單片機(jī)的模擬量輸入端口與濕度傳感器HIH-3610 的電壓輸出端相連，通過(guò)PIC16F877A 內(nèi)部的A/D 單元實(shí)現(xiàn)模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，不需要通過(guò)使用外部A/D 轉(zhuǎn)換。

圖3 HIH-3610 濕度采集電路Fig.3 Gathering circuit of humidity

而在我們實(shí)際生活當(dāng)中，隨著環(huán)境溫度的升高空氣中含的水份就越大，也就是說(shuō)，水蒸氣含量相同的情況下溫度升高其相對(duì)濕度就會(huì)降低，因此在提供相對(duì)濕度的同時(shí)也必須提供溫度的數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法采用了模塊化，將控制器所要具備的功能分別進(jìn)行程序編寫(xiě)并各自調(diào)試運(yùn)行，等所有的模塊成功實(shí)現(xiàn)既定功能后，再將各個(gè)功能模塊按照邏輯順序連接起來(lái)，組成本溫度控制的單片機(jī)軟件系統(tǒng)，這種進(jìn)行細(xì)化功能模塊的設(shè)計(jì)有利于代碼的更改與優(yōu)化，便于調(diào)試程序、維護(hù)系統(tǒng)以及擴(kuò)增新功能。

3.1 系統(tǒng)主程序

儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)在上電或者復(fù)位后，開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)的主程序，主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成后進(jìn)入下一步，調(diào)用溫度采集子程序來(lái)采集溫度相關(guān)數(shù)據(jù)、濕度采集子程序來(lái)采集濕度相關(guān)數(shù)據(jù)，之后依次進(jìn)行模糊算法處理、與上位機(jī)通信等功能，當(dāng)發(fā)生一些情況時(shí)需中斷進(jìn)行，此時(shí)要用到中斷程序來(lái)負(fù)責(zé)處理此類(lèi)中斷事件，因此主系統(tǒng)需要立即執(zhí)行中斷程序，待處理完畢后程序自動(dòng)回到中斷發(fā)生前一時(shí)刻的狀態(tài)，順著流程主程序繼續(xù)往下執(zhí)行[6]。在儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)中主程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)流程的任務(wù)調(diào)度，而子程序就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能，系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)主程序流程Fig.4 Temperature control system main program flow chart

3.2 溫度采集子程序

溫度數(shù)據(jù)采集子程序模塊，主要進(jìn)行的操作有對(duì)溫度傳感器DS18B20 直接讀取其溫度參數(shù)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)在單片機(jī)中。中央處理器CPU 對(duì)它的訪問(wèn)流程是：

（1）對(duì)傳感器DS18B20 進(jìn)行初始化操作（發(fā)復(fù)位脈沖）；

（2）發(fā)送ROM 功能命令；

（3）發(fā)存儲(chǔ)器操作命令；

（4）處理數(shù)據(jù)。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)特別要注意的是每一步操作之間的延時(shí)時(shí)間。但是因?yàn)閭鞲衅鱀S18B20 的單線通信功能是分時(shí)完成的，需要遵循嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此能夠讀懂時(shí)序圖和會(huì)寫(xiě)時(shí)序都是很重要的。溫度采集時(shí)傳感器DS18B20 的通信協(xié)議流程如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)能夠完成特定范圍內(nèi)溫度、濕度的有效實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以預(yù)先設(shè)定溫度在其上、下限范圍內(nèi)有效的實(shí)時(shí)溫度的自動(dòng)控制，溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，可觸發(fā)報(bào)警，及時(shí)提醒運(yùn)行工作人員。此外本儲(chǔ)能電池箱溫度控制系統(tǒng)還具有如下優(yōu)越性：①該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儲(chǔ)能電池箱能夠自主調(diào)節(jié)溫度，確保了儲(chǔ)能電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行；②該系統(tǒng)能將實(shí)時(shí)狀態(tài)就地及在上位機(jī)上同時(shí)顯示；③具有較強(qiáng)的通用性，程序和硬件稍加改動(dòng)，還可應(yīng)用于其他溫控場(chǎng)合。

圖5 DS18B20 通信協(xié)議Fig.5 DS18B20 communication protocol