智能型卫星电源V-T曲线控制系统设计

加快我国卫星电源分系统数字化设计，充分发挥数字电路体积小、重量轻、功耗低、适应性强和可靠性高等优点，提高电源分系统的电能重量比，我们以单片机AT89s52和温度传感器DS18B20为核心，设计了一种智能型卫星电源V-T曲线控制系统。

卫星电源分系统为整个卫星正常运行提供了稳定的电源，它是卫星电能产生、储存、变换、调节、传输分配和管理的重要分系统。其通过物理和化学过程，将太阳的光能、核能或化学能转化为电能，并根据需要对电能进行存储、调节和变换，然后向卫星其他各分系统不间断供电。我国的卫星大都采用太阳能/蓄电池供电系统。蓄电池充电终压控制采用电压-温度补偿法，即V-T曲线控制。目前，常用的方法是利用热电耦或铂电阻作为蓄电池温度传感器，这种温度补偿的硬件控制电路是模拟电路，已经在我国各种型号的卫星上获得成功应用。

卫星电源分系统

某型号卫星电源分系统工作原理框图如图1所示。

图1  卫星电源系统原理

该卫星电源系统一次电源母线为全调节直流母线系统，主要包括太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器。在方案设计中，采用太阳电池供电阵、充电阵分阵设计。在光照期，太阳电池供电阵为母线长期负载供电，太阳电池充电阵对蓄电池组充电；在阴影期，由蓄电池组通过放电调节模块为母线负载供电。当光照期卫星出现峰值负载，且太阳电池供电阵输出功率不能满足母线负载供电需求时，由太阳电池充电阵经放电调节器，为母线补充能量。在此基础上，若太阳电池阵（供电、充电阵）功率还不足，由蓄电池组经放电调节模块补充供电，呈与太阳电池阵联合供电工作模式。充电阵为负载供电优于为蓄电池组充电，供电阵只有当太阳电池阵输出电能富裕，才通过分流模块调节太阳电池阵输出富裕的功率，卸放掉多余的电流，保持一次电源母线输出的稳定。因此，卫星在光照期和阴影期，电源系统的母线输出电压，均保持在一个稳定的范围内。

V-T曲线控制原理

图1中的镉镍蓄电池组失效方式有泄漏、开路、短路和性能衰减等。在这些失效方式中开路失效出现的可能性非常小，主要存在装配过程的机械损伤和质量控制出问题，通过加强质量控制和检验工作可以避免这种致命的失效。镉镍蓄电池组经长期使用，最主要的失效表现就是性能衰减。因此，在使用时采用电压温度补偿下的充电控制方式，并由星务计算机参与控制管理，整个寿命期设置多条硬件控制V-T曲线和多点充放电比选择，可根据卫星运行状态和蓄电池使用情况，通过遥控选择相应的补偿曲线，保证镉镍电池组工作处于良性循环。

V-T曲线控制关系为：V=(Vs-KT)×N

式中，Vs为电压状态值，T为温度；K为温度系数；N为补偿系数。

当温度T上升，电压V下降，表明当蓄电池升高时，需要调节充电电压使温度降低，这就是V-T曲线补偿。采用V-T曲线跟踪补偿方案控制蓄电池充电终止电压，通过测量蓄电池组端电压和单体温度，根据预设的温度补偿电压曲线确定充电结束状态。同时，充电器内部设有保护性充电终止电压控制，在电源控制计算机出现故障时，可以停止蓄电池充电，保证蓄电池组安全。

数字温度传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进。

1 DS18B20的特点   

● 单线制接口方式，仅需要一根信号线与CPU连接，传送串行数据，不需要外部元件。

● 每个芯片有惟一编码，多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。

● 测温范围为-55～+125℃，分辨率的默认值12位。

● 测温结果的数字量位数为9～12位，可编程选择。

● 既可用数据线供电，也可用外部的电源(3.0～5.5V)供电。

2 DS18B20的结构及功能

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装。其内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、高速暂存器，存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。

其中，ROM由64位二进制数字组成，由厂家光刻，共分为8字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的校验码。每个DS18B20的64位序列号均不相同，它可以看做是该DS18B20的地址序列码。ROM的作用是使每一个DS18B20的作用都不相同，这样，就可以实现一根总线挂接多个DS18B20的目的。

3 DS18B20的工作时序

根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过如下步骤。每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，再发送RAM指令。每一步操作必须严格按照时序规定进行。

4 DS18B20使用中注意事项

复位命令要求主CPU将数据线下拉500μs，然后释放。DS18B20收到信号后等待16～60μs左右，然后发出60～240μs的存在低脉冲，主CPU收到此信号则表示复位成功。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则将无法正确读取测温结果。

一般，人们误认为在单总线上可以挂任意多个DS18B20，但实际应用并非如此。若单总线上所挂DS18B20超过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题。因此，在进行蓄电池单体多点测温系统设计时要加以注意。

连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150m；当采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆时，正常通信距离进一步加长，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，将没有返回信号，程序进入死循环。因而在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

V-T曲线控制系统数字电路设计

1硬件设计

选用美国Atmel公司增强型Flash单片机AT89s52作为主处理器以完成主要的测控任务，其内嵌8K Flash ROM，软硬件上兼容AT89C52，但其最大的特点是集成了ISP接口，可直接在目标板上进行在系统编程，为用户带来了极大的方便。选用DS18B20作为温度测量单元，单总线上挂接的DS18B20采用外接VCC方式而未用寄生供电，进行多点测量。模数转换采用AD574，精度12bit。系统硬件组成如图2所示。

图2 V-T曲线控制系统硬件结构

2软件设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序，等等。编程时必须严格按照DS18B20时序规定进行。尤其需要注意的是，在多点温度测量中，由于多个DS18B20挂在一条总线上，为了识别不同的器件，在系统安装之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号。数字V-T曲线控制系统主程序和测温子程序分别如图3、4所示。

图3 主程序

图4 测温子程序

结语

应用AT89s52单片机、DS18B20嵌入式数字温度传感器等设计了智能型V-T曲线充电控制系统，进行数据采集、计算和调节。试验结果表明，该控制系统达到了设计要求，实现了数字化的数据采集、数据处理和控制要求。与传统的模拟硬件控制电路相比，很好地解决了卫星电源分系统的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等问题，该设计方案将广泛应用于我国的航天领域。