無線瓦斯巡檢儀電源智能監(jiān)控設(shè)計(jì)

 隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來應(yīng)用于煤礦井下的各種便攜式設(shè)備將會越來越多[1]。煤礦井下便攜式設(shè)備使用環(huán)境要求苛刻，需保證電池電源的有效性和安全性，當(dāng)前井下應(yīng)用的礦燈、便攜式瓦斯檢測儀等設(shè)備均未具備電源狀態(tài)的提示功能，亟需改進(jìn)。筆者在前期的研究中一直致力于井下無線瓦斯監(jiān)測設(shè)備的研制，如無線瓦斯報警礦燈[2]、無線瓦斯巡檢儀[3]等，該類設(shè)備因增加了無線功能，使得能量消耗增大，這就需要實(shí)時提示用戶當(dāng)前的電池能量狀況，為實(shí)現(xiàn)上述要求，本文采用電池監(jiān)測芯片DS2438，結(jié)合STC89C52RD單片機(jī)，針對無線瓦斯巡檢儀，設(shè)計(jì)了一種智能電池電量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電池溫度、剩余電量等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。
1 無線瓦斯巡檢儀介紹[3]
無線瓦斯巡檢儀是筆者前期研究的礦井移動瓦斯監(jiān)測設(shè)備，通過無線射頻技術(shù)將瓦斯檢測數(shù)據(jù)無線接入到安全監(jiān)控系統(tǒng)中。其硬件結(jié)構(gòu)由紅外瓦斯傳感器、控制單元、LCD顯示器、聲光報警電路、功能鍵盤電路、時鐘電路、無線通信模塊和電源模塊等部分組成，如圖1。無線瓦斯巡檢儀能實(shí)時檢測顯示作業(yè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛?、超限自動報警、濃度?shù)據(jù)存儲等功能。電池狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測是該瓦檢儀應(yīng)用的必要輔助功能，主要采用DS2438智能電池監(jiān)測芯片來實(shí)現(xiàn)。
2 電源監(jiān)控電路及工作原理
2.1 DS2438芯片及電路結(jié)構(gòu) DS2438芯片具有監(jiān)測電池電壓、電流、剩余電量和電池溫度等功能[4]。具有獨(dú)特的1-Wire接口，僅需一個端口引腳即可進(jìn)行通信；能為電池組提供唯一的64位序列號；具備片上電池溫度檢測，省去了熱敏電阻；能采用片上A/D轉(zhuǎn)換器監(jiān)視電池電壓，以作為終止充電和終止放電的判據(jù)；集成電流累積器用于記錄進(jìn)入和流出電池的電流總量；具有40字節(jié)的非易失EEPROM存儲器，可用于存儲重要的電池參數(shù)；工作溫度范圍-40°C至+85°C。該芯片和微處理器組成的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
GND為接地；VCC電壓接5.0V；NC懸空；DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端，接MCU微處理器的P2.X端口；VSENS+為電池測量電流輸入（+），VSENS-為電池測量電流輸入（-），兩者之間接外部檢測電阻R1；VAD為通用電壓A/D采樣輸入端，接待測電壓。
DS2438通過一條總線通信（DQ-P2.X），存儲器和控制函數(shù)在程序存儲器函數(shù)協(xié)議建立起后生效。程序存儲器函數(shù)命令包括讀ROM、匹配ROM、搜索ROM和跳過ROM四種。這些命令可以操作每個設(shè)備上的64位光刻ROM部分，并且如果一條總線上有多個設(shè)備存在，可以鎖定一個特定的設(shè)備。微處理器發(fā)布控制函數(shù)命令去指示DS2438執(zhí)行溫度測量或電池電壓A/D轉(zhuǎn)換。這些測量的結(jié)果將被存放在DS2438的存儲器映射中，通過發(fā)送存儲器函數(shù)命令能讀取電壓寄存器和電流測量值。
2.2 電池電壓測量 DS2438內(nèi)置了一個10位電壓A/D轉(zhuǎn)換器，用于電池的端電壓測量。當(dāng)DS2438收到轉(zhuǎn)換電壓命令時，A/D轉(zhuǎn)換器將對VAD引腳電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，結(jié)果存放在2字節(jié)電壓寄存器中，轉(zhuǎn)換時間為4ms。電壓測量范圍0～10V，分辨率為10mV。無線瓦斯巡檢儀電池為非串聯(lián)的單節(jié)鋰電池，穩(wěn)定電壓3.7V，因而無需采用電阻分壓電路，可直接對充電過程中電池的電壓參數(shù)進(jìn)行測量。本電路中待測電池電壓也是DS2438的供電電壓，當(dāng)電池電壓低于2.4V時，電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性下降，執(zhí)行轉(zhuǎn)換的能力受到DS2438的操作電壓范圍的限制，因此采用B0305LS升壓器件設(shè)計(jì)了一個3V-5V的升壓電路，為芯片提供5V電源。
2.3 電池電流及剩余電量測量 DS2438模數(shù)轉(zhuǎn)換器以通過測量外部檢測電阻R1兩端的電壓來有效檢測流入、流出電池的電流。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將在后臺以每秒36.41次的頻率自動采樣，無需命令啟動，測量結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式保存在電流寄存器中。轉(zhuǎn)換結(jié)果的符號位，表明充電還是放電，存儲在電流寄存器的最高有效位中。在測量電路中，VSENS+端與R1電阻相關(guān)；對于VSENS-，在該管腳和R1的接地端之間接一個由阻值為100K？贅的電阻R2和0.1？滋F的鉭電容C1組成的RC低通濾波電路，這個濾波器能消除大部分的尖峰毛刺的影響，從而使電流累加器準(zhǔn)確的反映流入和流出電池的總電荷[5]。電池的電流由下面公式計(jì)算得出。
I=電流寄存器值/（4096×R1）（1）
DS2438用集成電流累加器（ICA）跟蹤電池的剩余容量，ICA是一個按比例的8位易失二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，保存流進(jìn)和流出電池的電流總和的凈累積。上述電流寄存器中的值用于增加或減少ICA寄存器的值。剩余的電池容量用下面方程計(jì)算得出。剩余容量=ICA/（2048×R1）（2）
由于電流模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度是正負(fù)2最低有效位，在測量很小的電流時有可能不精確，當(dāng)累計(jì)足夠長的時間后，這些誤差累計(jì)可導(dǎo)致ICA錯誤。DS2438采用閾值寄存器指定一個電流閥值，在此之上測量值將在ICA上累積，低于閾值將不被累積，從而濾除這些潛在的誤差。
2.4 電池溫度測量 電池溫度是儀器充放電及工作時的一個重要指標(biāo)，當(dāng)電池出現(xiàn)故障時，往往會偏離正常工作溫度范圍，因此有必要對無線瓦斯巡檢儀的電池工作溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提高儀器的安全性能。設(shè)計(jì)中，將DS2438芯片緊貼于被測電池上，DS2438通過片內(nèi)集成溫度傳感器對電池的溫度進(jìn)行測量，測量結(jié)果存入溫度寄存器中，并通過單總線傳輸給微處理器。溫度數(shù)據(jù)采用13位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，分辨率為0.03125°C，測溫范圍為-55℃～125℃。
3 電源監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
3.1 電源監(jiān)控功能程序的實(shí)現(xiàn)方式 電源監(jiān)控功能是無線瓦斯巡檢儀系統(tǒng)軟件中的一個部分，為滿足監(jiān)測的實(shí)時性要求，在實(shí)現(xiàn)中采用系統(tǒng)微處理器（單片機(jī)）定時中斷的方式訪問DS2438，進(jìn)行電池各項(xiàng)參數(shù)的采集。首先在主程序中設(shè)置單片機(jī)的計(jì)數(shù)器為定時方式，開啟計(jì)數(shù)器，定時長度可根據(jù)需要調(diào)整，當(dāng)前設(shè)置為5min。主程序啟動后，等待定時中斷的到來。定時中斷發(fā)生之后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，調(diào)用DS2438控制操作程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，最后重新初始化定時中斷，返回。
3.2 電池電壓和溫度測量子程序 電池電壓和溫度值的獲取，只需由單片機(jī)對DS243發(fā)出采集電壓、溫度的控制命令，然后等待DS2438完成數(shù)據(jù)采集，并將電壓和溫度的測量值存入到相應(yīng)的寄存器，最后由單片機(jī)讀取電壓寄存器和溫度寄存器的內(nèi)容即可。在讀取寄存器值時，判斷DQ引腳電平，為低電平時，表示DS2438正在進(jìn)行電壓、溫度轉(zhuǎn)換，需等待延時10ms，當(dāng)DQ引腳電平為高時，讀取數(shù)據(jù)。
3.3 電池剩余電量測量子程序 依據(jù)前述介紹，電池的剩余電量由電流積分累加（ICA）寄存器的值求得。ICA的值由DS2438定時自動測量更改完成，無需對其進(jìn)行控制，只需單片機(jī)讀出ICA 寄存器的值，然后將所得值代入公式（2）計(jì)算后，便可得到電池的剩余電量[6]。該部分測量子程序流程見圖3。
在讀取寄存器的值時，為防止讀取錯誤，采用預(yù)先判斷DS2438是否正在修改寄存器值的方式，該方式通過對狀態(tài)/標(biāo)志寄存器中的非易失性存儲器忙碌標(biāo)志NVB位進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)。當(dāng)NVB為 “1”時，表示從中間結(jié)果暫存器復(fù)制到EEPROM正在進(jìn)行；當(dāng)NVB為“0”時，表示非易失性存儲器不忙。復(fù)制到EEPROM可能要花費(fèi)2ms到10ms，一般在程序中引入一個延時子程序來實(shí)現(xiàn)。
4 結(jié)論
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，基于DS2438芯片實(shí)現(xiàn)的電源智能監(jiān)測電路能實(shí)現(xiàn)無線瓦斯巡檢儀電源的溫度、電壓、剩余電量和剩余工作時間監(jiān)測。這部分功能的實(shí)現(xiàn)有助于提升無線瓦斯巡檢儀的電池安全性，同時輔助瓦檢員在瓦檢工作中能實(shí)時掌握瓦檢儀的剩余工作時間。該電源智能監(jiān)控設(shè)計(jì)將能為其他井下便攜式設(shè)備的電源監(jiān)控設(shè)計(jì)提供有益參考。