0   引言

隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平提高 ,人們對(duì)于恒溫控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高 ,尤其是在機(jī)車(chē)應(yīng)急電源領(lǐng)域 。磷酸鐵鋰電池是一種新型高能量密度鋰離子電池 ,具有高安全性、可靠性和耐用性等特點(diǎn)^[1] ,己成為主流的電池類(lèi)型。然而 ,磷酸鐵鋰電池對(duì)溫度較為敏感 ,溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響其性能和壽命 ,甚至引發(fā)安全隱患。因此 ,為保證機(jī)車(chē)應(yīng)急電源的安全可靠運(yùn)行 ,需對(duì)其工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)將USART—HMI觸摸屏應(yīng)用于智能溫度控制系統(tǒng) ,使得整個(gè)系統(tǒng)界面化、人性化 ,滿足人們對(duì)于溫度控制的高要求^[2]。串口屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)基于上位機(jī)軟件USARTHMI完成 ,該上位機(jī)軟件操作方便 ,功能強(qiáng)大 ,擴(kuò)展性強(qiáng) ,上位機(jī)可以同步頁(yè)面的顯示 ,并且通過(guò)代碼控制控件可以多元化顯示數(shù)據(jù)^[3]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)通信 ,主控制器和USART—HMI觸摸屏之間采用RS485通信協(xié)議的接線端口^[4]。與傳統(tǒng)的接口相比 ,RS485接口以其簡(jiǎn)易的接線方式、卓越的抗干擾特性、靈活的擴(kuò)展能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力而著稱 ,因此它能更有效地迎合系統(tǒng)需求 。系統(tǒng)預(yù)留了外部接口 ,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)與指令遠(yuǎn)程下發(fā)控制 ,同時(shí)采用4G通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)采集到的數(shù)據(jù) ,4G模塊選用4G DTU M751 ,可以將RS485采集的數(shù)據(jù)通過(guò)3G/4G發(fā)送到云端服務(wù)器端 。系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的可擴(kuò)展性 ,以便根據(jù)需要增加必要的功能^[5]。控制器具有良好的人機(jī)交互功能及初步智能化特征^[6] ,可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)距離傳送 ,以便在遠(yuǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的管理。

1    系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)由六部分組成:USART—HMI觸摸屏(上位機(jī))、DSP F28035控制器、電源轉(zhuǎn)換電路、RS485通信電路 、NTC熱敏電阻傳感器采樣電路和繼電器控制電路 。通過(guò)USART—HMI觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 ,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài);DSP F28035控制器用于采集環(huán)境溫度 、處理觸摸屏下發(fā)的命令 、控制繼電器狀態(tài) ,并按照接收信號(hào)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行相應(yīng)命令。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路由電源電路 ,通信、溫度采集和繼電器電路組成 ,電源電路采用成熟的模塊電源。

2.1    RS485通信電路

RS485通信電路如圖2所示 ,采用了MAX485和ADUM1201芯片 ,以提高通信的穩(wěn)定性和可靠性 。MAX485芯片的8引腳接電源輸入 ,5引腳接電源地; 6引腳和7引腳接差分信號(hào)傳輸引腳 。通信接口需外接屏蔽電纜線 ,并選擇合適的匹配電阻以提高信號(hào)抗電磁干擾能力 。MAX485芯片的1引腳和2引腳與ADUM1201芯片的7引腳和6引腳相連接 ,將信號(hào)送入單片機(jī)中 。當(dāng)MAX485芯片處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí) ,默認(rèn)為接收模式;發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,單片機(jī)會(huì)通過(guò)激活使能引腳并上拉信號(hào) ,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)形式輸出。通過(guò)不同參數(shù)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能^[7]。該電路采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn) ,支持多設(shè)備通信 ,并具備強(qiáng)大的抗電磁干擾能力 ,可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。ADUM1201作為電氣隔離器進(jìn)一步減少了干擾 ,提升了通信的可靠性 ,適合多設(shè)備間通信應(yīng)用。

2.2    NTC溫度采樣電路

溫度的準(zhǔn)確采集非常重要 ,因此本系統(tǒng)采用NTC熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量 。通過(guò)優(yōu)化采樣電路的硬件設(shè)計(jì)以及提高采樣頻率 ,提高溫度采樣的精度以及分辨率^[8]。圖3為溫度采集電路 ,其中OPA2189芯片起到了放大、濾波和穩(wěn)壓的作用。該電路測(cè)溫范圍廣 ,線性度好 。由于NTC熱敏電阻的工作電流很小 ,因此需要放大采樣信號(hào) ,以便單片機(jī)進(jìn)行AD采樣 。OPA2189芯片的7引腳將NTC熱敏電阻采集的電壓信號(hào)進(jìn)行1:1的同向比例放大 ,放大后的信號(hào)通過(guò) adcA4采樣通道送入單片機(jī)中 ,通過(guò)計(jì)算能夠確定NTC熱敏電阻兩端的電壓大小 。通常用下式表示阻值與溫度的關(guān)系:

式中:RT、R0分別為溫度T和T0時(shí)的阻值;B為熱敏電阻的材料常數(shù) ,常用NTC型熱敏電阻的B在1 500~ 6 000 kΩ;T0為0 ℃時(shí)的溫度 ,即273. 15 K。

根據(jù)歐姆定律計(jì)算NTC的阻值 ,再通過(guò)查表得到相應(yīng)的溫度值 ,本電路選擇阻值為10 kΩ的NTC熱敏電阻 ,對(duì)應(yīng)的溫度為25 ℃ 。

2.3    繼電器控制電路

繼電器的作用是利用低電壓 、弱電流的信號(hào)來(lái)操控高電壓器件的通斷 。用光耦作為繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān) ,通過(guò)LED在光耦內(nèi)部點(diǎn)亮或熄滅來(lái)控制繼電器線圈的通斷 ,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)或加熱器的開(kāi)關(guān)控制 ,并通過(guò)電氣隔離和續(xù)流二極管保護(hù)電路 。如圖4所示 ,控制器通過(guò)GP30引腳輸出高電平信號(hào) ,點(diǎn)亮光耦的LED ,使光敏三極管導(dǎo)通 ,從而激活繼電器K1的線圈 ,控制風(fēng)機(jī)或加熱器的開(kāi)關(guān) 。光耦還提供電氣隔離 ,防止輸出側(cè)的沖擊影響主電路 。為保護(hù)電路 ,繼電器K1線圈的續(xù)流二極管D 需反接 ,以中和線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

2.4    智能觸摸屏設(shè)計(jì)

USART—HMI觸摸屏使用DC24 V供電 , 該觸摸屏通過(guò)串行接口與主控制器進(jìn)行通信 ,其內(nèi)部功能十分強(qiáng)大 , 并配備了多種控件 ,包括按鈕控件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控件、圖表控件、功能控件和字符控件等 。觸摸屏制造商提供的圖形界面編輯工具用戶友好 , 允許通過(guò)圖形化操作對(duì)用戶界面的布局和大部分邏輯進(jìn)行配置。利用USART—HMI觸摸屏 ,可以快速、輕松地實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中 的人機(jī)交 互 顯 示 需 求 。USART—HMI串口屏還有休眠功能 ,可以進(jìn)入待機(jī)模式以降低系統(tǒng)的總能耗^[9]; 同時(shí) ,其編程過(guò)程既簡(jiǎn)單又高效。USART—HMI觸摸屏采用串口中斷方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送 ,這種做法實(shí)時(shí)性高 ,避免了在界面刷新過(guò)程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。

3    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1    USART—HMI觸摸屏程序設(shè)計(jì)

USART—HMI觸摸屏主要用于配置系統(tǒng)參數(shù)和展示實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù) 。由于其內(nèi)置了微型處理器 ,本設(shè)計(jì)僅需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。當(dāng)USART—HMI觸摸屏接通電源時(shí) ,系統(tǒng)會(huì)自行初始化 ,讀取預(yù)設(shè)的全局變量以完成狀態(tài)配置;隨后 ,它將持續(xù)監(jiān)控來(lái)自主控制器的數(shù)據(jù) , 以實(shí)時(shí)更新顯示內(nèi)容; 當(dāng)用戶在觸摸屏上操作按鍵時(shí) ,觸摸屏將通過(guò)串口將變更后的變量值傳送至主控制器 ,從而完成數(shù)據(jù)交換 ,并同步更新頁(yè)面狀態(tài)顯示 。觸摸屏程序流程圖如圖5所示。

3.2    主控程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通電后 ,會(huì)完成系統(tǒng)初始化 ,再根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)定完成默認(rèn)狀態(tài)初始化設(shè)置;然后對(duì)主控制器AD采樣采集回的溫度值數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理 ,并判斷處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值大小 , 發(fā)送相應(yīng)的控制指令; 同時(shí) ,將處理結(jié)果發(fā)送到觸摸屏上進(jìn)行顯示 ,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸摸屏設(shè)置、控制指令和遠(yuǎn)程控制指令 。系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4    系統(tǒng)測(cè)試

按照系統(tǒng)硬件電路搭建試驗(yàn)裝置 ,如圖7、圖8所示 。 當(dāng)系統(tǒng)板接通電源時(shí) ,綠色的LED燈點(diǎn)亮 ,這表明系統(tǒng)電源供應(yīng)處于正常狀態(tài) , 如圖7(a)所示 。在USART—HMI觸摸屏上 , 目標(biāo)溫度被設(shè)定為25 ℃ , 當(dāng)前環(huán)境溫度被檢測(cè)為25 ℃ ,則綠色指示燈亮起 ,這表明系統(tǒng)正在正常運(yùn)行模式下工作 ,如圖7(B)、圖8(a)所示 。通過(guò)USART—HMI觸摸屏設(shè)置按鈕將目標(biāo)溫度設(shè)置為25 ℃ ,讀取此時(shí)環(huán)境溫度為23.1 ℃ , 則黃色指示燈閃爍 , 表示系統(tǒng)開(kāi)啟加熱器工作模式 , 如圖7(c)、圖8(b)所示。在USART—HMI觸摸屏上 , 目標(biāo)溫度被設(shè)定為25 ℃ , 當(dāng)前環(huán)境溫度被檢測(cè)為30.2 ℃ ,黃色指示燈熄滅 ,紅色指示燈閃爍 ,表示系統(tǒng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)工作模式 ,如圖7(d)、圖8(c)所示 。 當(dāng)溫度降至設(shè)定值時(shí) ,紅色指示燈熄滅。這樣的循環(huán)保證了系統(tǒng)溫度始終在設(shè)定范圍內(nèi)。

5    結(jié)論

針對(duì)智能溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需要 , 從系統(tǒng)硬件電路測(cè)試和軟件方面設(shè)計(jì)了基于USART—HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng) ,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明 ,基于USART—HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度 ,其測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 ℃。因此 ,該系統(tǒng)有效解決了磷酸鐵鋰電池對(duì)溫度敏感的問(wèn)題 ,保證了機(jī)車(chē)應(yīng)急電源的安全可靠運(yùn)行 ,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 。未來(lái) , 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 ,溫度測(cè)控系統(tǒng)將會(huì)朝著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化 、遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展 , 相信隨著溫度測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展 ,其在機(jī)車(chē)應(yīng)急電源以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛 ,為人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)更多便利。

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2024年第20期第8篇