基于DSP的應(yīng)急電源智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

0   引言

隨著社會發(fā)展和生活水平提高 ,人們對于恒溫控制系統(tǒng)的要求越來越高 ,尤其是在機(jī)車應(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^[1] ,己成為主流的電池類型。然而 ,磷酸鐵鋰電池對溫度較為敏感 ,溫度過高或過低都會影響其性能和壽命 ,甚至引發(fā)安全隱患。因此 ,為保證機(jī)車應(yīng)急電源的安全可靠運行 ,需對其工作溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。本設(shè)計將USART—HMI觸摸屏應(yīng)用于智能溫度控制系統(tǒng) ,使得整個系統(tǒng)界面化、人性化 ,滿足人們對于溫度控制的高要求^[2]。串口屏人機(jī)界面的設(shè)計基于上位機(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)可以同步頁面的顯示 ,并且通過代碼控制控件可以多元化顯示數(shù)據(jù)^[3]。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的級聯(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 ,實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)測與指令遠(yuǎn)程下發(fā)控制 ,同時采用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] ,可以實現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)的無線遠(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USART—HMI觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)交互 ,實時顯示系統(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) ,并按照接收信號優(yōu)先級執(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

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 ,將信號送入單片機(jī)中 。當(dāng)MAX485芯片處于靜止?fàn)顟B(tài)時 ,默認(rèn)為接收模式;發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,單片機(jī)會通過激活使能引腳并上拉信號 ,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分信號形式輸出。通過不同參數(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熱敏電阻來實現(xiàn)溫度測量 。通過優(yōu)化采樣電路的硬件設(shè)計以及提高采樣頻率 ,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 ,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進(jìn)行1:1的同向比例放大 ,放大后的信號通過 adcA4采樣通道送入單片機(jī)中 ,通過計算能夠確定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 ℃時的溫度 ,即273. 15 K。

根據(jù)歐姆定律計算NTC的阻值 ,再通過查表得到相應(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 、弱電流的信號來操控高電壓器件的通斷 。用光耦作為繼電器線圈的驅(qū)動開關(guān) ,通過LED在光耦內(nèi)部點亮或熄滅來控制繼電器線圈的通斷 ,實現(xiàn)風(fēng)機(jī)或加熱器的開關(guān)控制 ,并通過電氣隔離和續(xù)流二極管保護(hù)電路 。如圖4所示 ,控制器通過GP30引腳輸出高電平信號 ,點亮光耦的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 ,以中和線圈斷電時產(chǎn)生的反電動勢。

2.4    智能觸摸屏設(shè)計

USART—HMI觸摸屏使用DC24 V供電 , 該觸摸屏通過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、實時時鐘控件、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 , 允許通過圖形化操作對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、輕松地實現(xiàn)在不同應(yīng)用場景中 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 ,其編程過程既簡單又高效。USART—HMI觸摸屏采用串口中斷方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送 ,這種做法實時性高 ,避免了在界面刷新過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失問題。

3    系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1    USART—HMI觸摸屏程序設(shè)計

USART—HMI觸摸屏主要用于配置系統(tǒng)參數(shù)和展示實時狀態(tài)數(shù)據(jù) 。由于其內(nèi)置了微型處理器 ,本設(shè)計僅需實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。當(dāng)USART—HMI觸摸屏接通電源時 ,系統(tǒng)會自行初始化 ,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)控來自主控制器的數(shù)據(jù) , 以實時更新顯示內(nèi)容; 當(dāng)用戶在觸摸屏上操作按鍵時 ,觸摸屏將通過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
系統(tǒng)通電后 ,會完成系統(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 ,將處理結(jié)果發(fā)送到觸摸屏上進(jìn)行顯示 ,并實時監(jiān)測觸摸屏設(shè)置、控制指令和遠(yuǎn)程控制指令 。系統(tǒng)主控程序設(shè)計流程如圖6所示。

4    系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)硬件電路搭建試驗裝置 ,如圖7、圖8所示 。 當(dāng)系統(tǒng)板接通電源時 ,綠色的LED燈點亮 ,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)境溫度被檢測為25 ℃ ,則綠色指示燈亮起 ,這表明系統(tǒng)正在正常運行模式下工作 ,如圖7(B)、圖8(a)所示 。通過USART—HMI觸摸屏設(shè)置按鈕將目標(biāo)溫度設(shè)置為25 ℃ ,讀取此時環(huán)境溫度為23.1 ℃ , 則黃色指示燈閃爍 , 表示系統(tǒng)開啟加熱器工作模式 , 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)境溫度被檢測為30.2 ℃ ,黃色指示燈熄滅 ,紅色指示燈閃爍 ,表示系統(tǒng)開啟風(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 ,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

針對智能溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)測需要 , 從系統(tǒng)硬件電路測試和軟件方面設(shè)計了基于USART—HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng) ,并進(jìn)行了實驗驗證。實驗測試結(jié)果表明 ,基于USART—HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng)能監(jiān)測實時環(huán)境溫度 ,其測量精度可以達(dá)到0.1 ℃。因此 ,該系統(tǒng)有效解決了磷酸鐵鋰電池對溫度敏感的問題 ,保證了機(jī)車應(yīng)急電源的安全可靠運行 ,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 。未來 , 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 ,溫度測控系統(tǒng)將會朝著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化 、遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展 , 相信隨著溫度測控技術(shù)的不斷發(fā)展 ,其在機(jī)車應(yīng)急電源以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加廣泛 ,為人們的生產(chǎn)和生活帶來更多便利。

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2024年第20期第8篇