基于DSP的应急电源智能温度控制系统设计

0   引言

随着社会发展和生活水平提高 ,人们对于恒温控制系统的要求越来越高 ,尤其是在机车应急电源领域 。磷酸铁锂电池是一种新型高能量密度锂离子电池 ,具有高安全性、可靠性和耐用性等特点^[1] ,己成为主流的电池类型。然而 ,磷酸铁锂电池对温度较为敏感 ,温度过高或过低都会影响其性能和寿命 ,甚至引发安全隐患。因此 ,为保证机车应急电源的安全可靠运行 ,需对其工作温度进行实时监测和控制。本设计将USART—HMI触摸屏应用于智能温度控制系统 ,使得整个系统界面化、人性化 ,满足人们对于温度控制的高要求^[2]。串口屏人机界面的设计基于上位机软件USARTHMI完成 ,该上位机软件操作方便 ,功能强大 ,扩展性强 ,上位机可以同步页面的显示 ,并且通过代码控制控件可以多元化显示数据^[3]。为了实现系统的级联通信 ,主控制器和USART—HMI触摸屏之间采用RS485通信协议的接线端口^[4]。与传统的接口相比 ,RS485接口以其简易的接线方式、卓越的抗干扰特性、灵活的扩展能力和远距离传输能力而著称 ,因此它能更有效地迎合系统需求 。系统预留了外部接口 ,实现数据实时采集监测与指令远程下发控制 ,同时采用4G通信模块转发采集到的数据 ,4G模块选用4G DTU M751 ,可以将RS485采集的数据通过3G/4G发送到云端服务器端 。系统应该具有一定的可扩展性 ,以便根据需要增加必要的功能^[5]。控制器具有良好的人机交互功能及初步智能化特征^[6] ,可以实现串口设备数据的无线远距离传送 ,以便在远处进行数据通信的管理。

1    系统组成及工作原理

本系统由六部分组成:USART—HMI触摸屏(上位机)、DSP F28035控制器、电源转换电路、RS485通信电路 、NTC热敏电阻传感器采样电路和继电器控制电路 。通过USART—HMI触摸屏实现人机交互 ,实时显示系统工作状态;DSP F28035控制器用于采集环境温度 、处理触摸屏下发的命令 、控制继电器状态 ,并按照接收信号优先级执行相应命令。系统框图如图1所示。

2    系统硬件设计

硬件电路由电源电路 ,通信、温度采集和继电器电路组成 ,电源电路采用成熟的模块电源。

2.1    RS485通信电路

RS485通信电路如图2所示 ,采用了MAX485和ADUM1201芯片 ,以提高通信的稳定性和可靠性 。MAX485芯片的8引脚接电源输入 ,5引脚接电源地; 6引脚和7引脚接差分信号传输引脚 。通信接口需外接屏蔽电缆线 ,并选择合适的匹配电阻以提高信号抗电磁干扰能力 。MAX485芯片的1引脚和2引脚与ADUM1201芯片的7引脚和6引脚相连接 ,将信号送入单片机中 。当MAX485芯片处于静止状态时 ,默认为接收模式;发送数据时 ,单片机会通过激活使能引脚并上拉信号 ,将数据转换为差分信号形式输出。通过不同参数的设置能够实现不同的功能^[7]。该电路采用RS485通信标准 ,支持多设备通信 ,并具备强大的抗电磁干扰能力 ,可确保数据稳定传输。ADUM1201作为电气隔离器进一步减少了干扰 ,提升了通信的可靠性 ,适合多设备间通信应用。

2.2    NTC温度采样电路

温度的准确采集非常重要 ,因此本系统采用NTC热敏电阻来实现温度测量 。通过优化采样电路的硬件设计以及提高采样频率 ,提高温度采样的精度以及分辨率^[8]。图3为温度采集电路 ,其中OPA2189芯片起到了放大、滤波和稳压的作用。该电路测温范围广 ,线性度好 。由于NTC热敏电阻的工作电流很小 ,因此需要放大采样信号 ,以便单片机进行AD采样 。OPA2189芯片的7引脚将NTC热敏电阻采集的电压信号进行1:1的同向比例放大 ,放大后的信号通过 adcA4采样通道送入单片机中 ,通过计算能够确定NTC热敏电阻两端的电压大小 。通常用下式表示阻值与温度的关系:

式中:RT、R0分别为温度T和T0时的阻值;B为热敏电阻的材料常数 ,常用NTC型热敏电阻的B在1 500~ 6 000 kΩ;T0为0 ℃时的温度 ,即273. 15 K。

根据欧姆定律计算NTC的阻值 ,再通过查表得到相应的温度值 ,本电路选择阻值为10 kΩ的NTC热敏电阻 ,对应的温度为25 ℃ 。

2.3    继电器控制电路

继电器的作用是利用低电压 、弱电流的信号来操控高电压器件的通断 。用光耦作为继电器线圈的驱动开关 ,通过LED在光耦内部点亮或熄灭来控制继电器线圈的通断 ,实现风机或加热器的开关控制 ,并通过电气隔离和续流二极管保护电路 。如图4所示 ,控制器通过GP30引脚输出高电平信号 ,点亮光耦的LED ,使光敏三极管导通 ,从而激活继电器K1的线圈 ,控制风机或加热器的开关 。光耦还提供电气隔离 ,防止输出侧的冲击影响主电路 。为保护电路 ,继电器K1线圈的续流二极管D 需反接 ,以中和线圈断电时产生的反电动势。

2.4    智能触摸屏设计

USART—HMI触摸屏使用DC24 V供电 , 该触摸屏通过串行接口与主控制器进行通信 ,其内部功能十分强大 , 并配备了多种控件 ,包括按钮控件、实时时钟控件、图表控件、功能控件和字符控件等 。触摸屏制造商提供的图形界面编辑工具用户友好 , 允许通过图形化操作对用户界面的布局和大部分逻辑进行配置。利用USART—HMI触摸屏 ,可以快速、轻松地实现在不同应用场景中 的人机交 互 显 示 需 求 。USART—HMI串口屏还有休眠功能 ,可以进入待机模式以降低系统的总能耗^[9]; 同时 ,其编程过程既简单又高效。USART—HMI触摸屏采用串口中断方式来进行数据的接收和发送 ,这种做法实时性高 ,避免了在界面刷新过程中可能出现的数据丢失问题。

3    系统软件设计

3.1    USART—HMI触摸屏程序设计

USART—HMI触摸屏主要用于配置系统参数和展示实时状态数据 。由于其内置了微型处理器 ,本设计仅需实现数据交换功能。当USART—HMI触摸屏接通电源时 ,系统会自行初始化 ,读取预设的全局变量以完成状态配置;随后 ,它将持续监控来自主控制器的数据 , 以实时更新显示内容; 当用户在触摸屏上操作按键时 ,触摸屏将通过串口将变更后的变量值传送至主控制器 ,从而完成数据交换 ,并同步更新页面状态显示 。触摸屏程序流程图如图5所示。

3.2    主控程序设计
系统通电后 ,会完成系统初始化 ,再根据系统功能设定完成默认状态初始化设置;然后对主控制器AD采样采集回的温度值数据进行转换和处理 ,并判断处理后的数据与设定阈值大小 , 发送相应的控制指令; 同时 ,将处理结果发送到触摸屏上进行显示 ,并实时监测触摸屏设置、控制指令和远程控制指令 。系统主控程序设计流程如图6所示。

4    系统测试

按照系统硬件电路搭建试验装置 ,如图7、图8所示 。 当系统板接通电源时 ,绿色的LED灯点亮 ,这表明系统电源供应处于正常状态 , 如图7(a)所示 。在USART—HMI触摸屏上 , 目标温度被设定为25 ℃ , 当前环境温度被检测为25 ℃ ,则绿色指示灯亮起 ,这表明系统正在正常运行模式下工作 ,如图7(B)、图8(a)所示 。通过USART—HMI触摸屏设置按钮将目标温度设置为25 ℃ ,读取此时环境温度为23.1 ℃ , 则黄色指示灯闪烁 , 表示系统开启加热器工作模式 , 如图7(c)、图8(b)所示。在USART—HMI触摸屏上 , 目标温度被设定为25 ℃ , 当前环境温度被检测为30.2 ℃ ,黄色指示灯熄灭 ,红色指示灯闪烁 ,表示系统开启风机工作模式 ,如图7(d)、图8(c)所示 。 当温度降至设定值时 ,红色指示灯熄灭。这样的循环保证了系统温度始终在设定范围内。

5    结论

针对智能温度控制系统的监测需要 , 从系统硬件电路测试和软件方面设计了基于USART—HMI触摸屏的智能温度控制系统 ,并进行了实验验证。实验测试结果表明 ,基于USART—HMI触摸屏的智能温度控制系统能监测实时环境温度 ,其测量精度可以达到0.1 ℃。因此 ,该系统有效解决了磷酸铁锂电池对温度敏感的问题 ,保证了机车应急电源的安全可靠运行 ,提高了系统的稳定性和可靠性 。未来 , 随着技术的不断发展 ,温度测控系统将会朝着更加智能化、网络化 、远程化的方向发展 , 相信随着温度测控技术的不断发展 ,其在机车应急电源以及其他领域的应用将会更加广泛 ,为人们的生产和生活带来更多便利。

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2024年第20期第8篇