一種電力巡視車(chē)恒溫智能座墊的設(shè)計(jì)

郭文峰，唐 明

（長(zhǎng)園共創(chuàng)電力安全技術(shù)股份有限公司，廣東珠海 519000）

0 前言

目前國(guó)內(nèi)電力巡視車(chē)座墊調(diào)溫型的大多是功能單一的，采用加熱絲加熱及單片機(jī)控制，駕駛員根據(jù)需要由開(kāi)關(guān)設(shè)定加熱的溫度檔位，單片機(jī)對(duì)外部感溫信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后產(chǎn)生不同的控制輸出，達(dá)到設(shè)置不同加熱溫度的功能[1]。這種座墊存在既不安全也不利于在夏天調(diào)溫的缺點(diǎn)。

溫差半導(dǎo)體熱電制冷會(huì)產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來(lái)決定[2]。本文就是利用這個(gè)效應(yīng)，采用單片機(jī)智能控制，通過(guò)汽車(chē)的點(diǎn)煙頭取蓄電池的電源，根據(jù)座墊溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算判斷進(jìn)而控制，達(dá)到恒溫的目的。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思想

（1）高安全性設(shè)計(jì)

本論文所述的產(chǎn)品是用于電力巡視車(chē)，這是載人高速行駛交通工具，安全是首位的，所以附件的使用不能影響載體的安全，供電的蓄電池在低于10.5 V和高于16 V時(shí)就必須進(jìn)行保護(hù)，否則有可能影響汽車(chē)的啟動(dòng)和車(chē)載電子設(shè)備的使用，加熱部件的過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)也是必須的。

（2）高可靠性設(shè)計(jì)

汽車(chē)供電常有浪涌電壓沖擊，溫差半導(dǎo)體工作時(shí)熱端溫度短時(shí)間的迅速上升易產(chǎn)生火災(zāi)，循環(huán)中缺少液體損壞元器件，芯片的掉電記憶等缺陷防范在設(shè)計(jì)中都應(yīng)加以考慮。

（3）高性?xún)r(jià)比設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中不能盲目追求精度高、價(jià)格高的元器件和復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案，帶來(lái)成本上升，而采用的性?xún)r(jià)比合適的單片機(jī)STC12C2052AD及相應(yīng)的外圍電路則在設(shè)計(jì)中既滿(mǎn)足使用壽命和功能的要求，又有方案簡(jiǎn)單、容易實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，從而可獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 工作原理

恒溫循環(huán)原理：如圖1整體布局結(jié)構(gòu)圖，由座墊、水泵、散熱器、水箱、風(fēng)扇、控制板等組成，虛線(xiàn)框內(nèi)為散熱系統(tǒng)。

座墊內(nèi)布置充滿(mǎn)導(dǎo)熱液的銅管，銅管一端伸出并夾于鋁塊中，其上附著兩塊溫差半導(dǎo)體進(jìn)行一面制冷或加熱，并傳導(dǎo)到鋁塊上進(jìn)行恒溫的能量轉(zhuǎn)換，而其另一面的轉(zhuǎn)換能量則通過(guò)一套液冷循環(huán)系統(tǒng)向外散發(fā)，即導(dǎo)熱液流到散熱塊，利用風(fēng)扇向外強(qiáng)制對(duì)流，常溫后導(dǎo)熱液流回到水箱，水泵則作為驅(qū)動(dòng)力，將導(dǎo)熱液泵回半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)整體循環(huán)[3]。

電氣控制原理見(jiàn)圖2，貼在座墊的溫濕度傳感器感受人體的溫度及濕度傳給單片機(jī)，同時(shí)貼在半導(dǎo)體的過(guò)熱溫度保護(hù)傳感器將散熱面溫度情況和水箱的干簧管檢測(cè)水位情況傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的要求判斷并將溫濕度或故障點(diǎn)顯示在液晶上，危險(xiǎn)情況則通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，如正常就驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，半導(dǎo)體、風(fēng)扇和水泵工作。

圖2 系統(tǒng)功能流程圖

2 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)選型

目前市面上有很多芯片，高低檔次不同，公司都各有不同，現(xiàn)國(guó)際品牌有INTEL、ATMEL、PHILIPS等，價(jià)格偏低有華邦，宏晶等廠(chǎng)家。這款恒溫座墊是屬于大眾消費(fèi)類(lèi)的產(chǎn)品，定位偏低，有模擬量輸入，最好集成A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)行速度在20 MHz以下，功耗要低，方便操作的在線(xiàn)的ISP等。經(jīng)綜合考慮，確定采用芯片STC12C2052AD，價(jià)格和技術(shù)支持上特別有優(yōu)勢(shì)。

（2）單片機(jī)特點(diǎn)

采用的宏晶科技芯片STC12C2052AD具有主要優(yōu)點(diǎn)是：1個(gè)時(shí)鐘周期只有1/12μs，速度快；5.5 V～3.5 V寬電壓；8位ADC，可省去中間的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；ISP在線(xiàn)可編程，試驗(yàn)階段調(diào)整比較方便等。

（3）單片機(jī)應(yīng)用

STC12C2052AD的引腳布置說(shuō)明見(jiàn)圖3。

管腳1：RST復(fù)位角，通過(guò)C8和R3的R/C復(fù)位電路，按下開(kāi)關(guān)SW-1對(duì)電容的充放電向RST引腳施加一定寬度的復(fù)位脈沖，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。將RST復(fù)位管腳至于高電平，至少保持12μs左右，單片機(jī)會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，將RST復(fù)位管腳拉低電平后，單片機(jī)結(jié)束復(fù)位狀態(tài)并從程序區(qū)的起始點(diǎn)（即0000H)開(kāi)始工作。

管腳2：P3.0接入三極管Q1的基極，控制其導(dǎo)通，進(jìn)而控制CON1、CON2、CON3、CON4散熱塊風(fēng)扇、水泵及半導(dǎo)體。

管腳3：P3.1接入三極管Q2的基極，控制其導(dǎo)通，進(jìn)而控制CON1、CON2、CON3、CON4散熱塊風(fēng)扇、水泵及半導(dǎo)體。

管腳4管腳5：如圖3為通用晶振電路的接法，均為內(nèi)部反相放大器的輸出端。選取11.059 2 MHz晶振和22 pF電容組成一個(gè)外部振蕩。

管腳6：做外部中斷0，采用低電平中斷，接入水位開(kāi)關(guān)，作為外部中斷源。

管腳7：P3.3，暫時(shí)空置。

管腳8：P3.4接三極管Q3基極，控制蜂鳴器，發(fā)光二極管導(dǎo)通。

圖3 座墊電路原理圖

管腳9：P3.5接三極管Q4基極，進(jìn)而控制CON5座墊的風(fēng)扇。

管腳10：Gnd電源負(fù)極接地。

管腳11：P3.7，暫時(shí)空置。

管腳12：P1.0（ADC0），按鍵3、按鍵4的輸入口，同時(shí)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)阻值判斷具體按鍵信號(hào)。

管腳13：P1.1（ADC1），接入電壓檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)，判斷是否超過(guò)范圍。

管腳14：P1.2接LCD的數(shù)據(jù)輸入腳。

管腳15：P1.3接LCD的同步數(shù)據(jù)輸入腳。

管腳16：P1.4接LCD的數(shù)據(jù)、信號(hào)控制腳。

管腳17：P1.5接LCD的芯片選擇腳。

管腳18：P1.5接LCD控制驅(qū)動(dòng)電源復(fù)位腳。

管腳19：P1.5接溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

管腳20：電源正極，接入5 V。按按鍵SW-2連接電源啟動(dòng)電路。

2.2 制冷加熱切換電路設(shè)計(jì)

選取兩片12706半導(dǎo)體片，最大電流達(dá)6 A/片，最大溫差67℃，最大制冷量51.4 W/片，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在電路中并聯(lián)連接。汽車(chē)車(chē)載的點(diǎn)煙頭類(lèi)型有12 V/24 V，全部轉(zhuǎn)為12 V供電，單片機(jī)在P3.0處，輸出高電平，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器JDQ1吸合，半導(dǎo)體制冷；單片機(jī)在P3.1處，輸出高電平，三極管Q3導(dǎo)通，繼電器JDQ2吸合，半導(dǎo)體制熱。直流風(fēng)扇和水泵電機(jī)則是通過(guò)半波整流，始終保證電流方向不變。

濕度傳感器則選取相對(duì)濕度合適值，超出范圍后，則由單片機(jī)在P3.5輸出高電平，三極管Q4導(dǎo)通，繼電器JDQ3吸合，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)座墊下風(fēng)扇運(yùn)行。

2.3 供電電路和電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

（1）供電電路

Vin和GNDin接入電源DC12V，為防止浪涌電壓的沖擊，并聯(lián)了TVS管，將貼附在半導(dǎo)體側(cè)的過(guò)熱保險(xiǎn)管串聯(lián)，防止熱面異常，造成產(chǎn)品燃燒。當(dāng)工作溫度超過(guò)60°，切斷整個(gè)電路。電源模塊則采用寬電壓1.2～37 V的LM2596-5.0降壓型電源管理芯片，能夠輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流，提供5 V電源，供單片機(jī)等供電，7130輸出3.3 V升壓13 V后給LCD供電[4]。

（2）電壓檢測(cè)電路

在A點(diǎn)采樣輸入電壓，經(jīng)過(guò)R2、R3分壓以及比較器，輸入單片機(jī)P1.0這是一個(gè)帶AD轉(zhuǎn)換口，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算，如果輸入點(diǎn)小于10.5 V，大于16 V切斷溫差半導(dǎo)體供電，以保護(hù)蓄電池以免耗電過(guò)度影響汽車(chē)啟動(dòng)和器件的壽命。

2.4 溫濕度檢測(cè)和水位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）溫濕度檢測(cè)

本論文采用的是一款經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性含有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，測(cè)溫范圍20%～90%RH，0～50℃，測(cè)濕精度±5%RH，測(cè)溫精度±2℃，1腳5 V供電，2腳將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)P1.7，經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)化數(shù)字化分析，控制風(fēng)扇和溫差半導(dǎo)體的動(dòng)作。

（2）水位檢測(cè)

檢測(cè)方法是在水箱內(nèi)，將磁鋼預(yù)埋在浮子里，中空穿一根有干簧管的塑料桿，當(dāng)發(fā)生散熱的水量不夠時(shí)，浮子下沉觸發(fā)干簧管斷開(kāi)，產(chǎn)生一個(gè)緊急情況，溫差半導(dǎo)體工作停止，當(dāng)水箱的水位足夠時(shí)，浮子上升，干簧管吸合，溫差半導(dǎo)體恢復(fù)工作，水位點(diǎn)接入是P3.2外部中端口INT0，低電平啟動(dòng)中斷程序。

2.5 顯示報(bào)警和按鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）緊急報(bào)警

蜂鳴器報(bào)警電路，故障或緊急提示報(bào)警時(shí)P3.4高電平驅(qū)動(dòng)Q4，則蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)發(fā)光二極管D4提示。

（2）按鍵電路

按鍵電路利用STC12C2052AD單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，將2個(gè)加減按鍵按阻值的不同產(chǎn)生分壓變化傳給P1.1的ADC1腳，可判斷按鍵的不同。

（3）液晶顯示驅(qū)動(dòng)

產(chǎn)品顯示采用UG-6028GDEAF01彩色OLED液晶，不需用到背光板，同時(shí)視角比較廣，反應(yīng)速度快，用簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路即可達(dá)到發(fā)光，亮度高，色彩豐富，分辨率高。要求的驅(qū)動(dòng)電壓低、低能耗。供電電壓有3.3 V和13 V，本電路采用GC-MP1541的升壓芯片提供13 V供電，芯片則通過(guò)P1.2～P1.6五個(gè)腳分別控制數(shù)據(jù)輸入，同步時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)/指令控制，芯片選擇、控制和驅(qū)動(dòng)電源復(fù)位。顯屏內(nèi)容為實(shí)時(shí)/設(shè)定溫、濕度，制冷加熱狀態(tài)，故障代碼等。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控制程序流程圖介紹

主程序流程圖見(jiàn)圖4，主程序是整個(gè)座墊控制系統(tǒng)軟件的主要脈絡(luò)，通過(guò)主程序形成一根主線(xiàn)，可有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中各類(lèi)子程序及模塊，使它們形成一個(gè)相互配合和協(xié)同動(dòng)作的整體，可以有條理地完成各項(xiàng)編制的操作指令。本系統(tǒng)上電/復(fù)位后，系統(tǒng)開(kāi)始初始化并掃描，不正常則操作鎖定，恢復(fù)后重新進(jìn)入初始化；正常則分別進(jìn)入溫濕度設(shè)定及讀取；如濕度大于65%RH則座墊下風(fēng)機(jī)運(yùn)行，否則停止；感受座墊處溫度如果大于26℃，半導(dǎo)體制冷，水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行；如果不是，判斷是否小于18℃，半導(dǎo)體制熱，水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行。符合條件后，均轉(zhuǎn)為結(jié)束，然后又從初始化開(kāi)始。

3.2 典型程序的處理

STC12C2052AD單片機(jī)提供了9個(gè)外部中斷請(qǐng)求源，分別是外部中斷0(INT0)定時(shí)器0中斷、外部中斷（INT1）、定時(shí)器1中斷、串口（UART）、A/D轉(zhuǎn)換中斷和SPI中斷、PCA模塊中斷和低壓檢測(cè)（LVD）中斷。所有的中斷都有4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)[6]。而其中外部中斷0是最高級(jí)，其他次之，有下降沿和低電壓兩種觸發(fā)方式，P3.2接入的是水位傳感器的信號(hào)，采用低電平觸發(fā)方式。

水位中斷程序如下：

圖4 主程序流程圖

4 調(diào)試

4.1 軟硬件的準(zhǔn)備

（1）硬件準(zhǔn)備

①焊接，先將元器件按功能的要求及原理圖及布板的標(biāo)識(shí)一一焊接，并檢測(cè)電路存在虛焊和短路情況；②檢查，用萬(wàn)用表和示波器檢測(cè)電路各端口電壓及波形并與預(yù)算值比較并分析。

（2）軟件準(zhǔn)備

匯編的源程序編好后使用KeilC51軟件來(lái)調(diào)試。

①建立工程文件：由于STC系列單片機(jī)是新發(fā)展的芯片，在Keil設(shè)備庫(kù)中沒(méi)有，可選已有的一家52系列單片機(jī)用匯編對(duì)STC12C2052AD新增特殊功能寄存器進(jìn)行定義再添加到設(shè)備庫(kù)中，生成擴(kuò)展名為.asm匯編文件；②調(diào)試程序，利用Target 1添加.asm文件進(jìn)行編譯，再用Debug運(yùn)行，檢查程序運(yùn)行結(jié)果；③程序加載使用“Out?put”中單擊“Create HEX File”選項(xiàng)，使程序編譯后產(chǎn)生HEX代碼，通過(guò)STC-ISP下載編譯工具，把程序下載到STC12C2052AD單片機(jī)中。

4.2 測(cè)試平臺(tái)搭建

為了配合產(chǎn)品的試驗(yàn)，需要準(zhǔn)備一個(gè)環(huán)境試驗(yàn)室，溫度在-10℃～50℃可調(diào)，相對(duì)濕度90%RH可調(diào)，可調(diào)穩(wěn)壓電源DC0～36 V，30 A以上，溫度測(cè)試儀，濕度測(cè)試儀，萬(wàn)用表，電烙鐵等儀器及工具。連接線(xiàn)，鋁箔紙等輔助材料。

（1）測(cè)試點(diǎn)：將Vin和GNDin分別連接溫壓電源的正負(fù)端，溫度探頭分別貼于座墊導(dǎo)熱板，水箱內(nèi)，兩個(gè)半導(dǎo)體的熱面端，散熱塊及環(huán)境點(diǎn)。濕度傳感器探測(cè)點(diǎn)則分別置在座墊內(nèi)和搭建的環(huán)境中。

（2）測(cè)試內(nèi)容：①正常功能測(cè)試，通過(guò)正常的開(kāi)關(guān)機(jī)通電，按鍵設(shè)置，是否符合顯示要求，制冷，制熱工作是否正常等；②異常功能測(cè)試，通過(guò)設(shè)置電壓點(diǎn)，DC9.5 V和DC16.5 V，電路能否進(jìn)行保護(hù)，蜂鳴器報(bào)警，LCD故障顯示是否正常，半導(dǎo)體熱面高溫是否系統(tǒng)報(bào)警，水箱缺水是否報(bào)警等；③環(huán)境工作，設(shè)置三個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)-5℃，25℃，40℃；環(huán)境濕度點(diǎn)40%RH，70%RH系統(tǒng)是否工作正常，包括風(fēng)扇，半導(dǎo)體以及溫濕度的工作曲線(xiàn)及效率等。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能座墊的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)可以感受到，很多設(shè)計(jì)靈感都來(lái)源于工作和生活，通過(guò)解決自己周邊遇到的問(wèn)題，使之更加順暢、便捷和舒適，這樣的產(chǎn)品才有生命力，而如果想保持長(zhǎng)久，則需要不斷賦予新的內(nèi)涵。在智能座墊上也可以發(fā)現(xiàn)還有很多發(fā)展空間，如新的功能完善，增加按摩、防撞防護(hù)、GPS定位等；操作便捷完善，增加遙控啟動(dòng)和備用電池；以及增加座墊自身的舒適度[7]等，這些都將為產(chǎn)品不斷增加市場(chǎng)新賣(mài)點(diǎn)，推出一代代新品指明了方向。

［1］蘇景芳.半導(dǎo)體制冷及溫差發(fā)電器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2004.

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