車輛擋風(fēng)玻璃電加溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉旭 大勇

摘? 要：車輛在低溫環(huán)境行駛過程中，由于駕駛室內(nèi)外存在一定溫差，擋風(fēng)玻璃容易起霧甚至結(jié)冰，影響駕駛員的視線，因此車輛擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)成為了現(xiàn)代軍用車輛中不可或缺的一部分。本文根據(jù)某公司重型高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛的需求，設(shè)計(jì)了一種前擋風(fēng)玻璃電加溫控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠配合前擋風(fēng)玻璃電加溫功能使用，保證前擋風(fēng)玻璃的溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)玻璃防冰、除冰等功能。

關(guān)鍵詞：擋風(fēng)玻璃;電加溫;控制器

中圖分類號(hào)：TJ02? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-3769（2022）01-040-05

一、設(shè)計(jì)背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息化和科技化成為現(xiàn)代軍事發(fā)展的一個(gè)重要方向，武器裝備也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有了進(jìn)一步的革新[1]。武器裝備的性能對(duì)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭起著重要的作用，因此世界各國的武裝部隊(duì)對(duì)武器裝備性能的要求越來越高，武器裝備對(duì)使用環(huán)境要求也越來越苛刻[2]。嚴(yán)苛的使用環(huán)境主要體現(xiàn)在溫度、振動(dòng)、濕熱、鹽霧、沙塵、霉菌、電磁干擾等諸多方面，每種環(huán)境均對(duì)武器裝備和其他軍用產(chǎn)品提出了較高的要求，因此在設(shè)計(jì)軍用產(chǎn)品時(shí)必須要考慮產(chǎn)品所需滿足的使用條件，保證產(chǎn)品在嚴(yán)苛的環(huán)境下能夠正常工作。

以某公司的重型高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛為例，其要求車輛在低溫情況下能夠正常行駛。在風(fēng)擋玻璃的使用環(huán)境中，低溫是一種比較嚴(yán)苛的環(huán)境[3]。由于駕駛室內(nèi)外的溫差，車輛內(nèi)的熱空氣遇到溫度較低的風(fēng)擋玻璃后容易起霧甚至結(jié)冰，嚴(yán)重影響操作人員的視線[4][5]。為解決此問題，該型車輛配備了前擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)以電阻絲為加熱元件，以PT 1000熱敏電阻為溫度傳感器，目的是要保證風(fēng)擋玻璃溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)擋玻璃的防冰、除冰等功能。該擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)需配備特定的控制系統(tǒng)以滿足使用要求，其中控制系統(tǒng)性能指標(biāo)和所要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）控制電源電壓為直流20～28V;加溫電源電壓為直流20～28V;每塊玻璃加溫電流為28A。（2）當(dāng)玻璃溫度低于20℃±2℃（玻璃溫度由熱敏電阻給定）時(shí)開啟加溫，玻璃溫度溫到40℃±2℃時(shí)斷開加溫;若超過60℃，自動(dòng)切斷電源，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。（3）若左擋風(fēng)玻璃熱敏電阻發(fā)生短路或斷路故障，控制器輸出左路故障信號(hào)，封閉左擋風(fēng)玻璃的熱敏電阻信號(hào)，用右路的溫度代替左路的溫度來控制左擋風(fēng)玻璃的加溫，反之亦然，從而起到相互保護(hù)的作用;若左加溫回路出現(xiàn)故障，控制器則輸出左路故障信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)隔離左溫度控制通道，左加溫回路不進(jìn)行加溫，右加溫回路出現(xiàn)故障時(shí)亦然。

二、擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)框圖

圖1為擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)控制器硬件框圖，其中控制芯片選取意法半導(dǎo)體公司的STM32F103 VGT6。該擋風(fēng)玻璃電加溫系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能如圖1所示。

1.自檢功能

在加溫系統(tǒng)控制器通電之后進(jìn)行自檢，檢查加溫回路是否斷路或過載，然后再檢查熱敏電阻是否短路或斷路。自檢結(jié)束后，如果左（右）路出現(xiàn)故障（熱敏電阻故障或加溫回路故障），則要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

2.控制加溫功能

加溫系統(tǒng)控制器通過單片機(jī)采集左右兩路熱敏電阻信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前擋風(fēng)玻璃的溫度，當(dāng)玻璃溫度低于20℃±2℃時(shí)即開啟加溫，玻璃溫度加溫到40℃±2℃時(shí)即停止加溫;若超過60℃±2℃，即自動(dòng)保護(hù)切斷電源，若處于加溫狀態(tài)，則點(diǎn)亮加溫狀態(tài)指示燈。

3.故障處理功能

加溫系統(tǒng)控制器通過檢測加溫回路的電流來判斷加溫回路是否發(fā)生故障，若左加溫回路出現(xiàn)斷路或過載故障，點(diǎn)亮左故障指示燈，同時(shí)自動(dòng)隔離左溫度控制通道，左加溫回路不進(jìn)行加溫，右加溫回路出現(xiàn)故障時(shí)亦然;若左擋風(fēng)玻璃熱敏電阻發(fā)生短路、斷路故障，點(diǎn)亮左故障指示燈，封閉左風(fēng)擋玻璃的熱敏電阻信號(hào)，由右溫度控制通道控制左風(fēng)擋玻璃的加溫，反之亦然。

（二）主要功能電路設(shè)計(jì)

車輛擋風(fēng)玻璃電加溫控制系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫度采集電路、過載保護(hù)電路等組成。

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

最小系統(tǒng)電路采用STM32F103VGT6單片機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量采集、通信控制與信號(hào)處理等功能。

2.溫度采集電路

該電路的作用是采集熱敏電阻兩端的電壓，計(jì)算出熱敏電阻的阻值，可以進(jìn)一步得到玻璃的實(shí)際溫度，如圖2所示。

該電路采用三運(yùn)放差分放大電路，放大電路的輸出電壓U0與輸入電壓UI的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

U0=1+2××（UI-U1 ）

其中U1為參考電壓。

在圖3中，運(yùn)放U15B的功能為檢測熱敏電阻故障。根據(jù)PT1000熱敏電阻的阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以計(jì)算出不同溫度下放大電路的輸出電壓。當(dāng)玻璃溫度為-55℃時(shí)，三運(yùn)放放大電路輸出的電壓為0.6V，而運(yùn)放U15B輸出的電壓為1.63V;當(dāng)玻璃溫度為70℃時(shí)，三運(yùn)放放大電路輸出的電壓為3.08V，而運(yùn)放U15B輸出的電壓為1.87V?？梢钥闯霎?dāng)玻璃溫度在-55～70℃范圍內(nèi)變化時(shí)，三運(yùn)放放大電路輸出電壓接近滿量程，其變化幅度約為20mV/℃，而檢測熱敏電阻故障的運(yùn)放U15B的輸出電壓變化并不十分明顯，因此當(dāng)熱敏電阻沒有故障，玻璃溫度在正常范圍內(nèi)時(shí)，利用三運(yùn)放放大電路可以比較精確的測量出玻璃溫度。當(dāng)熱敏電阻處于短路故障時(shí)，其阻值為0，此時(shí)三運(yùn)放放大電路的輸出電壓不正常，而運(yùn)放U15B的輸出電壓約為0.9V;當(dāng)熱敏電阻處于斷路故障時(shí)，其阻值為無窮大，此時(shí)三運(yùn)放放大電路的輸出電壓為接近3.3V，而運(yùn)放U15B的輸出電壓約為3.1V，因此利用三運(yùn)放放大電路難以準(zhǔn)確判斷出熱敏電阻故障，而利用運(yùn)放U15B能夠準(zhǔn)確的判斷出熱敏電阻的故障情況。

3.電流采集電路

將電流傳感器串聯(lián)在加溫回路中，通過電流傳感器將加溫回路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過電壓跟隨器將電壓信號(hào)輸送至ADC，將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送至控制器，最終實(shí)現(xiàn)電流的采集功能。

4.過載保護(hù)電路

該電路的作用是當(dāng)加溫回路出現(xiàn)過載故障時(shí)，迅速關(guān)斷MOS管，起到快速保護(hù)的作用。過載保護(hù)電路原理，如圖3所示。

電流霍爾芯片的輸出信號(hào)除了用于計(jì)算加溫回路電流之外，另一個(gè)作用是接到過載保護(hù)電路中的比較器上，在該電路中，比較器的參考電壓為0.96V，對(duì)應(yīng)的電流保護(hù)點(diǎn)為38A。當(dāng)加溫回路電流超過38A時(shí)，電流霍爾芯片的輸出電壓低于0.96V，使得比較器的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，光耦由截止變?yōu)閷?dǎo)通，光耦的副邊會(huì)產(chǎn)生下降沿，將與光耦相連的單片機(jī)引腳設(shè)置為下降沿中斷模式，此時(shí)會(huì)觸發(fā)單片機(jī)外部信號(hào)下降沿中斷，在中斷程序中將MOS管關(guān)斷。

三、擋風(fēng)玻璃電加溫控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

擋風(fēng)玻璃電加溫控制器系統(tǒng)的軟件總體部分按照所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含加溫回路檢查程序、判斷溫度控制加熱程序、加溫回路故障處理程序、熱敏電阻故障處理程序等。

（一）加溫回路檢查程序設(shè)計(jì)

加溫回路檢查程序流程，如圖4所示，風(fēng)擋玻璃加熱溫控器上電后，首先開通MOS管和繼電器，即開通加溫回路，加溫回路中電流若小于3A，則認(rèn)為加溫回路斷路;若過載保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生下降沿，引起外部中斷，此時(shí)加溫回路電流超過了40A，則認(rèn)為加溫回路過載。然后在開通MOS管關(guān)閉繼電器、關(guān)閉MOS關(guān)開通繼電器和關(guān)閉MOS關(guān)和繼電器三種情況下檢測加溫回路中的電流，若電流大于3A，則認(rèn)為繼電器或MOS管或兩者均短路。如果左（右）路加溫回路出現(xiàn)斷路或過載故障，則要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

（二）熱敏電阻檢查程序設(shè)計(jì)

熱敏電阻檢查程序流程：首先讀取熱敏電阻故障信號(hào)的電壓值，若采集到的熱敏電阻故障信號(hào)電壓高于2.03V，系統(tǒng)認(rèn)為熱敏電阻斷路;若采集到的熱敏電阻故障信號(hào)電壓低于1.37V，系統(tǒng)認(rèn)為熱敏電阻短路。如果左（右）路熱敏電阻出現(xiàn)短路或斷路故障，則判斷右（左）路熱敏電阻是否也發(fā)生短路或者斷路，若右（左）路沒有短路或者斷路，則用該路的溫度代替左（右）路的溫度，同時(shí)點(diǎn)亮左（右）路的故障狀態(tài)指示燈;若兩路熱敏電阻同時(shí)短路或者斷路，則斷開兩路加溫回路，即關(guān)閉MOS關(guān)和繼電器，并點(diǎn)亮左右兩路故障狀態(tài)指示燈。

（三）判斷溫度控制加熱程序設(shè)計(jì)

判斷溫度控制加熱功能程序流程：在左右兩路熱敏電阻不同時(shí)故障，且加溫回路不存在故障的情況下，系統(tǒng)根據(jù)檢測到的溫度值，控制加熱狀態(tài)：當(dāng)玻璃溫度低于20℃±2℃時(shí)即開啟加溫，玻璃溫度加溫到40℃±2℃時(shí)即停止加溫，即關(guān)斷MOS管;若超過60℃，即自動(dòng)保護(hù)切斷電源，即斷開繼電器。若處于加熱狀態(tài)，則點(diǎn)亮加熱狀態(tài)指示燈。

（四）加溫回路故障處理程序設(shè)計(jì)

加溫回路故障處理功能程序流程，如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)檢測到電流之后，首先判斷加溫回路的過載保護(hù)信號(hào)是否產(chǎn)生，若已經(jīng)產(chǎn)生，則說明加溫回路發(fā)生過載故障，系統(tǒng)斷開加溫回路，即關(guān)閉MOS管和繼電器。

若過載保護(hù)信號(hào)沒有產(chǎn)生，則系統(tǒng)判斷加溫回路電流是否小于3A，若電流小于3A且繼電器和MOS管均處開通狀態(tài)，則說明加溫回路發(fā)生斷路故障，系統(tǒng)斷開加溫回路，即關(guān)閉MOS管和繼電器。

若以上故障均不存在，則系統(tǒng)檢測MOS管和繼電器的開關(guān)狀態(tài)和加溫回路的電流，若MOS管和繼電器沒有同時(shí)開通但電流大于3A，則認(rèn)為繼電器或MOS管或兩者均短路，此種情況下系統(tǒng)斷開加溫回路，即關(guān)閉MOS管和繼電器。如果左（右）路加溫回路出現(xiàn)斷路或過載故障，則要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

（五）熱敏電阻故障處理程序設(shè)計(jì)

熱敏電阻故障處理程序：系統(tǒng)按照自檢過程中的步驟檢查左（右）熱敏電阻是否發(fā)生故障。若左（右）路熱敏電阻發(fā)生短路或者斷路，先判斷右（左）路熱敏電阻是否也發(fā)生短路或者斷路，若右（左）路沒有短路或者斷路，則用該路的溫度代替左（右）路的溫度，同時(shí)點(diǎn)亮左（右）路的故障狀態(tài)指示燈。若兩路熱敏電阻同時(shí)短路或者斷路，則斷開兩路加溫回路，即關(guān)閉MOS關(guān)和繼電器，并點(diǎn)亮左右兩路故障狀態(tài)指示燈。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)及功能要求，搭建了控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)測試環(huán)境。將前擋風(fēng)玻璃置于高低溫箱中，利用高低溫箱模擬系統(tǒng)使用環(huán)境（溫度區(qū)間為-45～20℃），在玻璃表面均勻設(shè)置9個(gè)測溫點(diǎn)，利用熱電偶實(shí)時(shí)采集玻璃表面溫度。玻璃表面溫度隨時(shí)間變化趨勢（使用環(huán)境為-20℃），如圖6所示。

試驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)能夠滿足使用要求。在環(huán)境溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，控制系統(tǒng)能夠有效地控制電加溫功能，當(dāng)表面溫度低于20℃±2℃時(shí)電加溫功能起動(dòng)，當(dāng)表面溫度高于40℃±2℃時(shí)電加溫功能停止，使得玻璃表面溫度基本穩(wěn)定在18～40℃，并且表面未出現(xiàn)冰霜現(xiàn)象。

五、結(jié)論

根據(jù)某重型高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛的需求，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于該型車輛的前擋風(fēng)玻璃電加溫控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PT1000熱敏電阻為溫度傳感器，將電阻絲作為加熱元件，能夠?qū)崟r(shí)的檢測擋風(fēng)玻璃的溫度，并根據(jù)溫度控制加溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛擋風(fēng)玻璃的除霜除冰等功能，保障駕駛員的視線不受干擾。經(jīng)試驗(yàn)測試該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好、使用方便，能夠較好的實(shí)現(xiàn)前擋風(fēng)玻璃的除霜除冰功能。

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Design and Application of Electric Heating Control System for Vehicle Windshield

LIU Xu1， WU Da-yong2

（1. Tianjin Polytechnic College， Tianjin 300400， China; 2. Patent Examination Cooperation （Tianjin） Center of the Patent Office， CNIPA， Tianjin 300000， China）

Abstract： When vehicles are driven in low temperature， due to the temperature difference between the inside and outside of the cab， the windshield is prone to fog or even freeze， which will affect the driver's sight. Therefore， electric heating system in the vehicle windshield has become an indispensable part of modern military vehicles. Based on the requirements of a heavy-duty， high-mobility tactical vehicle of a company， the paper has designed an electric heating control system for front windshield. The control system can be used in conjunction with the electric heating of the front windshield to ensure that the temperature of the front windshield is kept within the specified range to provide anti-icing and de-icing functions for the vehicle.

Key words： Windshield; Electric Heating; Controller

編輯 鄭晶