基于DSP的應急電源智能溫度控制系統(tǒng)設計

摘要：隨著目前智能控制系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出精確度不足、穩(wěn)定性差、傳統(tǒng)顯示屏開發(fā)難、編程更復雜等問題。因此設計了一種智能溫控系統(tǒng)，選用USART-HMI觸摸屏作為主機，以DSP F28035控制器作為從機，以NTC熱敏電阻實現(xiàn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集，并在USART-HMI觸摸屏上實時顯示采集的溫度。USART-HMI觸摸屏與DSP F28035控制器之間使用RS485通信，用戶可通過USART-HMI觸摸屏對目標溫度進行設定。結果表明，USART-HMI觸摸屏能實時監(jiān)測并顯示當前環(huán)境溫度，NTC精度可達±0.1 ℃，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有很好的可推廣性。

關鍵詞：USART-HMI；NTC熱敏電阻；DSP F28035；RS485

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0038-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.008

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，尤其是在機車應急電源領域。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]，已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XKqVFFWpbKy+8ujPSHOZHw==至引發(fā)安全隱患。因此，為保證機車應急電源的安全可靠運行，需對其工作溫度進行實時監(jiān)測和控制。本設計將USART-HMI觸摸屏應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]。串口屏人機界面的設計基于上位機軟件USART HMI完成，該上位機軟件操作方便，功能強大，擴展性強，上位機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、靈活的擴展能力和遠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)預留了外部接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)測與指令遠程下發(fā)控制，同時采用4G通信模塊轉發(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)送到云端服務器端。系統(tǒng)應該具有一定的可擴展性，以便根據(jù)需要增加必要的功能[5]?？刂破骶哂辛己玫娜藱C交互功能及初步智能化特征[6]，可以實現(xiàn)串口設備數(shù)據(jù)的無線遠距離傳送，以便在遠處進行數(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）、DSP F28035控制器、電源轉換電路、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)行相應命令。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

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，將信號送入單片機中。當MAX485芯片處于靜止狀態(tài)時，默認為接收模式；發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機會通過激活使能引腳并上拉信號，將數(shù)據(jù)轉換為差分信號形式輸出。通過不同參數(shù)的設置能夠實現(xiàn)不同的功能[7]。該電路采用RS485通信標準，支持多設備通信，并具備強大的抗電磁干擾能力，可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。ADUM1201作為電氣隔離器進一步減少了干擾，提升了通信的可靠性，適合多設備間通信應用。

2.2 NTC溫度采樣電路

溫度的準確采集非常重要，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，以便單片機進行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系：

RT=R0exp

-

（1）

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的溫度值，本電路選擇阻值為10 kΩ的NTC熱敏電阻，對應的溫度為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動開關，通過LED在光耦內部點亮或熄滅來控制繼電器線圈的通斷，實現(xiàn)風機或加熱器的開關控制，并通過電氣隔離和續(xù)流二極管保護電路。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，使光敏三極管導通，從而激活繼電器K1的線圈，控制風機或加熱器的開關。光耦還提供電氣隔離，防止輸出側的沖擊影響主電路。為保護電路，繼電器K1線圈的續(xù)流二極管D1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行通信，其內部功能十分強大，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行配置。利用USART-HMI觸摸屏，可以快速、輕松地實現(xiàn)在不同應用場景中的人機交互顯示需求。USART-HMI串口屏還有休眠功能，可以進入待機模式以降低系統(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)軟件設計

3.1 USART-HMI觸摸屏程序設計

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)。由于其內置了微型處理器，本設計僅需實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。當USART-HMI觸摸屏接通電源時，系統(tǒng)會自行初始化，讀取預設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)，以實時更新顯示內容；當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)功能設定完成默認狀態(tài)初始化設置；然后對主控制器AD采樣采集回的溫度值數(shù)據(jù)進行轉換和處理，并判斷處理后的數(shù)據(jù)與設定閾值大小，發(fā)送相應的控制指令；同時，將處理結果發(fā)送到觸摸屏上進行顯示，并實時監(jiān)測觸摸屏設置、控制指令和遠程控制指令。系統(tǒng)主控程序設計流程如圖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)電源供應處于正常狀態(tài)，如圖7（a）所示。在USART-HMI觸摸屏上，目標溫度被設定為25 ℃，當前環(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觸摸屏設置按鈕將目標溫度設置為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，目標溫度被設定為25 ℃，當前環(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)開啟風機工作模式，如圖7（d）、圖8（c）所示。當溫度降至設定值時，紅色指示燈熄滅。這樣的循環(huán)保證了系統(tǒng)溫度始終在設定范圍內。

5 結論

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計了基于USART-HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng)，并進行了實驗驗證。實驗測試結果表明，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，保證了機車應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)絡化、遠程化的方向發(fā)展，相信隨著溫度測控技術的不斷發(fā)展，其在機車應急電源以及其他領域的應用將會更加廣泛，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更多便利。

[參考文獻]

[1] 林鶴，馬亮，王全恒，等.磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢及其性能對比分析[J].專用汽車，2024（5）：92-94.

[2] 李梁京，張雪芹，劉華波.基于USART-HMI智能串口屏的節(jié)能恒溫控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2022，44（6）：113-115.

[3] 劉寺杰，徐敏，張晨宇，等.基于HMI智能串口屏顯示的溫濕度測量系統(tǒng)[J].科教導刊（下旬），2018（24）：59-60.

[4] 胡建國，羅勇武.基于RS485的單片機和變頻器通信控制多電機研究[J].機床與液壓，2013，41（22）：139-141.

[5] 朱丹.基于ARM7的GSM/GPS汽車防盜系統(tǒng)的設計[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2013.

[6] 蔡妍娜.基于STM32的熱水器控制器與網(wǎng)絡接口設計[J].微型機與應用，2014，33（2）：50-51.

[7] 方登芳.汽車半軸校直工藝及其設備的研發(fā)[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2019.

[8] 陳先樑，姜釗，張勇.基于負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度采樣精度研究[J].電子測量技術，2022，45（8）：64-69.

[9] 楊阿軍，萬在紅，熊文華，等.基于USART-HMI液晶觸摸屏的智能消毒柜設計[J].無線互聯(lián)科技，2019，16（19）：74-76.

收稿日期：2024-06-04

作者簡介：楊輝煌（1999—），男，重慶豐都人，碩士研究生，研究方向：控制工程與控制理論。