基于STM32 的車載設備寬溫控制方法研究

張玉石，孫佳隆，朱波

（青島杰瑞工控技術有限公司，山東青島，266061）

0 引言

國內高鐵列車飛速發展，截止2020 年末，高速鐵路網絡已經突破3.79 萬公里[1]。北起佳木斯南至海南島均已實現高鐵覆蓋。不僅空間跨度大，溫度跨度同樣很大。據相關報道，國內最北端到最南端的最大溫度差接近40 攝氏度[2]。由于過大的環境溫度差會導致車載電子元器件性能降低甚至損壞。而且，高鐵作為中國的一張科技名片正在加速走向世界。高鐵動車作為智能高速運載工具，裝備有近2000 個智能傳感器。為了提高檢測結果的準確性和可靠性，部分智能檢測設備被安裝布置于車廂外側，尤其是高鐵中的近場車載智能檢測單元。此類精密智能電子檢測設備對工作環境溫度要求嚴苛，卻又無溫度調節保護。因此，高鐵如果要在世界各地安全、可靠的運行，首先需要克服的就是環境溫度問題。

目前，高鐵列車內的核心電子器件是通過車載空調系統進行溫度調節[3]。但是在車輛啟動的很長一段時間內，車輛無法正常運行，必須待室內溫度及電氣件溫度升高到許用溫度后才能允許車輛開動。而車廂外的精密智能檢測單元則需要外圍保障設備對環境溫度進行補償。傳統的方法是將待啟動車輛拖拽至恒溫室，待車輛整體的溫度升高至許用溫度范圍內時，才允許啟動機車。當前溫控方法具有操作難度大、維護設備復雜、能量浪費嚴重、施工難度高的特點，并且無法形成模塊化、產品化的功能系統。更為重要的是，以維護基地或服務站的方式嚴重增大了維護負擔，而且限制了車輛的開動效率。因此，研究高鐵列車的寬溫控制技術，并形成一種可車載的寬溫控制方法非常必要，而且對于節約能源、高鐵列車運行的安全性及可靠性的提高、高鐵開動效率的提高具有重要意義。

1 寬溫控制架構

寬溫控制方法是以STM32 單片機為控制中心，溫度檢測傳感器為檢測單元，風扇及加熱器為執行單元的車載設備寬溫控制系統。控制原理為通過溫度檢測手段，以加熱器及風扇為執行單元，進而將車載設備的運行溫度控制在許用溫度范圍內。

從圖1 中可以看出STM32 為控制及信息采集中心，主要完成溫度的檢測、加熱器及車載風扇的運行控制。在具體運行過程中，STM32 控制器首先檢測環境溫度。當檢測溫度低于最低允許運行值時，加熱器開啟并進行溫度實時檢測。當溫度到達允許開機溫度時，車載控制單元開機運行。當車載控制單元的運行溫度達到最佳運行溫度值時，將停止加熱。反之，當運行溫度高于許用溫度時，車載風扇將會打開，進而執行降溫控制流程，直至溫度回歸許用溫度值。

圖1 寬溫控制架構圖

2 寬溫控制方法

寬溫控制方法為主動溫度控制方法，通過對運行環境溫度的檢測及調節，目的是為車載精密智能電子檢測單元的可靠運行提供溫度保障。寬溫控制方法主要包括：溫度檢測單元、升溫單元、降溫單元。

■2.1 溫度檢測單元

溫度檢測單元為系統的智能感知單元，通過傳感器檢測環境溫度，進而為溫度控制提供決策依據。溫度檢測傳感器采用數字溫度傳感器DS18B20。其數據的讀取只需要一根串口線。物理接口為RS232，由于STM32 板載了2 個RS232 通信接口，因此可方便的與數字溫度傳感器進行溫度讀取。

在程序設計時，只需要初始化STM32 的串口通信，實時讀取串口數據并處理后得到環境溫度數據，即可實現智能溫度檢測。

圖2 寬溫控制電路

■2.2 升溫單元

升溫單元主要由加熱器及控制單元組成。同時，加熱器為車載寬溫控制器的末端執行器之一。當溫度傳感器檢測到環境溫度低于車載精密智能電子檢測單元的許用開機溫度時，將不為車載單元供電而是先打開加熱器，將環境溫度升至車載單元的最佳工作溫度。然后接通車載單元電源并實現開機。由于STM32 引腳輸出為3.3V,無法直接驅動加熱器，因此，可加裝固態繼電器。STM32 輸出引腳控制固態繼電器吸合，進而為加熱器接通電源，實現加熱。當溫度達到最佳工作溫度時，STM32 控制固態繼電器斷開，將停止加熱。

在程序設計時，只需要初始化引腳為下拉輸出，通過位操作控制引腳為“0”或“1”，即控制引腳為低電平或高電平，進而控制加熱器的接通和斷開。

■2.3 降溫單元

降溫單元主要由車載風扇及控制單元組成。同時，車載風扇為車載寬溫控制器的末端執行器之一。當溫度傳感器檢測到環境溫度高于車載精密智能電子檢測單元的最佳工作溫度時，將接通車載風扇，實現散熱。同理，由于STM32 引腳輸出為3.3V,無法直接驅動車載風扇散熱，因此，可加裝固態繼電器。STM32 輸出引腳控制固態繼電器吸合，進而為車載風扇接通電源，實現散熱。當溫度達到最佳工作溫度時，STM32 引腳輸出為0V，控制固態繼電器斷開，將停止散熱。

在程序設計時，只需要初始化引腳為下拉輸出，通過位操作控制引腳為“0”或“1”，即可控制引腳為低電平或高電平。進而控制車載風扇的接通和斷開。

■2.4 操作站

操作站為人機交互中心，可通過觸摸屏控制設備的啟動、停止、故障查看等。操作站與STM32 之間通過總線通信，可將控制命令實時發送至STM32。同時觸摸屏可將系統數據進行顯示并形成數據報表，方便操作及監控查詢。

車載操作站采用80 并口通信協議與STM32 進行控制信號交互。采用并口通信方式，數據在同一時間既可以上傳也可以下達，因此大大提高了通信的控制速率。其中，加熱器及風冷控制采用BOOL 量進行通信，溫度值采用WORD類型。通信數據存儲于通信數據緩存器，可通過程序將數據進行存儲并形成報表。進而為設備的智能控制決策提供依據。

圖3 車載設備溫度控制系統操作站界面

點擊加熱控制可手動打開加熱器，此時操作狀態欄顯示正在加熱，并且溫度儀表數值開始上升。再次點擊加熱控制可手動關閉加熱器，此時操作狀態欄顯示已停止加熱，并且溫度儀表數值穩定。點擊風冷控制可手動打開車載風扇，此時操作狀態欄顯示正在冷卻，并且溫度儀表數值下降。再次點擊風冷控制可手動關閉車載風扇，此時操作狀態欄顯示已關閉冷卻，并且溫度儀表數值穩定。當環境溫度在許用溫度范圍內時，頂部狀態開關將亮綠燈，此時可接通車載控制單元開機。當有錯誤發生時，頂部報警燈將亮起，提示檢查操作并更改。

3 總結

車載設備寬溫控制方法是高鐵動車車載設備的一種有效環境溫度控制方法。可有效保障高鐵列車核心設備在寬溫條件下的穩定、安全運行。本研究提出：通過以數字溫度傳感器DS18B20 為溫度檢測方法，實現環境溫度的實時監測；通過以加熱器作為升溫方法，實現低溫運行條件下的溫度提升，進而保障車載設備在低溫條件下的穩定可靠運行；通過以車載風扇為降溫單元，實現高溫運行條件下的溫度降低，進而保障了車載設備在高溫條件下的可靠運行。需要指出的是，本研究為高鐵列車車載精密智能電子檢測單元的溫度控制提供一種方法，并且在其他溫度控制領域同樣具有指導意義。