基于DSP的應(yīng)急電源智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(fù)雜等問題。因此設(shè)計(jì)了一種智能溫控系統(tǒng)，選用USART-HMI觸摸屏作為主機(jī)，以DSP F28035控制器作為從機(jī)，以NTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集，并在USART-HMI觸摸屏上實(shí)時(shí)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(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行設(shè)定。結(jié)果表明，USART-HMI觸摸屏能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，NTC精度可達(dá)±0.1 ℃，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有很好的可推廣性。

關(guān)鍵詞：USART-HMI；NTC熱敏電阻；DSP F28035；RS485

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）20-0038-04

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

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平提高，人們對(duì)于恒溫控制系統(tǒng)的要求越來越高，尤其是在機(jī)車應(yīng)急電源領(lǐng)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(diǎn)[1]，已成為主流的電池類型。然而，磷酸鐵鋰電池對(duì)溫度較為敏感，溫度過高或過低都會(huì)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(jī)車應(yīng)急電源的安全可靠運(yùn)行，需對(duì)其工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)將USART-HMI觸摸屏應(yīng)用于智能溫度控制系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)界面化、人性化，滿足人們對(duì)于溫度控制的高要求[2]。串口屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)基于上位機(jī)軟件USART HMI完成，該上位機(jī)軟件操作方便，功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)，上位機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的級(jí)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(kuò)展能力和遠(yuǎn)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(yù)留了外部接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)與指令遠(yuǎn)程下發(fā)控制，同時(shí)采用4G通信模塊轉(zhuǎn)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(wù)器端。系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的可擴(kuò)展性，以便根據(jù)需要增加必要的功能[5]。控制器具有良好的人機(jī)交互功能及初步智能化特征[6]，可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳送，以便在遠(yuǎn)處進(jìn)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(jī)）、DSP F28035控制器、電源轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)時(shí)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(hào)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行相應(yīng)命令。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(hào)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(hào)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(hào)送入單片機(jī)中。當(dāng)MAX485芯片處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，默認(rèn)為接收模式；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過激活使能引腳并上拉信號(hào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)形式輸出。通過不同參數(shù)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能[7]。該電路采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，支持多設(shè)備通信，并具備強(qiáng)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(jìn)一步減少了干擾，提升了通信的可靠性，適合多設(shè)備間通信應(yīng)用。

2.2 NTC溫度采樣電路

溫度的準(zhǔn)確采集非常重要，因此本系統(tǒng)采用NTC熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。通過優(yōu)化采樣電路的硬件設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行AD采樣。OPA2189芯片的7引腳將NTC熱敏電阻采集的電壓信號(hào)進(jìn)行1：1的同向比例放大，放大后的信號(hào)通過adcA4采樣通道送入單片機(jī)中，通過計(jì)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(guān)系：

RT=R0exp

-

（1）

式中：RT、R0分別為溫度T和T0時(shí)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(shí)的溫度，即273.15 K。

根據(jù)歐姆定律計(jì)算NTC的阻值，再通過查表得到相應(yīng)的溫度值，本電路選擇阻值為10 kΩ的NTC熱敏電阻，對(duì)應(yīng)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(hào)來操控高電壓器件的通斷。用光耦作為繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)開關(guān)，通過LED在光耦內(nèi)部點(diǎn)亮或熄滅來控制繼電器線圈的通斷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)或加熱器的開關(guān)控制，并通過電氣隔離和續(xù)流二極管保護(hù)電路。如圖4所示，控制器通過GP30引腳輸出高電平信號(hào)，點(diǎn)亮光耦的LED，使光敏三極管導(dǎo)通，從而激活繼電器K1的線圈，控制風(fēng)機(jī)或加熱器的開關(guān)。光耦還提供電氣隔離，防止輸出側(cè)的沖擊影響主電路。為保護(hù)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(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

2.4 智能觸摸屏設(shè)計(jì)

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(jìn)行通信，其內(nèi)部功能十分強(qiáng)大，并配備了多種控件，包括按鈕控件、實(shí)時(shí)時(shí)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(duì)用戶界面的布局和大部分邏輯進(jìn)行配置。利用USART-HMI觸摸屏，可以快速、輕松地實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的人機(jī)交互顯示需求。USART-HMI串口屏還有休眠功能，可以進(jìn)入待機(jī)模式以降低系統(tǒng)的總能耗[9]；同時(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，這種做法實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

3.1 USART-HMI觸摸屏程序設(shè)計(jì)

USART-HMI觸摸屏主要用于配置系統(tǒng)參數(shù)和展示實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于其內(nèi)置了微型處理器，本設(shè)計(jì)僅需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。當(dāng)USART-HMI觸摸屏接通電源時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自行初始化，讀取預(yù)設(shè)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(shí)時(shí)更新顯示內(nèi)容；當(dāng)用戶在觸摸屏上操作按鍵時(shí)，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(shè)計(jì)

系統(tǒng)通電后，會(huì)完成系統(tǒng)初始化，再根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)定完成默認(rèn)狀態(tài)初始化設(shè)置；然后對(duì)主控制器AD采樣采集回的溫度值數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，并判斷處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值大小，發(fā)送相應(yīng)的控制指令；同時(shí)，將處理結(jié)果發(fā)送到觸摸屏上進(jìn)行顯示，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸摸屏設(shè)置、控制指令和遠(yuǎn)程控制指令。系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

按照系統(tǒng)硬件電路搭建試驗(yàn)裝置，如圖7、圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)板接通電源時(shí)，綠色的LED燈點(diǎn)亮，這表明系統(tǒng)電源供應(yīng)處于正常狀態(tài)，如圖7（a）所示。在USART-HMI觸摸屏上，目標(biāo)溫度被設(shè)定為25 ℃，當(dāng)前環(huán)境溫度被檢測(cè)為25 ℃，則綠色指示燈亮起，這表明系統(tǒng)正在正常運(yùn)行模式下工作，如圖7（b）、圖8（a）所示。通過USART-HMI觸摸屏設(shè)置按鈕將目標(biāo)溫度設(shè)置為25 ℃，讀取此時(shí)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(biāo)溫度被設(shè)定為25 ℃，當(dāng)前環(huán)境溫度被檢測(cè)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(fēng)機(jī)工作模式，如圖7（d）、圖8（c）所示。當(dāng)溫度降至設(shè)定值時(shí)，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(shè)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

針對(duì)智能溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需要，從系統(tǒng)硬件電路測(cè)試和軟件方面設(shè)計(jì)了基于USART-HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，基于USART-HMI觸摸屏的智能溫度控制系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 ℃。因此，該系統(tǒng)有效解決了磷酸鐵鋰電池對(duì)溫度敏感的問題，保證了機(jī)車應(yīng)急電源的安全可靠運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度測(cè)控系統(tǒng)將會(huì)朝著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展，相信隨著溫度測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，其在機(jī)車應(yīng)急電源以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更多便利。

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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。