一种电力巡视车恒温智能座垫的设计

郭文峰，唐 明

（长园共创电力安全技术股份有限公司，广东珠海 519000）

0 前言

目前国内电力巡视车座垫调温型的大多是功能单一的，采用加热丝加热及单片机控制，驾驶员根据需要由开关设定加热的温度档位，单片机对外部感温信号经过处理后产生不同的控制输出，达到设置不同加热温度的功能[1]。这种座垫存在既不安全也不利于在夏天调温的缺点。

温差半导体热电制冷会产生珀尔帖效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定[2]。本文就是利用这个效应，采用单片机智能控制，通过汽车的点烟头取蓄电池的电源，根据座垫温度传感器的数据进行运算判断进而控制，达到恒温的目的。

1 总体设计方案

1.1 设计思想

（1）高安全性设计

本论文所述的产品是用于电力巡视车，这是载人高速行驶交通工具，安全是首位的，所以附件的使用不能影响载体的安全，供电的蓄电池在低于10.5 V和高于16 V时就必须进行保护，否则有可能影响汽车的启动和车载电子设备的使用，加热部件的过热和过流保护也是必须的。

（2）高可靠性设计

汽车供电常有浪涌电压冲击，温差半导体工作时热端温度短时间的迅速上升易产生火灾，循环中缺少液体损坏元器件，芯片的掉电记忆等缺陷防范在设计中都应加以考虑。

（3）高性价比设计

本设计中不能盲目追求精度高、价格高的元器件和复杂的设计方案，带来成本上升，而采用的性价比合适的单片机STC12C2052AD及相应的外围电路则在设计中既满足使用寿命和功能的要求，又有方案简单、容易实施的优点，从而可获得最好的经济效益。

1.2 工作原理

恒温循环原理：如图1整体布局结构图，由座垫、水泵、散热器、水箱、风扇、控制板等组成，虚线框内为散热系统。

座垫内布置充满导热液的铜管，铜管一端伸出并夹于铝块中，其上附着两块温差半导体进行一面制冷或加热，并传导到铝块上进行恒温的能量转换，而其另一面的转换能量则通过一套液冷循环系统向外散发，即导热液流到散热块，利用风扇向外强制对流，常温后导热液流回到水箱，水泵则作为驱动力，将导热液泵回半导体，实现整体循环[3]。

电气控制原理见图2，贴在座垫的温湿度传感器感受人体的温度及湿度传给单片机，同时贴在半导体的过热温度保护传感器将散热面温度情况和水箱的干簧管检测水位情况传给单片机，单片机根据设定的要求判断并将温湿度或故障点显示在液晶上，危险情况则通过蜂鸣器报警，如正常就驱动继电器吸合，半导体、风扇和水泵工作。

图2 系统功能流程图

2 单片机及外围电路设计

2.1 主控制系统电路设计

（1）单片机选型

目前市面上有很多芯片，高低档次不同，公司都各有不同，现国际品牌有INTEL、ATMEL、PHILIPS等，价格偏低有华邦，宏晶等厂家。这款恒温座垫是属于大众消费类的产品，定位偏低，有模拟量输入，最好集成A/D转换，运行速度在20 MHz以下，功耗要低，方便操作的在线的ISP等。经综合考虑，确定采用芯片STC12C2052AD，价格和技术支持上特别有优势。

（2）单片机特点

采用的宏晶科技芯片STC12C2052AD具有主要优点是：1个时钟周期只有1/12μs，速度快；5.5 V～3.5 V宽电压；8位ADC，可省去中间的模数转换芯片；ISP在线可编程，试验阶段调整比较方便等。

（3）单片机应用

STC12C2052AD的引脚布置说明见图3。

管脚1：RST复位角，通过C8和R3的R/C复位电路，按下开关SW-1对电容的充放电向RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。将RST复位管脚至于高电平，至少保持12μs左右，单片机会进入复位状态，将RST复位管脚拉低电平后，单片机结束复位状态并从程序区的起始点（即0000H)开始工作。

管脚2：P3.0接入三极管Q1的基极，控制其导通，进而控制CON1、CON2、CON3、CON4散热块风扇、水泵及半导体。

管脚3：P3.1接入三极管Q2的基极，控制其导通，进而控制CON1、CON2、CON3、CON4散热块风扇、水泵及半导体。

管脚4管脚5：如图3为通用晶振电路的接法，均为内部反相放大器的输出端。选取11.059 2 MHz晶振和22 pF电容组成一个外部振荡。

管脚6：做外部中断0，采用低电平中断，接入水位开关，作为外部中断源。

管脚7：P3.3，暂时空置。

管脚8：P3.4接三极管Q3基极，控制蜂鸣器，发光二极管导通。

图3 座垫电路原理图

管脚9：P3.5接三极管Q4基极，进而控制CON5座垫的风扇。

管脚10：Gnd电源负极接地。

管脚11：P3.7，暂时空置。

管脚12：P1.0（ADC0），按键3、按键4的输入口，同时进行AD转换，根据阻值判断具体按键信号。

管脚13：P1.1（ADC1），接入电压检测点信号，判断是否超过范围。

管脚14：P1.2接LCD的数据输入脚。

管脚15：P1.3接LCD的同步数据输入脚。

管脚16：P1.4接LCD的数据、信号控制脚。

管脚17：P1.5接LCD的芯片选择脚。

管脚18：P1.5接LCD控制驱动电源复位脚。

管脚19：P1.5接温湿度传感器的数据传输。

管脚20：电源正极，接入5 V。按按键SW-2连接电源启动电路。

2.2 制冷加热切换电路设计

选取两片12706半导体片，最大电流达6 A/片，最大温差67℃，最大制冷量51.4 W/片，可满足设计要求，在电路中并联连接。汽车车载的点烟头类型有12 V/24 V，全部转为12 V供电，单片机在P3.0处，输出高电平，三极管Q2导通，继电器JDQ1吸合，半导体制冷；单片机在P3.1处，输出高电平，三极管Q3导通，继电器JDQ2吸合，半导体制热。直流风扇和水泵电机则是通过半波整流，始终保证电流方向不变。

湿度传感器则选取相对湿度合适值，超出范围后，则由单片机在P3.5输出高电平，三极管Q4导通，继电器JDQ3吸合，驱动驱动座垫下风扇运行。

2.3 供电电路和电压检测电路设计

（1）供电电路

Vin和GNDin接入电源DC12V，为防止浪涌电压的冲击，并联了TVS管，将贴附在半导体侧的过热保险管串联，防止热面异常，造成产品燃烧。当工作温度超过60°，切断整个电路。电源模块则采用宽电压1.2～37 V的LM2596-5.0降压型电源管理芯片，能够输出3 A的驱动电流，提供5 V电源，供单片机等供电，7130输出3.3 V升压13 V后给LCD供电[4]。

（2）电压检测电路

在A点采样输入电压，经过R2、R3分压以及比较器，输入单片机P1.0这是一个带AD转换口，经单片机计算，如果输入点小于10.5 V，大于16 V切断温差半导体供电，以保护蓄电池以免耗电过度影响汽车启动和器件的寿命。

2.4 温湿度检测和水位检测系统设计

（1）温湿度检测

本论文采用的是一款经过校准的数字信号输出的温湿度复合传感器，具有较好的可靠性和稳定性含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，测温范围20%～90%RH，0～50℃，测湿精度±5%RH，测温精度±2℃，1脚5 V供电，2脚将测试数据传送到单片机P1.7，经内部AD转化数字化分析，控制风扇和温差半导体的动作。

（2）水位检测

检测方法是在水箱内，将磁钢预埋在浮子里，中空穿一根有干簧管的塑料杆，当发生散热的水量不够时，浮子下沉触发干簧管断开，产生一个紧急情况，温差半导体工作停止，当水箱的水位足够时，浮子上升，干簧管吸合，温差半导体恢复工作，水位点接入是P3.2外部中端口INT0，低电平启动中断程序。

2.5 显示报警和按键系统设计

（1）紧急报警

蜂鸣器报警电路，故障或紧急提示报警时P3.4高电平驱动Q4，则蜂鸣器发出报警声，同时发光二极管D4提示。

（2）按键电路

按键电路利用STC12C2052AD单片机的模数转换功能，将2个加减按键按阻值的不同产生分压变化传给P1.1的ADC1脚，可判断按键的不同。

（3）液晶显示驱动

产品显示采用UG-6028GDEAF01彩色OLED液晶，不需用到背光板，同时视角比较广，反应速度快，用简单驱动电路即可达到发光，亮度高，色彩丰富，分辨率高。要求的驱动电压低、低能耗。供电电压有3.3 V和13 V，本电路采用GC-MP1541的升压芯片提供13 V供电，芯片则通过P1.2～P1.6五个脚分别控制数据输入，同步时钟输入，数据/指令控制，芯片选择、控制和驱动电源复位。显屏内容为实时/设定温、湿度，制冷加热状态，故障代码等。

3 软件系统设计

3.1 主控制程序流程图介绍

主程序流程图见图4，主程序是整个座垫控制系统软件的主要脉络，通过主程序形成一根主线，可有机地调用系统中各类子程序及模块，使它们形成一个相互配合和协同动作的整体，可以有条理地完成各项编制的操作指令。本系统上电/复位后，系统开始初始化并扫描，不正常则操作锁定，恢复后重新进入初始化；正常则分别进入温湿度设定及读取；如湿度大于65%RH则座垫下风机运行，否则停止；感受座垫处温度如果大于26℃，半导体制冷，水泵、风机运行；如果不是，判断是否小于18℃，半导体制热，水泵、风机运行。符合条件后，均转为结束，然后又从初始化开始。

3.2 典型程序的处理

STC12C2052AD单片机提供了9个外部中断请求源，分别是外部中断0(INT0)定时器0中断、外部中断（INT1）、定时器1中断、串口（UART）、A/D转换中断和SPI中断、PCA模块中断和低压检测（LVD）中断。所有的中断都有4个中断优先级[6]。而其中外部中断0是最高级，其他次之，有下降沿和低电压两种触发方式，P3.2接入的是水位传感器的信号，采用低电平触发方式。

水位中断程序如下：

图4 主程序流程图

4 调试

4.1 软硬件的准备

（1）硬件准备

①焊接，先将元器件按功能的要求及原理图及布板的标识一一焊接，并检测电路存在虚焊和短路情况；②检查，用万用表和示波器检测电路各端口电压及波形并与预算值比较并分析。

（2）软件准备

汇编的源程序编好后使用KeilC51软件来调试。

①建立工程文件：由于STC系列单片机是新发展的芯片，在Keil设备库中没有，可选已有的一家52系列单片机用汇编对STC12C2052AD新增特殊功能寄存器进行定义再添加到设备库中，生成扩展名为.asm汇编文件；②调试程序，利用Target 1添加.asm文件进行编译，再用Debug运行，检查程序运行结果；③程序加载使用“Out⁃put”中单击“Create HEX File”选项，使程序编译后产生HEX代码，通过STC-ISP下载编译工具，把程序下载到STC12C2052AD单片机中。

4.2 测试平台搭建

为了配合产品的试验，需要准备一个环境试验室，温度在-10℃～50℃可调，相对湿度90%RH可调，可调稳压电源DC0～36 V，30 A以上，温度测试仪，湿度测试仪，万用表，电烙铁等仪器及工具。连接线，铝箔纸等辅助材料。

（1）测试点：将Vin和GNDin分别连接温压电源的正负端，温度探头分别贴于座垫导热板，水箱内，两个半导体的热面端，散热块及环境点。湿度传感器探测点则分别置在座垫内和搭建的环境中。

（2）测试内容：①正常功能测试，通过正常的开关机通电，按键设置，是否符合显示要求，制冷，制热工作是否正常等；②异常功能测试，通过设置电压点，DC9.5 V和DC16.5 V，电路能否进行保护，蜂鸣器报警，LCD故障显示是否正常，半导体热面高温是否系统报警，水箱缺水是否报警等；③环境工作，设置三个环境温度点-5℃，25℃，40℃；环境湿度点40%RH，70%RH系统是否工作正常，包括风扇，半导体以及温湿度的工作曲线及效率等。

5 结束语

通过对智能座垫的构思和实现可以感受到，很多设计灵感都来源于工作和生活，通过解决自己周边遇到的问题，使之更加顺畅、便捷和舒适，这样的产品才有生命力，而如果想保持长久，则需要不断赋予新的内涵。在智能座垫上也可以发现还有很多发展空间，如新的功能完善，增加按摩、防撞防护、GPS定位等；操作便捷完善，增加遥控启动和备用电池；以及增加座垫自身的舒适度[7]等，这些都将为产品不断增加市场新卖点，推出一代代新品指明了方向。

［1］苏景芳.半导体制冷及温差发电器件的计算机辅助设计［D］.武汉：华中科技大学，2004.

［2］张丹.基于PIC单片机的汽车座椅加热系统［D］.吉林：吉林大学，2009.

［3］缪亚芹.半导体调温座椅用于电动汽车的可行性分析［J］.南京工业职业技术学院学报，2013，13（4）：16-18.

［4］林建春.单片机控制的冷暖坐垫［J］.电子科技，2011，24（10）：61-62.

［5］王晓玲.远程智能家电控制系统的研究［D］.天津：河北工业大学，2007.

［6］高锋.单片机微型计算机原理与接口技术：第三版［M］.北京：科技出版社，2013.

［7］严龙.基于单片机的多用途舒适坐垫的模拟设计［J］.科技信息，2012（27）：23-24.