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基于DSP的应急电源智能温度控制系统设计

2024-10-25杨辉煌张全柱张腾召张缘健张怡晗

机电信息 2024年20期

摘要:随着目前智能控制系统的发展,传统温控系统逐渐显现出精确度不足、稳定性差、传统显示屏开发难、编程更复杂等问题。因此设计了一种智能温控系统,选用USART-HMI触摸屏作为主机,以DSP F28035控制器作为从机,以NTC热敏电阻实现环境温度数据采集,并在USART-HMI触摸屏上实时显示采集的温度。USART-HMI触摸屏与DSP F28035控制器之间使用RS485通信,用户可通过USART-HMI触摸屏对目标温度进行设定。结果表明,USART-HMI触摸屏能实时监测并显示当前环境温度,NTC精度可达±0.1 ℃,系统性能稳定可靠,具有很好的可推广性。

关键词:USART-HMI;NTC热敏电阻;DSP F28035;RS485

中图分类号:TP29 文献标志码:A 文章编号:1671-0797(2024)20-0038-04

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

0 引言

随着社会发展和生活水平提高,人们对于恒温控制系统的要求越来越高,尤其是在机车应急电源领域。磷酸铁锂电池是一种新型高能量密度锂离子电池,具有高安全性、可靠性和耐用性等特点[1],已成为主流的电池类型。然而,磷酸铁锂电池对温度较为敏感,温度过高或过低都会影响其性能和寿命,甚XKqVFFWpbKy+8ujPSHOZHw==至引发安全隐患。因此,为保证机车应急电源的安全可靠运行,需对其工作温度进行实时监测和控制。本设计将USART-HMI触摸屏应用于智能温度控制系统,使得整个系统界面化、人性化,满足人们对于温度控制的高要求[2]。串口屏人机界面的设计基于上位机软件USART HMI完成,该上位机软件操作方便,功能强大,扩展性强,上位机可以同步页面的显示,并且通过代码控制控件可以多元化显示数据[3]。为了实现系统的级联通信,主控制器和USART-HMI触摸屏之间采用RS485通信协议的接线端口[4]。与传统的接口相比,RS485接口以其简易的接线方式、卓越的抗干扰特性、灵活的扩展能力和远距离传输能力而著称,因此它能更有效地迎合系统需求。系统预留了外部接口,实现数据实时采集监测与指令远程下发控制,同时采用4G通信模块转发采集到的数据,4G模块选用4G DTU M751,可以将RS485采集的数据通过3G/4G发送到云端服务器端。系统应该具有一定的可扩展性,以便根据需要增加必要的功能[5]。控制器具有良好的人机交互功能及初步智能化特征[6],可以实现串口设备数据的无线远距离传送,以便在远处进行数据通信的管理。

1 系统组成及工作原理

本系统由六部分组成:USART-HMI触摸屏(上位机)、DSP F28035控制器、电源转换电路、RS485通信电路、NTC热敏电阻传感器采样电路和继电器控制电路。通过USART-HMI触摸屏实现人机交互,实时显示系统工作状态;DSP F28035控制器用于采集环境温度、处理触摸屏下发的命令、控制继电器状态,并按照接收信号优先级执行相应命令。系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计

硬件电路由电源电路,通信、温度采集和继电器电路组成,电源电路采用成熟的模块电源。

2.1 RS485通信电路

RS485通信电路如图2所示,采用了MAX485和ADUM1201芯片,以提高通信的稳定性和可靠性。MAX485芯片的8引脚接电源输入,5引脚接电源地;6引脚和7引脚接差分信号传输引脚。通信接口需外接屏蔽电缆线,并选择合适的匹配电阻以提高信号抗电磁干扰能力。MAX485芯片的1引脚和2引脚与ADUM1201芯片的7引脚和6引脚相连接,将信号送入单片机中。当MAX485芯片处于静止状态时,默认为接收模式;发送数据时,单片机会通过激活使能引脚并上拉信号,将数据转换为差分信号形式输出。通过不同参数的设置能够实现不同的功能[7]。该电路采用RS485通信标准,支持多设备通信,并具备强大的抗电磁干扰能力,可确保数据稳定传输。ADUM1201作为电气隔离器进一步减少了干扰,提升了通信的可靠性,适合多设备间通信应用。

2.2 NTC温度采样电路

温度的准确采集非常重要,因此本系统采用NTC热敏电阻来实现温度测量。通过优化采样电路的硬件设计以及提高采样频率,提高温度采样的精度以及分辨率[8]。图3为温度采集电路,其中OPA2189芯片起到了放大、滤波和稳压的作用。该电路测温范围广,线性度好。由于NTC热敏电阻的工作电流很小,因此需要放大采样信号,以便单片机进行AD采样。OPA2189芯片的7引脚将NTC热敏电阻采集的电压信号进行1:1的同向比例放大,放大后的信号通过adcA4采样通道送入单片机中,通过计算能够确定NTC热敏电阻两端的电压大小。通常用下式表示阻值与温度的关系:

RT=R0exp

-

(1)

式中:RT、R0分别为温度T和T0时的阻值;B为热敏电阻的材料常数,常用NTC型热敏电阻的B在1 500~6 000 kΩ;T0为0 ℃时的温度,即273.15 K。

根据欧姆定律计算NTC的阻值,再通过查表得到相应的温度值,本电路选择阻值为10 kΩ的NTC热敏电阻,对应的温度为25 ℃。

2.3 继电器控制电路

继电器的作用是利用低电压、弱电流的信号来操控高电压器件的通断。用光耦作为继电器线圈的驱动开关,通过LED在光耦内部点亮或熄灭来控制继电器线圈的通断,实现风机或加热器的开关控制,并通过电气隔离和续流二极管保护电路。如图4所示,控制器通过GP30引脚输出高电平信号,点亮光耦的LED,使光敏三极管导通,从而激活继电器K1的线圈,控制风机或加热器的开关。光耦还提供电气隔离,防止输出侧的冲击影响主电路。为保护电路,继电器K1线圈的续流二极管D1需反接,以中和线圈断电时产生的反电动势。

2.4 智能触摸屏设计

USART-HMI触摸屏使用DC24 V供电,该触摸屏通过串行接口与主控制器进行通信,其内部功能十分强大,并配备了多种控件,包括按钮控件、实时时钟控件、图表控件、功能控件和字符控件等。触摸屏制造商提供的图形界面编辑工具用户友好,允许通过图形化操作对用户界面的布局和大部分逻辑进行配置。利用USART-HMI触摸屏,可以快速、轻松地实现在不同应用场景中的人机交互显示需求。USART-HMI串口屏还有休眠功能,可以进入待机模式以降低系统的总能耗[9];同时,其编程过程既简单又高效。USART-HMI触摸屏采用串口中断方式来进行数据的接收和发送,这种做法实时性高,避免了在界面刷新过程中可能出现的数据丢失问题。

3 系统软件设计

3.1 USART-HMI触摸屏程序设计

USART-HMI触摸屏主要用于配置系统参数和展示实时状态数据。由于其内置了微型处理器,本设计仅需实现数据交换功能。当USART-HMI触摸屏接通电源时,系统会自行初始化,读取预设的全局变量以完成状态配置;随后,它将持续监控来自主控制器的数据,以实时更新显示内容;当用户在触摸屏上操作按键时,触摸屏将通过串口将变更后的变量值传送至主控制器,从而完成数据交换,并同步更新页面状态显示。触摸屏程序流程图如图5所示。

3.2 主控程序设计

系统通电后,会完成系统初始化,再根据系统功能设定完成默认状态初始化设置;然后对主控制器AD采样采集回的温度值数据进行转换和处理,并判断处理后的数据与设定阈值大小,发送相应的控制指令;同时,将处理结果发送到触摸屏上进行显示,并实时监测触摸屏设置、控制指令和远程控制指令。系统主控程序设计流程如图6所示。

4 系统测试

按照系统硬件电路搭建试验装置,如图7、图8所示。当系统板接通电源时,绿色的LED灯点亮,这表明系统电源供应处于正常状态,如图7(a)所示。在USART-HMI触摸屏上,目标温度被设定为25 ℃,当前环境温度被检测为25 ℃,则绿色指示灯亮起,这表明系统正在正常运行模式下工作,如图7(b)、图8(a)所示。通过USART-HMI触摸屏设置按钮将目标温度设置为25 ℃,读取此时环境温度为23.1 ℃,则黄色指示灯闪烁,表示系统开启加热器工作模式,如图7(c)、图8(b)所示。在USART-HMI触摸屏上,目标温度被设定为25 ℃,当前环境温度被检测为30.2 ℃,黄色指示灯熄灭,红色指示灯闪烁,表示系统开启风机工作模式,如图7(d)、图8(c)所示。当温度降至设定值时,红色指示灯熄灭。这样的循环保证了系统温度始终在设定范围内。

5 结论

针对智能温度控制系统的监测需要,从系统硬件电路测试和软件方面设计了基于USART-HMI触摸屏的智能温度控制系统,并进行了实验验证。实验测试结果表明,基于USART-HMI触摸屏的智能温度控制系统能监测实时环境温度,其测量精度可以达到0.1 ℃。因此,该系统有效解决了磷酸铁锂电池对温度敏感的问题,保证了机车应急电源的安全可靠运行,提高了系统的稳定性和可靠性。未来,随着技术的不断发展,温度测控系统将会朝着更加智能化、网络化、远程化的方向发展,相信随着温度测控技术的不断发展,其在机车应急电源以及其他领域的应用将会更加广泛,为人们的生产和生活带来更多便利。

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[3] 刘寺杰,徐敏,张晨宇,等.基于HMI智能串口屏显示的温湿度测量系统[J].科教导刊(下旬),2018(24):59-60.

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[5] 朱丹.基于ARM7的GSM/GPS汽车防盗系统的设计[D].杭州:浙江工业大学,2013.

[6] 蔡妍娜.基于STM32的热水器控制器与网络接口设计[J].微型机与应用,2014,33(2):50-51.

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[8] 陈先樑,姜钊,张勇.基于负温度系数热敏电阻温度采样精度研究[J].电子测量技术,2022,45(8):64-69.

[9] 杨阿军,万在红,熊文华,等.基于USART-HMI液晶触摸屏的智能消毒柜设计[J].无线互联科技,2019,16(19):74-76.

收稿日期:2024-06-04

作者简介:杨辉煌(1999—),男,重庆丰都人,硕士研究生,研究方向:控制工程与控制理论。

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