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以单片机为主控的电动车智能温度手套软硬件设计

威海新闻网  2019-10-08 15:52:22

摘要:为解决传统手的季节适用和操作灵活等问题,设计了一种以单片机为主控、PID算法为核心的电动车智能温控系统,通过DS18B20传感器精确地采集实时温度,由单片机控制模块处理数据,控制半导体进行制冷加热,同时配备有便捷的触摸操作界面,给予用户舒适体验。实验结果表明,预热速度控制在五分钟以内。


1背景


随着社会的发展,电动车已经成为人们短程出行的主要工具。尽管目前市场上针对电动车的手套大部分是布制手套,还有电热手套,材料和样式层出不穷,却存在着冬天保暖效果不好,夏天手出汗无降温功能,还有佩戴安全性问题等,功能比较单一,缺少人性化设计。


本产品设计采用了以AT89系列52单片机为主体、以keil4为开发环境[1]的智能温控系统,通过DS18B20采集实时的温度,构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器。使其既可与微机配合构成两级控制系统,又可作为一个独立的单片机控制系统,单片机根据输入的各种命令,进行智能算法得到控制值,输出脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,对采集到的温度数据进行处理,输出PWM脉冲调制信号控制继电器,实现对半导体调节器和散热风扇的控制,从车把传出冷热风,从而给予用户所需的舒适体验。


2系统总体设计


本产品包括总控制系统、显示屏和温度控制模块,车头位置下部为中空通道,与设有通风口的把手相连且与总控制系统连接,由设在显示屏下方的继电器控制,温控模块包括制热模块和制冷模块,风扇与显示屏之间有冷热风传送通道且与总控制系统连接,有温度传感器,显示屏与总控制系统连接;利用pid算法[2]确定温度传感器的位置并与总控制系统相连实现设置温度功能。利用显示屏显示实时温度,让用户看到。利用温度传感器采集温度,并且将温度数据发送给总控制系统,通过这些温度数据来与用户设定温度数据进行对比后调整温度。利用制冷片制冷模块和制热模块实现加热或降温,调整温度。利用中空通道,设有把手的通风口,以及小风扇,实现冷热风的及时传送。通过继电器控制半导体调节器和散热风扇进行制冷制热调节,从而实现最佳的恒温效果。


3系统的硬件


3.1单片机


控制模块负责本装置的信息处理以各模块的协调。控制器设置好温度后,高于检测温度向手套内吹冷风,低于检测温度向手套内吹热风,实现快速降温和升温,控制模块利用触摸屏模块可以实现用户设置温度和显示手套实时温度的功能。

以单片机为主控的电动车智能温度手套软硬件设计

本系統采用SST系列单片机[3]是一款高性能的AT89C52[4]的单片机,属于8位FLASHFLEX52[5]系列单片机。FLASHFLEX52是在高级FLASH CMOS[6]半导体工艺下设计和生产出的单片机产品之一。器件都有相同的功能强大的指令系统,并且和8xC5x器件兼容。


3.2继电器


继电器作为半导体模块的开关,主要结构如图所示:

以单片机为主控的电动车智能温度手套软硬件设计

这里需要说明的是,本产品采用双继电器形式,DC+接电源正极(电压按继电器要求,有5V.9V.12V和24V选择),DC-接电源负极,IN可以高或低电平控制继电器吸合继电器输出端,NO为继电器常开接口,继电器吸合前悬空,吸合后与COM短接,COM为继电器公用接口,NC是继电器常闭接口,继电器吸合前与COM短接,吸合后悬空;高低电平触发选择端有跳线与L.OW短接时为低电平触发及跳线与high短接时为高电平触发。


3.3温度传感器


型号:30205 MAX30205MTA[7]


功能:可以实现高精度低电压操作,0.1°C精度(37°c至39°C),16位(0.00390625°C)温度分辨率2.7V至3.3V电源电压范围

以单片机为主控的电动车智能温度手套软硬件设计

4软件设计


4.1 PID算法


PID控制[8]由于结构简单、易于实现及鲁棒性好,被广泛应用于工业生产控制中。针对模糊PID控制,我们研究了其算法实现,着重分析了控制过程,建立了合理的模糊PID控制规则。并对PID控制和模糊PID控制进行了仿真对比,得出了模糊PID控制具有更好控制效果的结论。其次,为了提高模糊PID控制的自适应能力,在模糊PID控制基础上,引入了变论域思想,构成变论域模糊PID控制器。我们进一步研究了基于函数模型和模糊规则的论域变化机制,使模糊PID控制的论域可以随着输入量而动态改变。通过仿真对比,我们发现变论域模糊PID控制保持了良好的动态和静态性能。介于协调控制系统是一个非线性、多变量的复杂系统,研究的变论域模糊PID控制算法[10]应用到了其中。实验证明,pid控制算法能够获得较为满意的控制效果和控制品质。


4.2软件设计


整个軟件分为系统控制模块和用户控制模块,采用pid设计[9],软件设计如图5所示。


5主体设计


本产品利用cad将主体设计为流线体造型,增强了产品的实用性和美观性,减小车辆阻力,运用pid算法按照预定方案统一步调,保证整个工程可以在预定的范围内顺利进行,预定设计如图6所示:


在极端的天气,温度对装置有影响。经研究本产品采用复合结构构成,降低使用成本的同时还能减轻手套的重量,满足人的手指对便捷性和灵活性的需求。相较于传统的加热元件的电热丝由碳纤维构成,本产品强度增强,寿命增长,区别于市场上常见的功能性手套,不用加入水袋、防水胶条等,也不需要对金属丝通电通过加热水来传递热量,排除隐藏的危险性。


6结束语


本电动车智能温度手套内设温度传感器,总控制系统、触摸屏和温度控制模块,通过智能系统实现显示实时温度,设置手套温度,可同时实现手套的升温和降温,从而解决现有电动车手套冬天保暖效果不好,夏天手出汗又被晒的问题。利用温度传感器获取当前温度数据,实现温度的采集与实时监测。经实际验证,本系统设计具有较强的通用性,运行稳定,且稳态误差在±1℃内的控制要求,对干扰有很强的抑制能力。


参考文献:


[1]Michael J.Pont.时间触发嵌入式系统设计模式[M].北京:中国电力出版社,2004.


[2]Prata S.C Primer Plus[M].5版.北京:人民邮电出版社,2014.


[3]姚文详.ARM CORTEX-M3权威指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.


[4]彭刚,秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社,2011.


[5]范书瑞,李琦,赵燕飞.Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.


[6]卢有亮.基于STM32的嵌入式系统原理与设计[M].北京:机械工业出版社,2014.


[7]刘同法,陈忠平,彭继卫.单片机外围接口电路与工程实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.


[8]王永虹,徐炜,郝丽萍.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.


[9]史洪玮,张花花,黄骏,等.基于LabVIEW的农药检测人员考试系统的设计[D].西安:陕西省电子技术研究所,2019.


[10]史洪玮,王紫婷,宁平,等.基FPGA+DSP的多通道数据采集系统设计[D].兰州:兰州交通大学电工电子实验中心,2010.


【通联编辑:谢媛媛】



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