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轨道列车专用型智能温控继电器设计研究

2024-08-07 27 上传者：管理员

摘要：在轨道列车的设备系统中，常遇到需控制温度的场合，故经常会用到温控继电器。但传统的温控继电器缺点较多，尤其在配置上限温度和下限温度时操作极不方便。为此，研究设计了一款轨道列车专用智能温控继电器，该智能温控继电器由2.8寸触摸屏和单片机组成，通过操作触摸屏界面可非常方便地配置温度继电器的上限温度和下限温度。该设计方案结构简单、价格低廉、体积小且通用性强，值得在轨道列车中推广应用。

关键词：
上限温度
下限温度
单片机
温控继电器
触摸屏
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在轨道列车电气控制系统中，常遇到需应用温度继电器控制温度的场合。传统的温控继电器多采用按键方式修改预设温度，该操作方式较为繁琐。为提高温控继电器使用的便捷性，本文设计了一款新型温控继电器。该温控继电器由温度变送器、2.8寸触摸屏和集成电路主板组成，可快速配置温控继电器动作温度值。

1、基于2.8寸触摸屏的智能温控继电器总体设计要求

根据轨道列车实际需求，总结温控继电器功能需求，具体如下：

(1)具备触摸屏，可显示检测到的温度值及动作温度值。

(2)通过触摸屏可快速配置温控继电器动作的温度值。

(3)体积较小。

(4)继电器触点额定容量为：AC 220 V/10 A。

(5)当检测到的温度高于预设温度TH时，内部继电器1动作；当检测到的温度低于预设温度TL时，内部另外的继电器2动作。

2、总体设计思路

该智能温控继电器由塑料外壳、2.8寸触摸屏和集成电路主板组成。塑料外壳用于安装2.8寸触摸屏和集成电路主板。2.8寸触摸屏为人机界面，一方面用于显示当前温度值和内部两个微型继电器动作的预设温度值；另一方面，使用者可用其配置该温控继电器动作的2个预设温度值。集成电路主板则是以单片机为核心的集成电路板，负责温度检测、计算和发送温度数据。

3、触摸屏选型及具体参数说明

在本装置中选用T1系列2.8寸串口电阻触摸屏，该触摸屏颜色：65536色；可视尺寸：57.6 mm×43.2 mm;分辨率：320×240像素；工作电压：4.5 V～6.0 V,典型值为5 V;串口波特率：2 400 baud～921 600 baud; FLASH存储器：4 MB;运行内存(RAM):3 584 Byte;串口指令缓冲区：1 024 Byte。该触摸屏程序使用USART HMI软件编写，触摸屏主界面如图1所示。在该触摸屏界面上设计有3个数字框，用于显示当前温度、上限温度TH和下限温度TL。当使用者触碰“上限温度TH”和“下限温度TL”数字框时，会自动弹出数字键盘，用于修改“上限温度TH”和“下限温度TL”数值。触摸屏数字键盘界面如图2所示。完成数字输入后，点击“确定”按钮，完成温度配置。

图1触摸屏主界面

图2触摸屏数字键盘界面

4、集成电路板设计原理

该集成电路主板主要由硬件电路和软件两大部分组成。硬件电路是以单片机为核心的集成电路板，软件部分则是单片机芯片内部的程序。

4.1硬件电路设计

硬件电路原理架构如图3所示。根据功能不同，硬件电路分为整流电源电路、微型继电器电路、温度变送器连接电路、ATmega8515单片机电路和USART电路。整流电源电路用于将输入的交流电源整流为5 V直流电，供给集成电路板直流负载。微型继电器电路用于单片机驱动微型继电器动作与释放，以控制对外输出信号。温度变送器连接电路为温度变送器与单片机的连接电路；USART电路为单片机与触摸屏开展USART通信的桥梁；ATmega8515单片机电路用于构建一个单片机工作所需的最小系统电路。

图3硬件电路原理架构

4.1.1整流电源电路原理设计

整流电源电路如图4所示。整流电源电路负责将外部输入的AC 220 V电源转换为DC 5 V电源，为ATmega8515单片机电路、温度变送器连接电路和USART电路等电路供电。在图4中，元件U2为PCB专用整流模块，作用是将AC 220 V电源整流为DC 5 V电源，元件C1为电解电容，其作用是对电源模块U2输出电源进行滤波和稳压。

图4整流电源电路

4.1.2微型继电器电路原理设计

微型继电器电路由三极管、续流二极管和微型继电器组成。该电路用于为单片机搭建一个驱动微型继电器的电路，该电路的核心器件是两个5 V的微型继电器。继电器线圈两端分别并联一个续流二极管，用于在微型继电器线圈失电后快速释放。

4.1.3温度变送器连接电路原理设计

温度变送器电路由温度变送器和端子等器件组成，主要用于采集外界温度信号，并转换为标准电信号(0～5 V)输入到单片机AD引脚。在量程范围内，变送器测量的温度与输出的模拟电信号(0～5 V)呈线性比例。单片机根据AD转换值，换算为变送器输出电压值。单片机再根据变送器输入和输出信号线性比例关系换算得到温度变送器检测到的温度值。温度变送器参数如下：电源电压DC 24(1±10%) V;测量精度：±0.2%FS;输出信号：0～5 V;量程：-50℃～100℃。

4.1.4 ATmega8515单片机电路原理设计

ATmega8515单片机电路如图5所示。ATmega8515单片机电路是以AVR单片机为核心，AVR单片机是增强型RISC内载FLASH单片机[1]。AD0+引脚为单片机AD输入引脚，电容C4为104型瓷片电容。RST为单片机复位引脚，低电平有效。第40脚VCC为单片机电源输入引脚，与5 V电源“+”极连接；第20脚为单片机的电源负极输入引脚，与5 V电源的“-”极连接。第10脚(PD0/RXD)为单片机USART接收引脚，用于接收通信数据；第11脚(PD1/TXD)为单片机USART发送引脚，用于发送通信数据。

4.1.5 USART电路原理设计

USART电路是单片机与触摸屏通信桥梁，USART电路原理图如图6所示。JP1为4P连接器，JP1连接器4脚与集成电路板5 V电源连接，JP1连接器1脚与集成电路板0 V连接，JP1连接器3脚与集成电路板RX连接，JP1连接器2脚与集成电路板的TX连接。

图5 ATmega8515单片机电路

图6 USART电路原理图

4.2软件设计

单片机程序流程如图7所示。单片机首先配置GPIO输出引脚相关寄存器值，再配置AD模块功能寄存器值，之后配置USART寄存器值。然后单片机检测AD值，并计算转换为温度值，并发送给触摸屏。下一步，单片机再通过USART接口接收触摸屏发来的温度设置数据，通信波特率为9 600 Baud[2]。单片机将实际温度与触摸屏所设置的上限温度值TH对比：若实际温度高于上限温度，驱动微型继电器1动作；否则，驱动微型继电器1线圈释放。然后，单片机将实际温度与触摸屏界面所设置的下限温度值TL进行对比：如果实际温度低于下限温度，驱动微型继电器2动作；否则，驱动微型继电器2线圈释放。单片机再继续检测AD转换数据，计算温度值，接收触摸屏发送的数据，循环执行上述操作。

图7单片机程序流程

5、结语

该智能温控继电器主要由塑料外壳、2.8寸触摸屏和集成电路主板组成，其中集成电路主板则由整流电源电路、微型继电器电路、温度变送器连接电路、ATmega8515单片机电路和USART电路组成。使用者通过操作触摸屏界面，可快速配置温控继电器动作的上限值和下限值，设计方案简单，结构清晰，成本低廉，适合在轨道列车的设备系统中普遍推广应用。

参考文献:

[1]张校铭.AVR单片机开发与应用实例[M].北京:中国电力出版社,2018.

[2]陈忠平.单片机C语言程序设计经典实例[M].北京:电子工业出版社,2013.

文章来源:韩天博,邓举明,李超群,等.轨道列车专用型智能温控继电器设计研究[J].机械工程与自动化,2024,(04):142-144.