基于STM32 的车载设备宽温控制方法研究

张玉石，孙佳隆，朱波

（青岛杰瑞工控技术有限公司，山东青岛，266061）

0 引言

国内高铁列车飞速发展，截止2020 年末，高速铁路网络已经突破3.79 万公里[1]。北起佳木斯南至海南岛均已实现高铁覆盖。不仅空间跨度大，温度跨度同样很大。据相关报道，国内最北端到最南端的最大温度差接近40 摄氏度[2]。由于过大的环境温度差会导致车载电子元器件性能降低甚至损坏。而且，高铁作为中国的一张科技名片正在加速走向世界。高铁动车作为智能高速运载工具，装备有近2000 个智能传感器。为了提高检测结果的准确性和可靠性，部分智能检测设备被安装布置于车厢外侧，尤其是高铁中的近场车载智能检测单元。此类精密智能电子检测设备对工作环境温度要求严苛，却又无温度调节保护。因此，高铁如果要在世界各地安全、可靠的运行，首先需要克服的就是环境温度问题。

目前，高铁列车内的核心电子器件是通过车载空调系统进行温度调节[3]。但是在车辆启动的很长一段时间内，车辆无法正常运行，必须待室内温度及电气件温度升高到许用温度后才能允许车辆开动。而车厢外的精密智能检测单元则需要外围保障设备对环境温度进行补偿。传统的方法是将待启动车辆拖拽至恒温室，待车辆整体的温度升高至许用温度范围内时，才允许启动机车。当前温控方法具有操作难度大、维护设备复杂、能量浪费严重、施工难度高的特点，并且无法形成模块化、产品化的功能系统。更为重要的是，以维护基地或服务站的方式严重增大了维护负担，而且限制了车辆的开动效率。因此，研究高铁列车的宽温控制技术，并形成一种可车载的宽温控制方法非常必要，而且对于节约能源、高铁列车运行的安全性及可靠性的提高、高铁开动效率的提高具有重要意义。

1 宽温控制架构

宽温控制方法是以STM32 单片机为控制中心，温度检测传感器为检测单元，风扇及加热器为执行单元的车载设备宽温控制系统。控制原理为通过温度检测手段，以加热器及风扇为执行单元，进而将车载设备的运行温度控制在许用温度范围内。

从图1 中可以看出STM32 为控制及信息采集中心，主要完成温度的检测、加热器及车载风扇的运行控制。在具体运行过程中，STM32 控制器首先检测环境温度。当检测温度低于最低允许运行值时，加热器开启并进行温度实时检测。当温度到达允许开机温度时，车载控制单元开机运行。当车载控制单元的运行温度达到最佳运行温度值时，将停止加热。反之，当运行温度高于许用温度时，车载风扇将会打开，进而执行降温控制流程，直至温度回归许用温度值。

图1 宽温控制架构图

2 宽温控制方法

宽温控制方法为主动温度控制方法，通过对运行环境温度的检测及调节，目的是为车载精密智能电子检测单元的可靠运行提供温度保障。宽温控制方法主要包括：温度检测单元、升温单元、降温单元。

■2.1 温度检测单元

温度检测单元为系统的智能感知单元，通过传感器检测环境温度，进而为温度控制提供决策依据。温度检测传感器采用数字温度传感器DS18B20。其数据的读取只需要一根串口线。物理接口为RS232，由于STM32 板载了2 个RS232 通信接口，因此可方便的与数字温度传感器进行温度读取。

在程序设计时，只需要初始化STM32 的串口通信，实时读取串口数据并处理后得到环境温度数据，即可实现智能温度检测。

图2 宽温控制电路

■2.2 升温单元

升温单元主要由加热器及控制单元组成。同时，加热器为车载宽温控制器的末端执行器之一。当温度传感器检测到环境温度低于车载精密智能电子检测单元的许用开机温度时，将不为车载单元供电而是先打开加热器，将环境温度升至车载单元的最佳工作温度。然后接通车载单元电源并实现开机。由于STM32 引脚输出为3.3V,无法直接驱动加热器，因此，可加装固态继电器。STM32 输出引脚控制固态继电器吸合，进而为加热器接通电源，实现加热。当温度达到最佳工作温度时，STM32 控制固态继电器断开，将停止加热。

在程序设计时，只需要初始化引脚为下拉输出，通过位操作控制引脚为“0”或“1”，即控制引脚为低电平或高电平，进而控制加热器的接通和断开。

■2.3 降温单元

降温单元主要由车载风扇及控制单元组成。同时，车载风扇为车载宽温控制器的末端执行器之一。当温度传感器检测到环境温度高于车载精密智能电子检测单元的最佳工作温度时，将接通车载风扇，实现散热。同理，由于STM32 引脚输出为3.3V,无法直接驱动车载风扇散热，因此，可加装固态继电器。STM32 输出引脚控制固态继电器吸合，进而为车载风扇接通电源，实现散热。当温度达到最佳工作温度时，STM32 引脚输出为0V，控制固态继电器断开，将停止散热。

在程序设计时，只需要初始化引脚为下拉输出，通过位操作控制引脚为“0”或“1”，即可控制引脚为低电平或高电平。进而控制车载风扇的接通和断开。

■2.4 操作站

操作站为人机交互中心，可通过触摸屏控制设备的启动、停止、故障查看等。操作站与STM32 之间通过总线通信，可将控制命令实时发送至STM32。同时触摸屏可将系统数据进行显示并形成数据报表，方便操作及监控查询。

车载操作站采用80 并口通信协议与STM32 进行控制信号交互。采用并口通信方式，数据在同一时间既可以上传也可以下达，因此大大提高了通信的控制速率。其中，加热器及风冷控制采用BOOL 量进行通信，温度值采用WORD类型。通信数据存储于通信数据缓存器，可通过程序将数据进行存储并形成报表。进而为设备的智能控制决策提供依据。

图3 车载设备温度控制系统操作站界面

点击加热控制可手动打开加热器，此时操作状态栏显示正在加热，并且温度仪表数值开始上升。再次点击加热控制可手动关闭加热器，此时操作状态栏显示已停止加热，并且温度仪表数值稳定。点击风冷控制可手动打开车载风扇，此时操作状态栏显示正在冷却，并且温度仪表数值下降。再次点击风冷控制可手动关闭车载风扇，此时操作状态栏显示已关闭冷却，并且温度仪表数值稳定。当环境温度在许用温度范围内时，顶部状态开关将亮绿灯，此时可接通车载控制单元开机。当有错误发生时，顶部报警灯将亮起，提示检查操作并更改。

3 总结

车载设备宽温控制方法是高铁动车车载设备的一种有效环境温度控制方法。可有效保障高铁列车核心设备在宽温条件下的稳定、安全运行。本研究提出：通过以数字温度传感器DS18B20 为温度检测方法，实现环境温度的实时监测；通过以加热器作为升温方法，实现低温运行条件下的温度提升，进而保障车载设备在低温条件下的稳定可靠运行；通过以车载风扇为降温单元，实现高温运行条件下的温度降低，进而保障了车载设备在高温条件下的可靠运行。需要指出的是，本研究为高铁列车车载精密智能电子检测单元的温度控制提供一种方法，并且在其他温度控制领域同样具有指导意义。