车辆挡风玻璃电加温控制系统设计与实现

刘旭 大勇

摘  要：车辆在低温环境行驶过程中，由于驾驶室内外存在一定温差，挡风玻璃容易起雾甚至结冰，影响驾驶员的视线，因此车辆挡风玻璃电加温系统成为了现代军用车辆中不可或缺的一部分。本文根据某公司重型高机动战术车辆的需求，设计了一种前挡风玻璃电加温控制系统。该控制系统能够配合前挡风玻璃电加温功能使用，保证前挡风玻璃的温度保持在规定的范围内，实现挡风玻璃防冰、除冰等功能。

关键词：挡风玻璃;电加温;控制器

中图分类号：TJ02     文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2022）01-040-05

一、设计背景

随着科学技术的发展，信息化和科技化成为现代军事发展的一个重要方向，武器装备也随着科学技术的发展有了进一步的革新[1]。武器装备的性能对现代化战争起着重要的作用，因此世界各国的武装部队对武器装备性能的要求越来越高，武器装备对使用环境要求也越来越苛刻[2]。严苛的使用环境主要体现在温度、振动、湿热、盐雾、沙尘、霉菌、电磁干扰等诸多方面，每种环境均对武器装备和其他军用产品提出了较高的要求，因此在设计军用产品时必须要考虑产品所需满足的使用条件，保证产品在严苛的环境下能够正常工作。

以某公司的重型高机动战术车辆为例，其要求车辆在低温情况下能够正常行驶。在风挡玻璃的使用环境中，低温是一种比较严苛的环境[3]。由于驾驶室内外的温差，车辆内的热空气遇到温度较低的风挡玻璃后容易起雾甚至结冰，严重影响操作人员的视线[4][5]。为解决此问题，该型车辆配备了前挡风玻璃电加温系统[6]，该系统以电阻丝为加热元件，以PT 1000热敏电阻为温度传感器，目的是要保证风挡玻璃温度保持在规定的范围内，实现风挡玻璃的防冰、除冰等功能。该挡风玻璃电加温系统需配备特定的控制系统以满足使用要求，其中控制系统性能指标和所要实现的主要功能如下：（1）控制电源电压为直流20～28V;加温电源电压为直流20～28V;每块玻璃加温电流为28A。（2）当玻璃温度低于20℃±2℃（玻璃温度由热敏电阻给定）时开启加温，玻璃温度温到40℃±2℃时断开加温;若超过60℃，自动切断电源，实现过载保护。（3）若左挡风玻璃热敏电阻发生短路或断路故障，控制器输出左路故障信号，封闭左挡风玻璃的热敏电阻信号，用右路的温度代替左路的溫度来控制左挡风玻璃的加温，反之亦然，从而起到相互保护的作用;若左加温回路出现故障，控制器则输出左路故障信号，同时自动隔离左温度控制通道，左加温回路不进行加温，右加温回路出现故障时亦然。

二、挡风玻璃电加温系统控制器硬件设计方案

（一）系统框图

图1为挡风玻璃电加温系统控制器硬件框图，其中控制芯片选取意法半导体公司的STM32F103 VGT6。该挡风玻璃电加温系统控制器实现的主要功能如图1所示。

1.自检功能

在加温系统控制器通电之后进行自检，检查加温回路是否断路或过载，然后再检查热敏电阻是否短路或断路。自检结束后，如果左（右）路出现故障（热敏电阻故障或加温回路故障），则要点亮对应的左（右）故障指示灯，若无故障，则故障指示灯熄灭。

2.控制加温功能

加温系统控制器通过单片机采集左右两路热敏电阻信号，计算出当前挡风玻璃的温度，当玻璃温度低于20℃±2℃时即开启加温，玻璃温度加温到40℃±2℃时即停止加温;若超过60℃±2℃，即自动保护切断电源，若处于加温状态，则点亮加温状态指示灯。

3.故障处理功能

加温系统控制器通过检测加温回路的电流来判断加温回路是否发生故障，若左加温回路出现断路或过载故障，点亮左故障指示灯，同时自动隔离左温度控制通道，左加温回路不进行加温，右加温回路出现故障时亦然;若左挡风玻璃热敏电阻发生短路、断路故障，点亮左故障指示灯，封闭左风挡玻璃的热敏电阻信号，由右温度控制通道控制左风挡玻璃的加温，反之亦然。

（二）主要功能电路设计

车辆挡风玻璃电加温控制系统硬件电路主要由单片机最小系统电路、温度采集电路、过载保护电路等组成。

1.单片机最小系统电路

最小系统电路采用STM32F103VGT6单片机，能够实现模拟量采集、通信控制与信号处理等功能。

2.温度采集电路

该电路的作用是采集热敏电阻两端的电压，计算出热敏电阻的阻值，可以进一步得到玻璃的实际温度，如图2所示。

该电路采用三运放差分放大电路，放大电路的输出电压U0与输入电压UI的对应关系为

U0=1+2××（UI-U1 ）

其中U1为参考电压。

在图3中，运放U15B的功能为检测热敏电阻故障。根据PT1000热敏电阻的阻值与温度的对应关系可以计算出不同温度下放大电路的输出电压。当玻璃温度为-55℃时，三运放放大电路输出的电压为0.6V，而运放U15B输出的电压为1.63V;当玻璃温度为70℃时，三运放放大电路输出的电压为3.08V，而运放U15B输出的电压为1.87V。可以看出当玻璃温度在-55～70℃范围内变化时，三运放放大电路输出电压接近满量程，其变化幅度约为20mV/℃，而检测热敏电阻故障的运放U15B的输出电压变化并不十分明显，因此当热敏电阻没有故障，玻璃温度在正常范围内时，利用三运放放大电路可以比较精确的测量出玻璃温度。当热敏电阻处于短路故障时，其阻值为0，此时三运放放大电路的输出电压不正常，而运放U15B的输出电压约为0.9V;当热敏电阻处于断路故障时，其阻值为无穷大，此时三运放放大电路的输出电压为接近3.3V，而运放U15B的输出电压约为3.1V，因此利用三运放放大电路难以准确判断出热敏电阻故障，而利用运放U15B能够准确的判断出热敏电阻的故障情况。

3.电流采集电路

将电流传感器串联在加温回路中，通过电流传感器将加温回路中的电流信号转换为电压信号，然后通过电压跟随器将电压信号输送至ADC，将模数转换结果传送至控制器，最终实现电流的采集功能。

4.过载保护电路

该电路的作用是当加温回路出现过载故障时，迅速关断MOS管，起到快速保护的作用。过载保护电路原理，如图3所示。

电流霍尔芯片的输出信号除了用于计算加温回路电流之外，另一个作用是接到过载保护电路中的比较器上，在该电路中，比较器的参考电压为0.96V，对应的电流保护点为38A。当加温回路电流超过38A时，电流霍尔芯片的输出电压低于0.96V，使得比较器的输出由低电平变为高电平，光耦由截止变为导通，光耦的副边会产生下降沿，将与光耦相连的单片机引脚设置为下降沿中断模式，此时会触发单片机外部信号下降沿中断，在中断程序中将MOS管关断。

三、挡风玻璃电加温控制器系统软件设计

挡风玻璃电加温控制器系统的软件总体部分按照所实现的功能进行设计，主要包含加温回路检查程序、判断温度控制加热程序、加温回路故障处理程序、热敏电阻故障处理程序等。

（一）加温回路检查程序设计

加温回路检查程序流程，如图4所示，风挡玻璃加热温控器上电后，首先开通MOS管和继电器，即开通加温回路，加温回路中電流若小于3A，则认为加温回路断路;若过载保护信号产生下降沿，引起外部中断，此时加温回路电流超过了40A，则认为加温回路过载。然后在开通MOS管关闭继电器、关闭MOS关开通继电器和关闭MOS关和继电器三种情况下检测加温回路中的电流，若电流大于3A，则认为继电器或MOS管或两者均短路。如果左（右）路加温回路出现断路或过载故障，则要点亮对应的左（右）故障指示灯，若无故障，则故障指示灯熄灭。

（二）热敏电阻检查程序设计

热敏电阻检查程序流程：首先读取热敏电阻故障信号的电压值，若采集到的热敏电阻故障信号电压高于2.03V，系统认为热敏电阻断路;若采集到的热敏电阻故障信号电压低于1.37V，系统认为热敏电阻短路。如果左（右）路热敏电阻出现短路或断路故障，则判断右（左）路热敏电阻是否也发生短路或者断路，若右（左）路没有短路或者断路，则用该路的温度代替左（右）路的温度，同时点亮左（右）路的故障状态指示灯;若两路热敏电阻同时短路或者断路，则断开两路加温回路，即关闭MOS关和继电器，并点亮左右两路故障状态指示灯。

（三）判断温度控制加热程序设计

判断温度控制加热功能程序流程：在左右两路热敏电阻不同时故障，且加温回路不存在故障的情况下，系统根据检测到的温度值，控制加热状态：当玻璃温度低于20℃±2℃时即开启加温，玻璃温度加温到40℃±2℃时即停止加温，即关断MOS管;若超过60℃，即自动保护切断电源，即断开继电器。若处于加热状态，则点亮加热状态指示灯。

（四）加温回路故障处理程序设计

加温回路故障处理功能程序流程，如图5所示。当系统检测到电流之后，首先判断加温回路的过载保护信号是否产生，若已经产生，则说明加温回路发生过载故障，系统断开加温回路，即关闭MOS管和继电器。

若过载保护信号没有产生，则系统判断加温回路电流是否小于3A，若电流小于3A且继电器和MOS管均处开通状态，则说明加温回路发生断路故障，系统断开加温回路，即关闭MOS管和继电器。

若以上故障均不存在，则系统检测MOS管和继电器的开关状态和加温回路的电流，若MOS管和继电器没有同时开通但电流大于3A，则认为继电器或MOS管或两者均短路，此种情况下系统断开加温回路，即关闭MOS管和继电器。如果左（右）路加温回路出现断路或过载故障，则要点亮对应的左（右）故障指示灯，若无故障，则故障指示灯熄灭。

（五）热敏电阻故障处理程序设计

热敏电阻故障处理程序：系统按照自检过程中的步骤检查左（右）热敏电阻是否发生故障。若左（右）路热敏电阻发生短路或者断路，先判断右（左）路热敏电阻是否也发生短路或者断路，若右（左）路没有短路或者断路，则用该路的温度代替左（右）路的温度，同时点亮左（右）路的故障状态指示灯。若两路热敏电阻同时短路或者断路，则断开两路加温回路，即关闭MOS关和继电器，并点亮左右两路故障状态指示灯。

四、试验验证

根据系统性能指标及功能要求，搭建了控制系统模拟试验测试环境。将前挡风玻璃置于高低温箱中，利用高低温箱模拟系统使用环境（温度区间为-45～20℃），在玻璃表面均匀设置9个测温点，利用热电偶实时采集玻璃表面温度。玻璃表面温度随时间变化趋势（使用环境为-20℃），如图6所示。

试验证明该控制系统能够满足使用要求。在环境温度稳定状态下，控制系统能够有效地控制电加温功能，当表面温度低于20℃±2℃时电加温功能起动，当表面温度高于40℃±2℃时电加温功能停止，使得玻璃表面温度基本稳定在18～40℃，并且表面未出现冰霜现象。

五、结论

根据某重型高机动战术车辆的需求，设计了一种应用于该型车辆的前挡风玻璃电加温控制系统。该控制系统以PT1000热敏电阻为温度传感器，将电阻丝作为加热元件，能够实时的检测挡风玻璃的温度，并根据温度控制加温系统，实现车辆挡风玻璃的除霜除冰等功能，保障驾驶员的视线不受干扰。经试验测试该控制系统工作稳定、性能良好、使用方便，能够较好的实现前挡风玻璃的除霜除冰功能。

参考文献：

[1]任亚忠.军事信息化对现代军事发展的影响研究[J].现代制造技术与装备，2020（3）：218-219.

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[3]赵景云，颜悦，霍钟祺，电加温热载荷对直升机风挡玻璃的影响[J].机械科学与技术，2021，40（7）：1143-1148.

[4]梁智勇.电加热系统在汽车前挡风玻璃上的应用[J].科技与创新，2014（15）：9-10.

[5]刘正.红外热成像仪在电加温玻璃生产中的应用研究[J].红外，2016，37（8）：41-47.

[6]刘莹，印明勋，乔鑫.汽车后风挡性能分析[J].汽车工业研究，2020（1）：31-33.

Design and Application of Electric Heating Control System for Vehicle Windshield

LIU Xu1， WU Da-yong2

（1. Tianjin Polytechnic College， Tianjin 300400， China; 2. Patent Examination Cooperation （Tianjin） Center of the Patent Office， CNIPA， Tianjin 300000， China）

Abstract： When vehicles are driven in low temperature， due to the temperature difference between the inside and outside of the cab， the windshield is prone to fog or even freeze， which will affect the driver's sight. Therefore， electric heating system in the vehicle windshield has become an indispensable part of modern military vehicles. Based on the requirements of a heavy-duty， high-mobility tactical vehicle of a company， the paper has designed an electric heating control system for front windshield. The control system can be used in conjunction with the electric heating of the front windshield to ensure that the temperature of the front windshield is kept within the specified range to provide anti-icing and de-icing functions for the vehicle.

Key words： Windshield; Electric Heating; Controller

編辑 郑晶