基于單片機控制技術的飛機輪胎充氣裝置設計

王建 李小躍 張管榮 王士巖 劉旭

摘要：為了解決某型飛機輪胎充氣過程繁瑣、費時費力、效率不高、安全性不好等問題，設計了一種基于單片機控制技術的飛機輪胎充氣裝置。本文介紹了該充氣裝置的結構組成及充氣原理，針對舊充氣裝置反復充氣才能完成充氣工作的不足，設計了單片機控制程序，使飛機輪胎充氣時不用反復拆卸充氣設備，整個充氣過程一氣呵成，更加安全、方便、塊捷。

關鍵詞：飛機輪胎充氣；單片機；觸控顯示器；電動活門

Keywords：aircraft tire inflation；single chip microcomputer（SCM）；touch display；electric valve

飛機在更換輪胎后或輪胎氣壓值低于標準值時必須給輪胎充氣[1]。目前，某型飛機輪胎充氣時，氮氣瓶與輪胎充氣嘴直接連接，且沒有與該型飛機輪胎充氣嘴匹配的接口。機務人員只能用不匹配的充氣接口用力按接輪胎充氣嘴進行充氣，充氣過程中憑經驗估計充氣量，再用胎壓表測量輪胎氣壓值。若胎壓不足，則繼續充氣；若胎壓超過規定值，則進行放氣。如此反復數次才能完成輪胎的充氣工作，整個過程繁瑣、費時費力、效率低。而且直接使用氮氣瓶進行充氣，充氣壓力過高，有極大的安全隱患。

文獻[2]介紹了一種基于壓力自動監測的飛機輪胎充氣裝置，該裝置使飛機輪胎充氣過程全部自動化，但只適用于有反饋壓力值的飛機輪胎，不適用于只有一個充氣接嘴的某機型飛機輪胎。本文根據該機型飛機輪胎特點，參考文獻[3]、[4]、[5]、[6]中輪胎充氣裝置的設計方法，采用單片機綜合控制、觸控顯示、壓力采集、電動活門控制等技術，設計了該型飛機便攜式飛機輪胎充氣裝置。

1 充氣裝置組成及工作原理

1.1 充氣裝置組成

如圖1所示，該充氣裝置硬件包括單片機控制單元、觸控顯示單元、電源管理單元、24V鋰電池、減壓閥門、單向活門、電動活門、自減壓閥、壓力傳感器、放氣閥門、三通球閥和壓力表等組成，可進行手動充氣和自動充氣。

進氣口：采用兩端均為14mm×1.5mm的公頭充氣轉接頭，與氮氣瓶氣管能夠匹配連接；減壓閥門完成對進氣口壓力的調節，使輸入到充氣裝置內的氣壓值穩定；單向活門：防止充氣時回流；三通球閥：旋轉轉換開關可進行氣路轉換，進而切換手動充氣和自動充氣；電動活門：接收電源管理單元的控制指令，在進行輪胎自動充氣時完成電動活門的狀態轉換；壓力傳感器：壓力傳感器1采集出氣口壓力，壓力傳感器2采集進氣口壓力，并將壓力值轉換為模擬電壓送至單片機控制單元；單片機控制單元：為整個充氣裝置的控制中心，通過串口完成與觸控顯示單元的指令交互，通過串口接收電源管理模塊送來的電池電量信息，采樣處理后送觸控顯示單元顯示，通過I/O接口控制電源管理單元發送控制指令，通過模擬接口采集壓力傳感器1和壓力傳感器2送出的模擬電壓，并轉化成數字信號送觸控顯示器顯示；觸控顯示單元：完成人機交互的功能，包括檢測壓力值和輸入氣壓值顯示、系統時間更改、觸控顯示器的亮度調節、檢測界面的切換等各種輸入指令和輸出顯示；電源管理模塊：將鋰電池的+24V供電電壓轉化成單片機控制單元和觸控顯示單元所需的穩定電壓，并將電池電量信息送給單片機控制單元，同時接收來自單片機控制單元的控制指令，控制電動活門的狀態轉換；自減壓閥：當充氣氣路壓力值高于安全值時自動泄壓，安全值可通過調壓開關設置；放氣閥門：充氣完成后，若胎壓值過大，應用此閥門進行放氣泄壓；壓力表：手動充氣時監測胎壓值，自動充氣時可與壓力傳感器1采集的胎壓值比對；出氣口：采用8mm快卸充氣接嘴，可與輪胎充氣嘴匹配；充氣管路：選用耐壓值為25MPa的管路，保證氣路安全。

1.2 電動活門

電動活門采用CILTON電動三通球閥，通過電路控制進行Ⅰ狀態和Ⅱ狀態的轉換，如圖2所示。接口A與三通接頭鏈接，接口B與壓力傳感器1鏈接，接口C與自減壓閥鏈接。當電動處于Ⅰ狀態時，接口A關閉，接口B、C接通；當電動處于Ⅱ狀態時，接口A、B、C均接通；該電動活門工作壓力為32MPa，控制電壓為DC24V，響應時間為1s，閥體材質為316L不銹鋼。

1.3 單片機控制單元

充氣裝置的單片機控制單元采用型號為Arduino Mega 2560的SOC單片機。根據文獻[7]，Arduino Mega是基于AT Mega 2560的Arduino開發板。它有54個數字輸入/輸出引腳（其中15個可用于PWM輸出），16個模擬輸入引腳，4個UART TTL（5V）通信串口，1個16MHz的晶體振蕩器，1個USB接口，1個DC接口，1個ICSP接口，1個復位按鈕。同時，還具有256kb Flash存儲空間（其中8kb被用于存儲引導程序），8kb的SRAM和4kb的EEPROM。

其中，與電源管理模塊的通信采用一個I/O數字輸入輸出引腳和一個UART TTL（5V）串口。I/O數字接口負責管理電源管理模塊對電動活門的控制。當I/O數字接口輸出低電平時，電源管理模塊控制電動活門處于Ⅰ狀態；當I/O數字接口輸出高電平時，電源管理模塊控制電動活門處于Ⅱ狀態。 UART TTL（5V）通信串口負責接收電源管理模塊輸出的電池電量信息；與觸控顯示單元的通信采用UART TTL（5V）串口，主要用于收發人機交互的控制指令和顯示數據；與壓力傳感器的通信主要采用模擬輸入引腳，主要用于接收壓力傳感器1和壓力傳感器2送來的氣壓值模擬電壓，對模擬電壓進行采樣、量化，轉換成氣壓值數字量，最后送觸控顯示器顯示。

1.4 觸控顯示單元

觸控顯示單元采用型號為TJC1060X570_011C的7in觸控顯示屏。該觸控顯示屏采用電容式觸摸控制，分辨率為1024×600，顯示比例為16：9，具備TTL（5V）串口和I/O口通信，主控頻率為200MHz。與單片機控制單元通信時采用TTL（5V）串口，人機交互界面采用HMI軟件設計。

1.5 電源管理模塊

電源管理模塊是控制電動活門進行狀態轉換的核心部件（這里只介紹電動活門控制部分），應用PORTEL軟件設計該電路，如圖3所示。

圖中，J1為電動活門，J2為觸控顯示單元，J6為單片機控制單元。當J6的2號I/O口輸出高電平時，可控制TX2-24V開關繼電器內3-5、6-8吸合，此時24V電送入電動活門1號接口，控制電動活門由Ⅰ狀態轉換為Ⅱ狀態。J6的2號I/O口輸出低電平時，可控制TX2-24V開關繼電器內3-4、6-7吸合，此時無24V電送入電動活門1號接口內，控電動活門由Ⅱ狀態轉換為Ⅰ狀態。

2 軟件設計

充氣裝置的自動充氣軟件設計流程如圖4所示。充氣裝置在工作時，進氣口與氮氣瓶連接，出氣口與飛機輪胎鏈接。打開調壓開關，設置適合于飛機輪胎充氣的壓力值，此壓力值由壓力傳感器2采集，經過單片機控制單元計算后送顯示。此時，電動活門處于Ⅰ狀態，電動活門A口與三通接頭處于關閉狀態，電動活門B口與壓力傳感器1處于接通狀態，電動活門C口和放氣閥門處于接通狀態。在觸控顯示單元上設置預充氣的胎壓值，點擊開始后，電源管理模塊控制電動活門處于Ⅱ狀態，電動活門A、B、C口分別與三通接頭、壓力傳感器1、放氣閥門處于接通狀態，充氣開始。此時，壓力傳感器1監控充氣氣路內壓力。充氣一段時間后，當壓力傳感器1采集的充氣氣路壓力值大于預設胎壓值+3psi時，電源管理模塊控制電動活門處于1狀態。此時，壓力傳感器1采集輪胎靜態氣壓值，即輪胎實際氣壓值。若輪胎胎壓值小于預設胎壓值，則說明輪胎漏氣，需要進一步檢查。若輪胎胎壓值大于預設胎壓值，用泄壓開關放氣，直至與預設胎壓值相等，此時充氣完成。

3 結束語

本文針對某型飛機輪胎充氣過程繁瑣、費時費力、效率不高、安全性不好等問題，設計了基于單片機控制的飛機輪胎充氣裝置，使飛機輪胎充氣時不用反復拆卸充氣設備，整個充氣過程一氣呵成，更加安全、方便、塊捷。

參考文獻

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[2]馬曉. 一種基于壓力自動監測的飛機輪胎充氣裝置[J]. 輪胎工業，2020，40（11）：703.

[3]段少勇. 基于單片機的自動充放氣裝置的設計[J]. 自動化技術與應用，2020，39（3）：159-162.

[4]陳菁，張萬. 單片機控制下可變輸出電壓的電源設計[J]. 現代電子技術，2018，41（2）：91-94.

[5]楊軍，王立文，龔淼. 基于放氣控制的飛機輪胎自動充氣裝置設計[J].中國民航大學學報，2007（6）：19-22.

[6]王立文，劉增禹，朱志猛. 飛機輪胎自動充放氣控制系統設計[J]. 機床與液壓，2006（10）：157-158，209.

[7]牛立剛，張月瑩，胡志勇，等.基于Arduino的USARTHMI智能串口觸摸屏的應用[J]. 機電信息，2016（15）：122-123.

[8]豆鵬飛. 單片機控制輪胎自動充氣裝置的設計[J]. 橡塑技術與裝備，2021，47（5）：38-47.