車輛擋風玻璃電加溫控制系統設計與實現

劉旭 大勇

摘? 要：車輛在低溫環境行駛過程中，由于駕駛室內外存在一定溫差，擋風玻璃容易起霧甚至結冰，影響駕駛員的視線，因此車輛擋風玻璃電加溫系統成為了現代軍用車輛中不可或缺的一部分。本文根據某公司重型高機動戰術車輛的需求，設計了一種前擋風玻璃電加溫控制系統。該控制系統能夠配合前擋風玻璃電加溫功能使用，保證前擋風玻璃的溫度保持在規定的范圍內，實現擋風玻璃防冰、除冰等功能。

關鍵詞：擋風玻璃;電加溫;控制器

中圖分類號：TJ02? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2022）01-040-05

一、設計背景

隨著科學技術的發展，信息化和科技化成為現代軍事發展的一個重要方向，武器裝備也隨著科學技術的發展有了進一步的革新[1]。武器裝備的性能對現代化戰爭起著重要的作用，因此世界各國的武裝部隊對武器裝備性能的要求越來越高，武器裝備對使用環境要求也越來越苛刻[2]。嚴苛的使用環境主要體現在溫度、振動、濕熱、鹽霧、沙塵、霉菌、電磁干擾等諸多方面，每種環境均對武器裝備和其他軍用產品提出了較高的要求，因此在設計軍用產品時必須要考慮產品所需滿足的使用條件，保證產品在嚴苛的環境下能夠正常工作。

以某公司的重型高機動戰術車輛為例，其要求車輛在低溫情況下能夠正常行駛。在風擋玻璃的使用環境中，低溫是一種比較嚴苛的環境[3]。由于駕駛室內外的溫差，車輛內的熱空氣遇到溫度較低的風擋玻璃后容易起霧甚至結冰，嚴重影響操作人員的視線[4][5]。為解決此問題，該型車輛配備了前擋風玻璃電加溫系統[6]，該系統以電阻絲為加熱元件，以PT 1000熱敏電阻為溫度傳感器，目的是要保證風擋玻璃溫度保持在規定的范圍內，實現風擋玻璃的防冰、除冰等功能。該擋風玻璃電加溫系統需配備特定的控制系統以滿足使用要求，其中控制系統性能指標和所要實現的主要功能如下：（1）控制電源電壓為直流20～28V;加溫電源電壓為直流20～28V;每塊玻璃加溫電流為28A。（2）當玻璃溫度低于20℃±2℃（玻璃溫度由熱敏電阻給定）時開啟加溫，玻璃溫度溫到40℃±2℃時斷開加溫;若超過60℃，自動切斷電源，實現過載保護。（3）若左擋風玻璃熱敏電阻發生短路或斷路故障，控制器輸出左路故障信號，封閉左擋風玻璃的熱敏電阻信號，用右路的溫度代替左路的溫度來控制左擋風玻璃的加溫，反之亦然，從而起到相互保護的作用;若左加溫回路出現故障，控制器則輸出左路故障信號，同時自動隔離左溫度控制通道，左加溫回路不進行加溫，右加溫回路出現故障時亦然。

二、擋風玻璃電加溫系統控制器硬件設計方案

（一）系統框圖

圖1為擋風玻璃電加溫系統控制器硬件框圖，其中控制芯片選取意法半導體公司的STM32F103 VGT6。該擋風玻璃電加溫系統控制器實現的主要功能如圖1所示。

1.自檢功能

在加溫系統控制器通電之后進行自檢，檢查加溫回路是否斷路或過載，然后再檢查熱敏電阻是否短路或斷路。自檢結束后，如果左（右）路出現故障（熱敏電阻故障或加溫回路故障），則要點亮對應的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

2.控制加溫功能

加溫系統控制器通過單片機采集左右兩路熱敏電阻信號，計算出當前擋風玻璃的溫度，當玻璃溫度低于20℃±2℃時即開啟加溫，玻璃溫度加溫到40℃±2℃時即停止加溫;若超過60℃±2℃，即自動保護切斷電源，若處于加溫狀態，則點亮加溫狀態指示燈。

3.故障處理功能

加溫系統控制器通過檢測加溫回路的電流來判斷加溫回路是否發生故障，若左加溫回路出現斷路或過載故障，點亮左故障指示燈，同時自動隔離左溫度控制通道，左加溫回路不進行加溫，右加溫回路出現故障時亦然;若左擋風玻璃熱敏電阻發生短路、斷路故障，點亮左故障指示燈，封閉左風擋玻璃的熱敏電阻信號，由右溫度控制通道控制左風擋玻璃的加溫，反之亦然。

（二）主要功能電路設計

車輛擋風玻璃電加溫控制系統硬件電路主要由單片機最小系統電路、溫度采集電路、過載保護電路等組成。

1.單片機最小系統電路

最小系統電路采用STM32F103VGT6單片機，能夠實現模擬量采集、通信控制與信號處理等功能。

2.溫度采集電路

該電路的作用是采集熱敏電阻兩端的電壓，計算出熱敏電阻的阻值，可以進一步得到玻璃的實際溫度，如圖2所示。

該電路采用三運放差分放大電路，放大電路的輸出電壓U0與輸入電壓UI的對應關系為

U0=1+2××（UI-U1 ）

其中U1為參考電壓。

在圖3中，運放U15B的功能為檢測熱敏電阻故障。根據PT1000熱敏電阻的阻值與溫度的對應關系可以計算出不同溫度下放大電路的輸出電壓。當玻璃溫度為-55℃時，三運放放大電路輸出的電壓為0.6V，而運放U15B輸出的電壓為1.63V;當玻璃溫度為70℃時，三運放放大電路輸出的電壓為3.08V，而運放U15B輸出的電壓為1.87V。可以看出當玻璃溫度在-55～70℃范圍內變化時，三運放放大電路輸出電壓接近滿量程，其變化幅度約為20mV/℃，而檢測熱敏電阻故障的運放U15B的輸出電壓變化并不十分明顯，因此當熱敏電阻沒有故障，玻璃溫度在正常范圍內時，利用三運放放大電路可以比較精確的測量出玻璃溫度。當熱敏電阻處于短路故障時，其阻值為0，此時三運放放大電路的輸出電壓不正常，而運放U15B的輸出電壓約為0.9V;當熱敏電阻處于斷路故障時，其阻值為無窮大，此時三運放放大電路的輸出電壓為接近3.3V，而運放U15B的輸出電壓約為3.1V，因此利用三運放放大電路難以準確判斷出熱敏電阻故障，而利用運放U15B能夠準確的判斷出熱敏電阻的故障情況。

3.電流采集電路

將電流傳感器串聯在加溫回路中，通過電流傳感器將加溫回路中的電流信號轉換為電壓信號，然后通過電壓跟隨器將電壓信號輸送至ADC，將模數轉換結果傳送至控制器，最終實現電流的采集功能。

4.過載保護電路

該電路的作用是當加溫回路出現過載故障時，迅速關斷MOS管，起到快速保護的作用。過載保護電路原理，如圖3所示。

電流霍爾芯片的輸出信號除了用于計算加溫回路電流之外，另一個作用是接到過載保護電路中的比較器上，在該電路中，比較器的參考電壓為0.96V，對應的電流保護點為38A。當加溫回路電流超過38A時，電流霍爾芯片的輸出電壓低于0.96V，使得比較器的輸出由低電平變為高電平，光耦由截止變為導通，光耦的副邊會產生下降沿，將與光耦相連的單片機引腳設置為下降沿中斷模式，此時會觸發單片機外部信號下降沿中斷，在中斷程序中將MOS管關斷。

三、擋風玻璃電加溫控制器系統軟件設計

擋風玻璃電加溫控制器系統的軟件總體部分按照所實現的功能進行設計，主要包含加溫回路檢查程序、判斷溫度控制加熱程序、加溫回路故障處理程序、熱敏電阻故障處理程序等。

（一）加溫回路檢查程序設計

加溫回路檢查程序流程，如圖4所示，風擋玻璃加熱溫控器上電后，首先開通MOS管和繼電器，即開通加溫回路，加溫回路中電流若小于3A，則認為加溫回路斷路;若過載保護信號產生下降沿，引起外部中斷，此時加溫回路電流超過了40A，則認為加溫回路過載。然后在開通MOS管關閉繼電器、關閉MOS關開通繼電器和關閉MOS關和繼電器三種情況下檢測加溫回路中的電流，若電流大于3A，則認為繼電器或MOS管或兩者均短路。如果左（右）路加溫回路出現斷路或過載故障，則要點亮對應的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

（二）熱敏電阻檢查程序設計

熱敏電阻檢查程序流程：首先讀取熱敏電阻故障信號的電壓值，若采集到的熱敏電阻故障信號電壓高于2.03V，系統認為熱敏電阻斷路;若采集到的熱敏電阻故障信號電壓低于1.37V，系統認為熱敏電阻短路。如果左（右）路熱敏電阻出現短路或斷路故障，則判斷右（左）路熱敏電阻是否也發生短路或者斷路，若右（左）路沒有短路或者斷路，則用該路的溫度代替左（右）路的溫度，同時點亮左（右）路的故障狀態指示燈;若兩路熱敏電阻同時短路或者斷路，則斷開兩路加溫回路，即關閉MOS關和繼電器，并點亮左右兩路故障狀態指示燈。

（三）判斷溫度控制加熱程序設計

判斷溫度控制加熱功能程序流程：在左右兩路熱敏電阻不同時故障，且加溫回路不存在故障的情況下，系統根據檢測到的溫度值，控制加熱狀態：當玻璃溫度低于20℃±2℃時即開啟加溫，玻璃溫度加溫到40℃±2℃時即停止加溫，即關斷MOS管;若超過60℃，即自動保護切斷電源，即斷開繼電器。若處于加熱狀態，則點亮加熱狀態指示燈。

（四）加溫回路故障處理程序設計

加溫回路故障處理功能程序流程，如圖5所示。當系統檢測到電流之后，首先判斷加溫回路的過載保護信號是否產生，若已經產生，則說明加溫回路發生過載故障，系統斷開加溫回路，即關閉MOS管和繼電器。

若過載保護信號沒有產生，則系統判斷加溫回路電流是否小于3A，若電流小于3A且繼電器和MOS管均處開通狀態，則說明加溫回路發生斷路故障，系統斷開加溫回路，即關閉MOS管和繼電器。

若以上故障均不存在，則系統檢測MOS管和繼電器的開關狀態和加溫回路的電流，若MOS管和繼電器沒有同時開通但電流大于3A，則認為繼電器或MOS管或兩者均短路，此種情況下系統斷開加溫回路，即關閉MOS管和繼電器。如果左（右）路加溫回路出現斷路或過載故障，則要點亮對應的左（右）故障指示燈，若無故障，則故障指示燈熄滅。

（五）熱敏電阻故障處理程序設計

熱敏電阻故障處理程序：系統按照自檢過程中的步驟檢查左（右）熱敏電阻是否發生故障。若左（右）路熱敏電阻發生短路或者斷路，先判斷右（左）路熱敏電阻是否也發生短路或者斷路，若右（左）路沒有短路或者斷路，則用該路的溫度代替左（右）路的溫度，同時點亮左（右）路的故障狀態指示燈。若兩路熱敏電阻同時短路或者斷路，則斷開兩路加溫回路，即關閉MOS關和繼電器，并點亮左右兩路故障狀態指示燈。

四、試驗驗證

根據系統性能指標及功能要求，搭建了控制系統模擬試驗測試環境。將前擋風玻璃置于高低溫箱中，利用高低溫箱模擬系統使用環境（溫度區間為-45～20℃），在玻璃表面均勻設置9個測溫點，利用熱電偶實時采集玻璃表面溫度。玻璃表面溫度隨時間變化趨勢（使用環境為-20℃），如圖6所示。

試驗證明該控制系統能夠滿足使用要求。在環境溫度穩定狀態下，控制系統能夠有效地控制電加溫功能，當表面溫度低于20℃±2℃時電加溫功能起動，當表面溫度高于40℃±2℃時電加溫功能停止，使得玻璃表面溫度基本穩定在18～40℃，并且表面未出現冰霜現象。

五、結論

根據某重型高機動戰術車輛的需求，設計了一種應用于該型車輛的前擋風玻璃電加溫控制系統。該控制系統以PT1000熱敏電阻為溫度傳感器，將電阻絲作為加熱元件，能夠實時的檢測擋風玻璃的溫度，并根據溫度控制加溫系統，實現車輛擋風玻璃的除霜除冰等功能，保障駕駛員的視線不受干擾。經試驗測試該控制系統工作穩定、性能良好、使用方便，能夠較好的實現前擋風玻璃的除霜除冰功能。

參考文獻：

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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

編輯 鄭晶