王建 李小躍 張管榮 王士巖 劉旭

摘要：為了解決某型飛機(jī)輪胎充氣過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率不高、安全性不好等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制技術(shù)的飛機(jī)輪胎充氣裝置。本文介紹了該充氣裝置的結(jié)構(gòu)組成及充氣原理，針對(duì)舊充氣裝置反復(fù)充氣才能完成充氣工作的不足，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制程序，使飛機(jī)輪胎充氣時(shí)不用反復(fù)拆卸充氣設(shè)備，整個(gè)充氣過(guò)程一氣呵成，更加安全、方便、塊捷。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)輪胎充氣；單片機(jī)；觸控顯示器；電動(dòng)活門(mén)

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

飛機(jī)在更換輪胎后或輪胎氣壓值低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)必須給輪胎充氣[1]。目前，某型飛機(jī)輪胎充氣時(shí)，氮?dú)馄颗c輪胎充氣嘴直接連接，且沒(méi)有與該型飛機(jī)輪胎充氣嘴匹配的接口。機(jī)務(wù)人員只能用不匹配的充氣接口用力按接輪胎充氣嘴進(jìn)行充氣，充氣過(guò)程中憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)充氣量，再用胎壓表測(cè)量輪胎氣壓值。若胎壓不足，則繼續(xù)充氣；若胎壓超過(guò)規(guī)定值，則進(jìn)行放氣。如此反復(fù)數(shù)次才能完成輪胎的充氣工作，整個(gè)過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低。而且直接使用氮?dú)馄窟M(jìn)行充氣，充氣壓力過(guò)高，有極大的安全隱患。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種基于壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)的飛機(jī)輪胎充氣裝置，該裝置使飛機(jī)輪胎充氣過(guò)程全部自動(dòng)化，但只適用于有反饋壓力值的飛機(jī)輪胎，不適用于只有一個(gè)充氣接嘴的某機(jī)型飛機(jī)輪胎。本文根據(jù)該機(jī)型飛機(jī)輪胎特點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]、[6]中輪胎充氣裝置的設(shè)計(jì)方法，采用單片機(jī)綜合控制、觸控顯示、壓力采集、電動(dòng)活門(mén)控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)了該型飛機(jī)便攜式飛機(jī)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(jī)控制單元、觸控顯示單元、電源管理單元、24V鋰電池、減壓閥門(mén)、單向活門(mén)、電動(dòng)活門(mén)、自減壓閥、壓力傳感器、放氣閥門(mén)、三通球閥和壓力表等組成，可進(jìn)行手動(dòng)充氣和自動(dòng)充氣。

進(jìn)氣口：采用兩端均為14mm×1.5mm的公頭充氣轉(zhuǎn)接頭，與氮?dú)馄繗夤苣軌蚱ヅ溥B接；減壓閥門(mén)完成對(duì)進(jìn)氣口壓力的調(diào)節(jié)，使輸入到充氣裝置內(nèi)的氣壓值穩(wěn)定；單向活門(mén)：防止充氣時(shí)回流；三通球閥：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可進(jìn)行氣路轉(zhuǎn)換，進(jìn)而切換手動(dòng)充氣和自動(dòng)充氣；電動(dòng)活門(mén)：接收電源管理單元的控制指令，在進(jìn)行輪胎自動(dòng)充氣時(shí)完成電動(dòng)活門(mén)的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jìn)氣口壓力，并將壓力值轉(zhuǎn)換為模擬電壓送至單片機(jī)控制單元；單片機(jī)控制單元：為整個(gè)充氣裝置的控制中心，通過(guò)串口完成與觸控顯示單元的指令交互，通過(guò)串口接收電源管理模塊送來(lái)的電池電量信息，采樣處理后送觸控顯示單元顯示，通過(guò)I/O接口控制電源管理單元發(fā)送控制指令，通過(guò)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(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送觸控顯示器顯示；觸控顯示單元：完成人機(jī)交互的功能，包括檢測(cè)壓力值和輸入氣壓值顯示、系統(tǒng)時(shí)間更改、觸控顯示器的亮度調(diào)節(jié)、檢測(cè)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(zhuǎn)化成單片機(jī)控制單元和觸控顯示單元所需的穩(wěn)定電壓，并將電池電量信息送給單片機(jī)控制單元，同時(shí)接收來(lái)自單片機(jī)控制單元的控制指令，控制電動(dòng)活門(mén)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；自減壓閥：當(dāng)充氣氣路壓力值高于安全值時(shí)自動(dòng)泄壓，安全值可通過(guò)調(diào)壓開(kāi)關(guān)設(shè)置；放氣閥門(mén)：充氣完成后，若胎壓值過(guò)大，應(yīng)用此閥門(mén)進(jìn)行放氣泄壓；壓力表：手動(dòng)充氣時(shí)監(jiān)測(cè)胎壓值，自動(dòng)充氣時(shí)可與壓力傳感器1采集的胎壓值比對(duì)；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(dòng)活門(mén)

電動(dòng)活門(mén)采用CILTON電動(dòng)三通球閥，通過(guò)電路控制進(jìn)行Ⅰ狀態(tài)和Ⅱ狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(dāng)電動(dòng)處于Ⅰ狀態(tài)時(shí)，接口A關(guān)閉，接口B、C接通；當(dāng)電動(dòng)處于Ⅱ狀態(tài)時(shí)，接口A、B、C均接通；該電動(dòng)活門(mén)工作壓力為32MPa，控制電壓為DC24V，響應(yīng)時(shí)間為1s，閥體材質(zhì)為316L不銹鋼。

1.3 單片機(jī)控制單元

充氣裝置的單片機(jī)控制單元采用型號(hào)為Arduino Mega 2560的SOC單片機(jī)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，Arduino Mega是基于AT Mega 2560的Arduino開(kāi)發(fā)板。它有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個(gè)可用于PWM輸出），16個(gè)模擬輸入引腳，4個(gè)UART TTL（5V）通信串口，1個(gè)16MHz的晶體振蕩器，1個(gè)USB接口，1個(gè)DC接口，1個(gè)ICSP接口，1個(gè)復(fù)位按鈕。同時(shí)，還具有256kb Flash存儲(chǔ)空間（其中8kb被用于存儲(chǔ)引導(dǎo)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(gè)I/O數(shù)字輸入輸出引腳和一個(gè)UART TTL（5V）串口。I/O數(shù)字接口負(fù)責(zé)管理電源管理模塊對(duì)電動(dòng)活門(mén)的控制。當(dāng)I/O數(shù)字接口輸出低電平時(shí)，電源管理模塊控制電動(dòng)活門(mén)處于Ⅰ狀態(tài)；當(dāng)I/O數(shù)字接口輸出高電平時(shí)，電源管理模塊控制電動(dòng)活門(mén)處于Ⅱ狀態(tài)。 UART TTL（5V）通信串口負(fù)責(zé)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(fā)人機(jī)交互的控制指令和顯示數(shù)據(jù)；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(lái)的氣壓值模擬電壓，對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣、量化，轉(zhuǎn)換成氣壓值數(shù)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(hào)為T(mén)JC1060X570_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(jī)控制單元通信時(shí)采用TTL（5V）串口，人機(jī)交互界面采用HMI軟件設(shè)計(jì)。

1.5 電源管理模塊

電源管理模塊是控制電動(dòng)活門(mén)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的核心部件（這里只介紹電動(dòng)活門(mén)控制部分），應(yīng)用PORTEL軟件設(shè)計(jì)該電路，如圖3所示。

圖中，J1為電動(dòng)活門(mén)，J2為觸控顯示單元，J6為單片機(jī)控制單元。當(dāng)J6的2號(hào)I/O口輸出高電平時(shí)，可控制TX2-24V開(kāi)關(guān)繼電器內(nèi)3-5、6-8吸合，此時(shí)24V電送入電動(dòng)活門(mén)1號(hào)接口，控制電動(dòng)活門(mén)由Ⅰ狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Ⅱ狀態(tài)。J6的2號(hào)I/O口輸出低電平時(shí)，可控制TX2-24V開(kāi)關(guān)繼電器內(nèi)3-4、6-7吸合，此時(shí)無(wú)24V電送入電動(dòng)活門(mén)1號(hào)接口內(nèi)，控電動(dòng)活門(mén)由Ⅱ狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Ⅰ狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

充氣裝置的自動(dòng)充氣軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。充氣裝置在工作時(shí)，進(jìn)氣口與氮?dú)馄窟B接，出氣口與飛機(jī)輪胎鏈接。打開(kāi)調(diào)壓開(kāi)關(guān)，設(shè)置適合于飛機(jī)輪胎充氣的壓力值，此壓力值由壓力傳感器2采集，經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制單元計(jì)算后送顯示。此時(shí)，電動(dòng)活門(mén)處于Ⅰ狀態(tài)，電動(dòng)活門(mén)A口與三通接頭處于關(guān)閉狀態(tài)，電動(dòng)活門(mén)B口與壓力傳感器1處于接通狀態(tài)，電動(dòng)活門(mén)C口和放氣閥門(mén)處于接通狀態(tài)。在觸控顯示單元上設(shè)置預(yù)充氣的胎壓值，點(diǎn)擊開(kāi)始后，電源管理模塊控制電動(dòng)活門(mén)處于Ⅱ狀態(tài)，電動(dòng)活門(mén)A、B、C口分別與三通接頭、壓力傳感器1、放氣閥門(mén)處于接通狀態(tài)，充氣開(kāi)始。此時(shí)，壓力傳感器1監(jiān)控充氣氣路內(nèi)壓力。充氣一段時(shí)間后，當(dāng)壓力傳感器1采集的充氣氣路壓力值大于預(yù)設(shè)胎壓值+3psi時(shí)，電源管理模塊控制電動(dòng)活門(mén)處于1狀態(tài)。此時(shí)，壓力傳感器1采集輪胎靜態(tài)氣壓值，即輪胎實(shí)際氣壓值。若輪胎胎壓值小于預(yù)設(shè)胎壓值，則說(shuō)明輪胎漏氣，需要進(jìn)一步檢查。若輪胎胎壓值大于預(yù)設(shè)胎壓值，用泄壓開(kāi)關(guān)放氣，直至與預(yù)設(shè)胎壓值相等，此時(shí)充氣完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型飛機(jī)輪胎充氣過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率不高、安全性不好等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的飛機(jī)輪胎充氣裝置，使飛機(jī)輪胎充氣時(shí)不用反復(fù)拆卸充氣設(shè)備，整個(gè)充氣過(guò)程一氣呵成，更加安全、方便、塊捷。

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