軌道交通用智能語音自動加液車的設(shè)計與研制

南京公交集團(tuán)·新城現(xiàn)代有軌電車有限公司 常歡慶

軌道交通行業(yè)中的加液車，用來給車身蓄電池組循環(huán)加注去離子水。國內(nèi)軌道交通行業(yè)目前使用SAFT加液車（法國進(jìn)口）的較多，隨著使用時間的推移，加液車的元件老化，進(jìn)口配件采購周期冗長（有的配件已被市場淘汰），極大影響了軌道車輛的運維和生產(chǎn)，因此，研究設(shè)計一款適合國內(nèi)軌道交通行業(yè)使用的蓄電池加液車非常必要。

1 智能語音自動加液車功能特點

新研究設(shè)計的基于Cortex內(nèi)核芯片控制的軌道交通用“智能語音自動加液車”功能特點如下：

（1）使用漢顯液晶模塊作為顯示器，機(jī)器運行狀態(tài)顯示直觀，不需查手冊。

（2）使用渦輪雙感電磁流量計，最高計量精度可達(dá)±1%。

（3）機(jī)器所有設(shè)置參數(shù)均為開放狀態(tài)，可手動修改。

（4）“實時計量”功能：可以在顯示器上顯示實時加液數(shù)值。

（5）“定量計量”功能：可以設(shè)定加液數(shù)值，計數(shù)值等于定量值，自動停止。

（6）“狀態(tài)語音”自動播報功能：機(jī)器運行狀態(tài)切換、按鍵操作等均有語音提示功能，音量高低可調(diào)。

（7）可通過USB數(shù)據(jù)線更新語音、機(jī)器程序。

（8）所有電路元件和主要部件均為國產(chǎn)，實現(xiàn)了機(jī)器全國產(chǎn)化。

（9）可選擇4米、6米、10米等水管長度，系統(tǒng)有不同的壓強(qiáng)補(bǔ)償。

（10）可選擇“冷卻液”“潤滑油”或“稀釋油”等非粘稠的液體，解決機(jī)器的功能單一問題。

（11）后備電池可以選擇“鉛酸密封”“三元鋰電”“磷酸鐵鋰”等蓄電池；充電方式有“均充”“浮充”“涓流”等多種充電模式自動切換，無需人為干預(yù)。

（12）充電使用數(shù)控恒流控制模式，單片機(jī)實時采樣充電電流和蓄電池電壓，使用DAC調(diào)整電壓，控制充電電流，延長蓄電池壽命。

（13）蓄電保護(hù)功能：當(dāng)蓄電池饋電后，機(jī)器自動休眠保護(hù)，以提高后備蓄電池的使用壽命。

（14）具有“運行記錄”記憶功能，可對機(jī)器的使用維護(hù)等情況進(jìn)行追蹤。

（15）使用45度錐形玻璃界面的紅外傳感器檢測液位，最高精度±1毫米，精確反饋加液狀態(tài)。

（16）使用Cortex-M3內(nèi)核ARM芯片作為主控，運行自研嵌入式軟件，機(jī)器運行狀態(tài)判斷靈敏、準(zhǔn)確，響應(yīng)及時。

2 新加液車電路結(jié)構(gòu)與單元模塊功能、裝置構(gòu)件

2.1 電路結(jié)構(gòu)

基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片控制的多功能智能語音自動加液車（下稱加液車），其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 單元模塊功能

（1）液晶顯示部分：為加液車的顯示器，采用漢顯LCM點陣模塊，可以實時顯示加液車的運行狀態(tài)、參數(shù)、計量值、電池電壓、電流、日期時間等。

（2）按鍵人機(jī)操作：為加液車的按鍵輸入啟動控制等按鍵操作模塊，通過按鍵可輸入機(jī)器參數(shù)、啟動/暫停加液過程、切換顯示界面等。

（3）語音存儲播報：為加液車的狀態(tài)語音存儲以及播放單元，可以直接驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦，可像U盤一樣修改存儲的語音信息。

（4）記錄存儲查詢：為加液車運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄存儲部分，其內(nèi)部通過USB-UART轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)實現(xiàn)通信。通過上位機(jī)軟件讀取存儲在Flash芯片中的數(shù)據(jù)信息，可查詢機(jī)器的液體加注量、蓄電池充放電及維護(hù)、機(jī)器運行故障等信息。

（5）電池后備供電單元：為加液車的供電單元，該電池可以是“鉛酸密封”“三元聚合物鋰”“磷酸鐵鋰”等蓄電池。

（6）市電充電管理單元：為加液車數(shù)控恒流充電單元，它通過單片機(jī)及閉環(huán)回路實現(xiàn)數(shù)字控制，為機(jī)器后備蓄電池提供充電管理功能。

（7）單片機(jī)系統(tǒng)控制部分:為加液車的控制核心，采用Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片控制；通過外部傳感器及內(nèi)部的ADC、DAC、PWM、SPI、GPIO等外設(shè)模塊，與外部的各個部件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.3 裝置構(gòu)件

（1）儲液箱是儲液裝置，存儲的可以是冷卻液、稀釋油等液體。通過一個裝有過濾接頭（過濾器A）的防爆水管與加液泵進(jìn)水口相連。

（2）加液泵是液體加注的動力源。根據(jù)液體的不同，更換不同的泵種。它受單片機(jī)PID閉環(huán)控制，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，提供恒定的水壓和水流。

（3）流量計是計量液體加注量的渦輪電磁傳感器。它串接在加液泵出水口和加液車出水口之間。通過液體不同流速，輸出不同頻率的方波送給單片機(jī)，從而計量出單位時間內(nèi)加注液體的體積。

（4）連接水管是兩端帶有密封快速接頭，連接加液車和加液裝置之間的管路。針對不同的應(yīng)用場合，管道長度有4米、6米、8米、10米等規(guī)格。

（5）回液閥是裝在連接水管上的一個閘閥，主要作用是用來切斷或打開加液的管道通路，并保持蓄電池等裝置內(nèi)部的壓力不變。

（6）過濾器B是安裝在機(jī)器內(nèi)部的一個過濾裝置，用來濾除蓄電池等裝置內(nèi)的雜物顆粒，防止雜物顆粒進(jìn)入回液箱，在排液過程中污染排液泵膜片。

（7）電磁閥是回液箱的一個進(jìn)氣電動閥門。在給蓄電池等加液過程中，電磁閥關(guān)閉，用于保持回液箱內(nèi)的壓力與蓄電池內(nèi)部的壓力相等；當(dāng)加液完成后，該電磁閥打開，用于給排液泵提供一個進(jìn)氣通道，可以把回液箱內(nèi)的殘液抽走。

（8）液位傳感器是使用紅外光通過45度錐面反射來檢測液位高度的傳感器。當(dāng)回液箱液體未到錐面高度時，紅外光通過錐面反射鏡產(chǎn)生反射，紅外光接收端正常接收到紅外光，而輸出低電平；當(dāng)回液箱液面高度超過紅外光的反射點時，紅外光將在液體中產(chǎn)生折射，紅外接收端不能正確接收到紅外光，而輸出高電平。單片機(jī)通過捕捉這個電平的跳變，來檢測液位的高度。

（9）排液泵用來抽除回液箱中液體。它通過控制回路與單片機(jī)相連，受單片機(jī)PID控制，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，把回液箱中的液體勻速抽到廢液回收瓶中。使用PID控制的好處是，流速恒定不會產(chǎn)生濺液現(xiàn)象。

3 加液車使用控制流程

加液車使用控制流程如圖2所示。

圖2 加液車使用控制流程

4 加液車結(jié)構(gòu)與操作

加液車的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，將加液車推至車身蓄電池組處實施加液，具體見加液車操作面板（圖4）。

圖3 加液車結(jié)構(gòu)圖

圖4 加液車操作面板

本文介紹的智能語音自動加液車采用國產(chǎn)器件制作，完全可以替代進(jìn)口的加液車。

本加液車在保證基礎(chǔ)功能的同時，為實現(xiàn)狀態(tài)警示，增加了狀態(tài)語音播報功能；為延長電池壽命，精確控制充電參數(shù)，增加了數(shù)控恒流充電功能；為解決同體積后備電池容量小，延長機(jī)器使用壽命，增加了支持多種鋰電池功能；為顯示直觀，使用了漢顯液晶顯示功能；為精確控制加液流速，增加了PID恒流加液排液功能；為擴(kuò)展機(jī)器單一加液功能，增加了液種選擇和定量計量功能等。