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1、飞机空调状态监测系统设计与实现 刘贺 于鸿彬 侯立国 雷贻文 天津工业大学机械工程学院 北京飞机维修工程有限公司 摘 要： 提出了一种基于 AVR 单片机的飞机空调监测系统设计。该系统利用了单片机技术、VB.NET 编程语言和数据库技术, 通过对飞机空调关键点温度与压力数据的采集、存储、读取和分析, 实现了对飞机空调系统的全面监测。系统对监测结果进行分析, 结合专家数据库的相关数据, 显示空调系统当前状态、诊断系统故障和确定故障所在位置, 为技术人员进行下一步检修工作提供有效依据, 提升检修效率。关键词： 飞机空调; 状态监测; AVR; 单片机; 专家数据库; 无线网络; 作者简介：刘贺 (
2、1987) , 男, 天津工业大学研究生在读, 主要研究方向为数字化设计与制造。收稿日期：2017-07-19Design and Realization of the Aircraft Air Conditioning Monitoring SystemLiu He Yu Hongbin Hou Liguo Lei Yiwen School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University; Beijing Aircraft Maintenance and Engineering Corporation; Abstract：
3、Presenting one design of the airplane air conditioning monitoring system based on AVR single chip microcomputer. The system uses the SCM technology, VB.NET programming language and database technology.Through collecting, storing, reading and analyzing the air conditioning key point temperature and p
4、ressure data, the system achieves the comprehensive airplane system monitoring. The system analyzes the monitoring results and combines the relevant data of the expert database to show the current status of the air conditioning system, diagnose the system fault and determine the location of the faul
5、t, providing the effective basis for the next maintenance work of the technical personnel, and improving the maintenance efficiency.Keyword： airplane air conditioning; monitoring; AVR single chip microcomputer; expert database; wireless network; Received： 2017-07-19引言保障飞机上工作人员和乘客的安全与舒适, 为机载电子设备提供正常的
6、工作环境, 这两方面是飞机空调系统的重要作用。随着新技术的使用, 机上电子设备大量增加, 功率不断加大, 对飞机空调系统的要求越来越高。因此, 飞机空调系统的运行安全十分重要1。目前, 技术人员在对飞机空调系统进行检修时, 大多采用技术人员经验和监测技术结合的方式, 判断飞机空调系统运行状态是否平稳, 判断飞机空调系统是否发生故障, 以及判断故障所在位置和故障类型。其中大部分对空调状态的监测, 止于数据的采集和读取, 技术人员对监测到的数据进行人工分析, 提出系统状态诊断意见, 其中, 多数采用有线的方式采集数据。1 方案设计系统由数据采集卡、传感器、WIFI 无线网络、服务器和显示终端五部分
7、组成。其中服务器和显示终端可以放在同时具备两个功能的同一设备上, 例如:笔记本、平板电脑。传感器用于温度和压力信号的采集。数据采集卡是数据采集过程的核心, 数据采集卡基于 8 位 AVR 单片机, 3.7 V 锂电池供电, 用于采集传感器上获取到的信号, 并对信号进行转换, 将数据通过无线网络发送到服务器上。系统采取的是基于 WIFI 无线网络传输方式, 无线网络起到一个信号传递桥梁的作用。服务器用于数据的存储与分析。显示器用于技术人员直观的观察到系统数据信息。状态监测系统的整体设计方案如下图 1 所示。图 1 系统结构示意图 下载原图监测系统的工作流程是:首先, 将传感器固定在测量点处, 单
8、片机系统通过传感器采集信号。其次, 将采集到的信号进行转换与处理, 通过 WIFI 无线网络, 将数据传输到服务器, 存储到数据库中, 显示装置可以显示系统中的数据。最后, 系统服务器会对数据库中的数据进行分析处理, 达到监测飞机空调系统运行状态的目的。2 数据采集卡设计与制作数据采集卡的优劣直接关系到监测数据的准确性与实时性, 最终影响监测结果, 因此, 合理的设计采集卡电路, 细心的制作电路板, 对于监测系统至关重要。数据采集板由单片机、信号放大模块、可充电电源、充电模块、变压模块、无线传输模块和三种传感器组成。将这些模块经过设计与计算集成在一起, 构成了数据采集板的硬件部分2。数据采集卡
9、的结构如下页图 2 所示。2.1 单片机的选择和信号放大模块数据采集板采用的是一种高性能、低功耗的 8 位 AVR 单片机, 型号为ATmega8A-AU。Flash (系统可自编程) 8KB, EEPROM (系统可编程) 512B, 1KB片内 SRAM, 工作电压 2.75.5 V。选择此款单片机无论从内存和供电方面都能够很好的满足系统需求。单片机将采集到的温度和压力信号, 经过信号的转换, 通过无线传输模块传输到服务器。图 2 数据采集卡结构示意图 下载原图温度与压力的采集采用了三种传感器, 其中热电偶和压力传感器获得的信号范围很小, 必须经过放大处理, 经过放大才能明显地感受到信号的
10、变化, 放大模块采用的是以 TLC27L4BID 为核心的两路放大电路, 因为放大倍数在几百倍, 所以每一路都采用了两次放大的方式, 每次放大的倍数控制在 50 倍以下, 两路均放大 3020=600 倍。信号放大模块如图 3 所示。图 3 电路放大模块电路图 下载原图2.2 电源的设计飞机空调监测系统采用的是无线监测的方式, 则数据采集卡的供电采用了独立供电的方式, 不需要外接电源, 监测系统用 1 节 3.7 V 可充电锂电池进行供电。电池容量为 1 200 m Ah, 完全可以满足数据采集板的供电需求。为了节省成本和避免经常更换电池, 电源需要选择可反复充电的充电电池, 本监测系统采用了
11、以芯片 TP4057 为核心的电池充电模块, 用 5 V 外部电源在数据采集板上通过电池充电模块直接给锂电池进行充电。TP4057 适用于单节锂电池充电器, 带电池正负极反接保护, 采用恒定电流/恒定电压线性控制, 适合于日常的手机充电电源, 充电器的通用性较强, 芯片本身还具有许多自身的优势。采用 TP4057 充电芯片能够很好的完成对 3.7 V 锂电池进行充电的需求。电源提供的输出电压为 3.7 V, 单片机、放大模块、无线模块、压力传感器均需要 3.3 V 供电, 这样就需要增加一个变压模块, 将锂电池提供的 3.7 V 电压转化为 3.3 V 的输出电压, 给其他模块供电, 变压模块
12、采用了型号为XC6206P332MR (662K) 的稳压芯片, 输出电压为 3.3 V, 根据其他模块用电量的计算, 采取三个稳压模块并联的方式进行采集板的 3.3 V 供电。2.3 无线传输模块与三种传感器的选择无线模块的选择。系统采用低功耗小尺寸的型号为 USR-WIFI232-T 无线 WIFI 模块, 来实现数据的无线传输。USR-WIFI232-T 超低功耗嵌入式 WIFI 模组提供了一种将用户的物理设备链接到 WIFI 无线网络上的解决方案, 它是一款集成了所有 WIFI 功能的小巧模块, 易于焊接在监测数据板上, 模块配有特制的焊盘和外接天线器, 适用于各种外置天线的应用。压力
13、传感器的选择。监测压力选用了 XGZP 型压阻式压力传感器, 该压力敏感芯片由一个弹性膜及集成在膜上的四个电阻组成, 四个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构, 当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。温度传感器的选择。在工作过程中, 根据热交换器周围管路温度范围的不同, 监测温度采用了热电阻和热电偶两种传感器, 两种传感器的温度监测范围不同。热电偶选用 K 型螺钉式热电阻, 工作量程为 0600。热电阻采用 NCT 型温度传感器, 耐高温 200。热电偶传感器得到的信号需要进行放大处理, 热电阻得到的信号不需要进行放大处理。下页图 4 为数据采集卡与夹具实物图。
14、2.4 单片机程序的编写电路设计完成后, 根据数据采集卡的电路图, 编写 AVR 单片机 C 语言控制程序, 控制 AVR 单片机, 程序要求简洁、结构清晰、易读, 方便以后修改。最终, 使数据采集卡实现数据采集的功能。3 专家诊断系统设计3.1 飞机空调系统状态监测方案随着飞机累计飞行时间的不断增加, 飞机空调系统中关键部件的性能也会有下降的趋势, 飞机空调系统的整体性能也会有所下降。针对这一问题, 在飞机检修工程中, 提出了监测飞机关键点的参数信息, 来判断飞机空调系统的运行状态, 也可以根据监测到的单点数据, 来预测下一点数据的数值, 给技术人员提供参考依据, 及时对预知的性能下降做好应
15、该工作。图 4 数据采集卡与夹具实物图 下载原图文中从两个方面来对飞机空调系统进行了性能分析与诊断, 分别为单点分析与诊断、多点分析与诊断。单点分析与诊断:针对飞机空调系统单个关键点进行分析与诊断, 根据国航的标准与实验数据, 在一定运行条件下, 每个监测点都有自己的正常工作范围, 如果超出工作范围, 则该点的相关空调部件发生异常, 显示异常情况, 提示技术人员, 技术人员接到提示后, 及时进行处理。多点分析与诊断:根据多个点来分析和判断空调系统的故障更加准确, 对飞机空调系统中的几个点同时进行分析, 与民航标准和专家知识进行对照, 确定飞机空调系统是否发生故障和故障类型。图 5 为空调运行状
16、态诊断分析流程图。图 5 空调运行状态诊断分析流程图 下载原图3.2 方案的实现基于 SQL Server2012 数据库软件建立专家数据库, 将民航标准、专家知识和实际测量经验三者相结合建立单点专家库和多点专家库。单点专家库的建立, 能够体现空调关键点的允许工作范围, 也能够体现监测数据与边界值之间的接近程度, 这样可以帮助工作人员做出更有层次的判断。多点专家库的建立, 则能够体现多个监测点同时超出标准时的故障类型, 判断更加准确3。根据具体的情况, 技术人员也可以对专家数据库里的内容进行更改, 能够更加灵活、更加准确地与监测对象的实际情况相结合4, 见表 1、表 2。表 1 单点专家库诊断示意图 下载原表 表 2 多点专家库诊断示意图 下载原表 对于监测数据的预测, 系统中采用最小二乘法的数据处理方法进行预测, 对监测到的数据进行曲线拟合, 得到拟合方程, 可以预判下一个监测周期时刻或者指定时刻, 单个监测点的参数情况, 可以指导操作人员提前采取措施。对飞机空调系统的
