基于单片机控制技术的飞机轮胎充气装置设计
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作者:王建 李小跃 张管荣 王士岩 刘旭
摘要：为了解决某型飞机轮胎充气过程繁琐、费时费力、效率不高、安全性不好等问题，设计了一种基于单片机控制技术的飞机轮胎充气装置。本文介绍了该充气装置的结构组成及充气原理，针对旧充气装置反复充气才能完成充气工作的不足，设计了单片机控制程序，使飞机轮胎充气时不用反复拆卸充气设备，整个充气过程一气呵成，更加安全、方便、块捷。
关键词：飞机轮胎充气；单片机；触控显示器；电动活门
Keywords：aircraft tire inflation；single chip microcomputer（SCM）；touch display；electric valve
飞机在更换轮胎后或轮胎气压值低于标准值时必须给轮胎充气[1]。目前，某型飞机轮胎充气时，氮气瓶与轮胎充气嘴直接连接，且没有与该型飞机轮胎充气嘴匹配的接口。机务人员只能用不匹配的充气接口用力按接轮胎充气嘴进行充气，充气过程中凭经验估计充气量，再用胎压表测量轮胎气压值。若胎压不足，则继续充气；若胎压超过规定值，则进行放气。如此反复数次才能完成轮胎的充气工作，整个过程繁琐、费时费力、效率低。而且直接使用氮气瓶进行充气，充气压力过高，有极大的安全隐患。
文献[2]介绍了一种基于压力自动监测的飞机轮胎充气装置，该装置使飞机轮胎充气过程全部自动化，但只适用于有反馈压力值的飞机轮胎，不适用于只有一个充气接嘴的某机型飞机轮胎。本文根据该机型飞机轮胎特点，参考文献[3]、[4]、[5]、[6]中轮胎充气装置的设计方法，采用单片机综合控制、触控显示、压力采集、电动活门控制等技术，设计了该型飞机便携式飞机轮胎充气装置。
1 充气装置组成及工作原理
1.1 充气装置组成
如图1所示，该充气装置硬件包括单片C控制单元、触控显示单元、电源管理单元、24V锂电池、减压阀门、单向活门、电动活门、自减压阀、压力传感器、放气阀门、三通球阀和压力表等组成，可进行手动充气和自动充气。
进气口：采用两端均为14mm×1.5mm的公头充气转接头，与氮气瓶气管能够匹配连接；减压阀门完成对进气口压力的调节，使输入到充气装置内的气压值稳定；单向活门：防止充气时回流；三通球阀：旋转转换开关可进行气路转换，进而切换手动充气和自动充气；电动活门：接收电源管理单元的控制指令，在进行轮胎自动充气时完成电动活门的状态转换；压力传感器：压力传感器1采集出气口压力，压力传感器2采集进气口压力，并将压力值转换为模拟电压送至单片机控制单元；单片机控制单元：为整个充气装置的控制中心，通过串口完成与触控显示单元的指令交互，通过串口接收电源管理模块送来的电池电量信息，采样处理后送触控显示单元显示，通过I/O接口控制电源管理单元发送控制指令，通过模拟接口采集压力传感器1和压力传感器2送出的模拟电压，并转化成数字信号送触控显示器显示；触控显示单元：完成人机交互的功能，包括检测压力值和输入气压值显示、系统时间更改、触控显示器的亮度调节、检测界面的切换等各种输入指令和输出显示；电源管理模块：将锂电池的+24V供电电压转化成单片机控制单元和触控显示单元所需的稳定电压，并将电池电量信息送给单片机控制单元，同时接收来自单片机控制单元的控制指令，控制电动活门的状态转换；自减压阀：当充气气路压力值高于安全值时自动泄压，安全值可通过调压开关设置；放气阀门：充气完成后，若胎压值过大，应用此阀门进行放气泄压；压力表：手动充气时监测胎压值，自动充气时可与压力传感器1采集的胎压值比对；出气口：采用8mm快卸充气接嘴，可与轮胎充气嘴匹配；充气管路：选用耐压值为25MPa的管路，保证气路安全。
1.2 电动活门
电动活门采用CILTON电动三通球阀，通过电路控制进行Ⅰ状态和Ⅱ状态的转换，如图2所示。接口A与三通接头链接，接口B与压力传感器1链接，接口C与自减压阀链接。当电动处于Ⅰ状态时，接口A关闭，接口B、C接通；当电动处于Ⅱ状态时，接口A、B、C均接通；该电动活门工作压力为32MPa，控制电压为DC24V，响应时间为1s，阀体材质为316L不锈钢。
1.3 单片机控制单元
充气装置的单片机控制单元采用型号为Arduino Mega 2560的SOC单片机。根据文献[7]，Arduino Mega是基于AT Mega 2560的Arduino开发板。它有54个数字输入/输出引脚（其中15个可用于PWM输出），16个模拟输入引脚，4个UART TTL（5V）通信串口，1个16MHz的晶体振荡器，1个USB接口，1个DC接口，1个ICSP接口，1个复位按钮。同时，还具有256kb Flash存储空间（其中8kb被用于存储引导程序），8kb的SRAM和4kb的EEPROM。
其中，与电源管理模块的通信采用一个I/O数字输入输出引脚和一个UART TTL（5V）串口。I/O数字接口负责管理电源管理模块对电动活门的控制。当I/O数字接口输出低电平时，电源管理模块控制电动活门处于Ⅰ状态；当I/O数字接口输出高电平时，电源管理模块控制电动活门处于Ⅱ状态。 UART TTL（5V）通信串口负责接收电源管理模块输出的电池电量信息；与触控显示单元的通信采用UART TTL（5V）串口，主要用于收发人机交互的控制指令和显示数据；与压力传感器的通信主要采用模拟输入引脚，主要用于接收压力传感器1和压力传感器2送来的气压值模拟电压，对模拟电压进行采样、量化，转换成气压值数字量，最后送触控显示器显示。
1.4 触控显示单元
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