一种多功能航空智慧桌板的设计与实现*

李国强 王泽淏 唐昊 张家斌 翟佳俊 魏也 张梦晴中国民航大学电子信息与自动化学院 天津 300300

引言

基于飞机上的桌板功能单一，破损后存在难以更换，且换货周期等长对乘客和航空公司带来困扰的现实情况，本设计结合当下3D打印技术，利用SolidWorks进行建模并选择环保可靠的耗材打印出桌板，能够快速的替换已损坏的桌板，十分便利。同时，随着航空的安全标准的不断提高，本设计就该桌板如何有效延长使用寿命、降低使用风险、提高使用舒适度进行了相关探讨。

随着2020年以来国内外新冠疫情的日益加重，为保障每位乘客的身体健康，本设计在桌板内部加入非接触式红外测温系统，用以筛查出新冠病毒的潜在感染者。该系统以STM32单片机作为中心控制元件，结合MLX90614红外测温模块，蜂鸣器，WT588D语音芯片，HC-05蓝牙模块等器件，实现温度的测量和语音播报，以及数据的无线传输等功能。该测温系统具有简单可靠，成本较低，测量精准等优点，同时在疫情防控方面可以发挥一定的作用[1]。

1 航空智慧桌板的设计

1.1 桌板建模

本次3D打印模型的设计主要选择了SolidWorks三维制图软件进行绘图制作。桌板的总体结构如图1所示。

图1 桌板模型及其部件示意图

经过调查研究和系统测量比对，主力机型的飞机经济舱座椅前后间距约为70cm，根据具体空间需求所设计的可折叠小桌板，节省空间。同时为满足乘客们的日益增长需求，提高出行体验，该桌板配有防止洒出的水杯安置处，还对桌角进行倒角处理，提高安全系数。同时在桌面结构的几何中心留有凹槽，放置能够红外测温和无线传输的智能互联设备。

1.2 打印材料的选择

传统的3D打印材料有PC，PLA，ABS，聚丙烯，尼龙等,原型产品的材料选择上需考虑：功能性上达到乘客的基本使用需求；安全性上使用时不能对人员产生危害且回收时不会对环境造成影响；需具备一定的可维修性，使损坏桌板能够恢复功能；同时需控制材料的成本。

根据PLA材料为新型生物降解材料，具备环保性能；可用再生的植物资源所制成，保证其成本较低；机械性能和物理性能良好，保证其在规定条件下可以执行所需功能；具有良好的抗拉强度和延展度，加工方式多样，可满足不同需求的桌板制造。

因此，本文择优选择了PLA材料制作原理模型。

2 桌板的受力仿真

2.1 桌板受力仿真流程

输入材料参数→输入桌板模型→网格划分→有限元求解→输出等效弹性应变、总变形、等效应力→判断是否满足要求，若满足则导出现有数据；若不满足则重新输入材料。

2.2 静载荷分析

2.2.1 试验目标。测试桌板在静载荷状态下结构强度是否满足需求。

2.2.2 试验假设。①考虑到飞机只有在巡航模式下可以打开桌板，故实验环境为巡航模式；②飞机在巡航模式下受到重力；③桌板处于正常使用情况。

2.2.3 流程说明。

2.2.3.1 结构分析。

①约束添加：在分析设置中，向在固定夹具处添加固定约束以及标准地球重力g=9.80665m/s；

②载荷添加：考虑到实际的使用环境，添加作用于桌板的均布载荷P=500N。

2.2.4 静载荷结果分析。等效弹性应变、中变形、等效应力如图2所示。

图2 静载荷分析结果

等效弹性应变是材料塑性变形的度量，从等效弹性应变的受力云图中可以看出桌板的整体受力处于较安全的状态；总变形是指结构在受到载荷作用下产生的位移量，将该模型在x轴、y轴、z轴的受力进行矢量叠加后便得到总变形，从图中可以看出桌板在固定夹具与桌板的连接处的总变形较大，说明连接处应该重点强化链接。其次在桌面远离固定夹具的一侧的总变形同样较大，也应着重设计，保证正常使用的安全性和可靠性；等效应力是x、y、z三项主应力的总和。在分析的时候需要用等效应力来将3个主应力进行转化。由等效应力的分析图可知,在该受力情况下的状态较为安全。

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2.3 振动分析

2.3.1 实验目标。

测试桌板在振动状态下的结构强度是否满足需求。

2.3.2 试验假设。①考虑到飞机只有在巡航模式下可以打开桌板，故实验环境为巡航模式；②飞机在巡航模式下，在其他受力不变情况下，收到振动扰动；③桌板处于正常使用情况。

2.3.3 流程说明。

2.3.3.1 结构分析。①约束添加：两端固定约束，标准地球重力g=9.80665m/s；②振动添加：选取三个不同的激励点位置，分别为桌板中点、边缘和随机一点，并改变其振动频率；③桌板结构在简谐波激励时稳态有限元方程可表示为下式：

其中：M、C、K分别表示结构的刚度矩阵、阻尼矩阵、质量矩阵；为节点加速度；为节点速度；u为节点位移；f（t）为外激励载荷向量。

2.3.4 振动结果分析。随振动频率增加，桌板总变形变化趋势，如图3所示。

图3 不同振动频率下桌板的形变图

图4 振动结果分析

对该模型在不同位置施加作用点的方式进行分析，首先影响振动的主要因素有损耗因子、板厚、边界条件、激励点位置等因素，首要因素为损耗因子；激励点位置的不同会激起不同的模态，导致频率点的增减[2]。在施加多次不同频率及不同激励点的振动后，图4为不同频率对应的形变云图；图5为等效应力、定向变形、法向弹性应变云图，模型各坐标点的变形及受力由蓝色至红色依次增大，故由图4及图5可以看出：在桌板中央、桌板两侧及桌板远离固定夹具位置出现应变加强点，随着频率增加最强点在桌板上规律移动，应选择性加强。

图5 硬件系统结构框架图

3 硬件电路设计

3.1 硬件总体结构框图

该系统的硬件模块由以下几个部分组成：STM32单片机控制模块、红外测温功能模块、语音广播模块、无线传输模块和人机交互模块。其中，MCU采用STM32F103最小控制系统，红外测温模块采用MLX90614红外温度传感器，语音广播采用WT588D模块，无线传输采用HC-05蓝牙模块，人机交互模块包括LCD1602液晶显示屏、蜂鸣器和按键。按键后设置测量温度范围，温度测量后由红外温度传感器通过STM32单片机读取数据，然后一方面通过LCD1602显示温度和语音，另一方面通过HC-05蓝牙模块传输温度数据，连接手机或电脑，如果温度超过设定阈值，蜂鸣器报警提醒[3]。硬件系统结构框架图如图5所示。

3.2 红外测温

3.2.1 红外测温原理。处于绝对零度以上的物体由于其内部存在各类带电粒子的运动，会向外界辐射不同波长的电磁波，辐射波的波长涉及紫外线、可见、红外线光区，但绝大部分位于0.8～15μm的红外区内。物体红外辐射能量的大小按其辐射波的波长而分布， 与其表面的温度有着直接关系。所以通过测量物体自身向外界辐射的红外能量，就可以准确地测量其表面的温度， 这就是红外测温的基本原理[4]。

3.2.2 红外测温模块。MLX90614红外测温模块是一组市面上通用的红外测温模块，传感器供电电压为3～5V，非接触式温度测量范围为-40摄氏度至+380摄氏度，测量分辨率高达0.1℃，响应时间为0.5s，被测目标和环境温度可以通过单通道以PWM或可编程SMBus输出[5]。得益于其非接触、体积小、精度高等特点，该传感器广泛用于汽车空调、室内暖气、家用电器、手持设备以及医疗设备之中[6]。

3.3 语音播报模块

本设计采用WT588D语音芯片作为语音播报报警模块。WT588D芯片是广州微创科技有限公司开发的一款功能强大的可重复擦除和烧录语音单片机芯片[7]。相应的软件操作方式简单易懂，与语音组合技术相匹配，大大缩短了语音编辑时间。通过下载器将WT588D语音芯片的电路重置为相关联的SPIFlash下载信息，可以更新最新下载的控制方式[8]。 WT588D语音芯片他是通过外部的mini下载器下载相应的语音文件，然后生成地址[9]。在启动该系统时，单片机第一时间进行温度检测，同时发送指令给WT588D，然后通过喇叭将测量的温度进行语音播报。

3.4 无线传输模块

无线传输模块采用HC-05蓝牙串口模块，HC-05是具有近距离无线连接、低功率、微耗的主从一体的蓝牙串口模块，该模块可以与3.3V或5V的单片机兼容；支持的波特率在4800到1382400之间；工作温度为-25℃～75℃；空旷地通信距离为10m[10]。该模块可与电脑、手机和蓝牙主机通过串口通信配对，当模块处于连接状态时，将自动根据事先设置好的连接方式就行数据传输[11]。

3.5 人机交互模块

人机交互模块主要包括LCD1602液晶显示器、蜂鸣器和按键。液晶显示当前检测温度和温度报警范围；当温度低于或高于我们设定的值时，蜂鸣器发出报警；按键设置温度报警的上限和下限；按存储键存储当前温度值或查看当前存储的温度值。

4 软件电路设计

系统开发环境为Keil5,软件的设计主要包括元器件的初始化，温度测定和蓝牙播报与传输等。系统基于STM32单片机，整个系统利用STM32单片机的串口通信来实现不同模块之间的协调与合作，在此过程中，第一步实现各个模块的初始化，第二步进行按键选择，第三步实现对具体任务的执行，分别为温度测定，语音通报和蓝牙传输[12]。系统开始工作后，首先配置STM32的引脚，进而进行MLX90614和LCD1602的初始化，判断按键是否触发，按键按下时，触发传输信号发送到红外测温模块进行测温，并将测温数据传输到输出端，在显示模块上显示测量温度，并通过语音播报模块进行温度播报和通过蓝牙模块进行实时传输测量数据。

5 红外测温功能的测试及分析

完成该系统硬件和软件的设计后，对各个模块进行焊接并进行调试。经调试，红外测温，LCD1602温度显示，语音温度播报，蜂鸣器报警与蓝牙数据传输等功能基本实现。同时我们对红外测温的精度进行了测试与分析[13]。实验采取对照实验法，重点控制无关变量，保证了实验的准确性与科学性。先分别用MLX90614温度传感器和水银温度计对人体的手肘进行测温，手肘夹住水银温度计，等待其读数稳定，拿起水银温度计的瞬间同时进行红外测温，防止手肘打开后温度变化对实验造成影响，测量结果如表1所示。

表1 红外测温与水银温度计对手肘的温度测量结果（单位：℃）

通过分析本实验数据可知：红外测温得到的温度比水银温度得到的温度低，差值为0.06℃，这说明红外测温的结果可靠；红外测温得出数据的时间明显少于水银温度计测量得出数据的时间，在速度上红外测温具有很大的优势。此外，红外测温系统存在测量精度不够高和稳定性不够好，实验条件相对简单等情况。同时，由于实验条件有限，该航空桌板所选择的PLA材料热稳定性不够好，本系统还有很大的改进空间。

6 结束语

本设计选择PLA为3D打印材料，打印出具有多功能的航空桌板，具有较好的经济性，安全性，环保性。同时对桌板模型进行了系统的ANSYS力学分析，模拟在飞机不同的飞行状态测试其是否能够工作在稳定状态，为其后续适航性提供一定有效参考数据。非接触式红外测温系统可实现对乘客的体温的测量。也能够进行温度的语音播报以及数据的无线传输，可满足新冠疫情常态化下的基本监测和实时采集需要，有较好的应用价值。下一步工作计划将在实际飞行过程的真实环境下进行系统测试，验证仿真数据的有效性。