气体流量计生产厂家

24小时在线服务
当前位置:2019亚洲杯下注 > 选型手册 >

数字输出型热膜式空气流量计

时间:2018/07/20来源:未知

摘要:针对目前国内数字输出型热膜式空气流量计设计较少的现状,设计了一种基于硅MEMS新型热膜式AFS07空气流量传感器和PIC16F1786微控制器的数字输出型车用空气流量计。详细分析了该空气流量计的工作原理和检测电路、恒温差控制电路的设计,通过PIC16F1786微控制器产生了ECU所需频率范围为1.8~11 k Hz、占空比50%的方波流量信号和频率为19 Hz、占空比可变的矩形波温度信号。在此基础上对样机进行了实验。实验结果表明:该样机实现了对不同流量气体和进气温度的检测,且具有良好的温度补偿功能;同时得出该空气流量计输出信号的周期与其对应信号的输出电压之间呈线性关系。

0引言

空气流量计是电控燃油喷射系统( ECU) 中关键部件,安装在滤清器和节气门之间的进气道上,用于检测发动机的进气量。ECU根据进气量大小、发动机转速以及发动机运行情况等来确定燃油喷射量和点火时间,使得发动机具有一个***佳空燃比[1],从而达到省油和环保的目的。目前,国外对空气流量计的研究比较成熟,其中以热膜式空气流量计为主流; 国内的研究起步较晚,且能够生产数字输出型热膜式空气流量计的企业较少。相关方面的书籍和文献主要以先容模拟输出型、新型空气流量传感器、温度补偿及维修类为主,对设计热膜式空气流量计意义不大[2]。

文中以新型AFS07空气流量传感器和PIC16F1786微控制器为核心设计了一款数字输出型热膜式空气流量计。该空气流量计充分利用单片机内部资源完成了各项功能,有效地降低了生产成本; 同时与模拟输出型相比,其具有更小的测量误差, 更强的抗干扰能力,符合日益严格的排放标准。因此,为数字输出型热膜式空气流量计的设计和维护提供了参考。

1数字输出型热膜式空气流量计的工作原理

空气流量传感器是空气流量计的核心部件,测量精度决定了空气流量计的性能。设计中选用新型AFS07系列热膜式空气流量传感器,它具有功耗低、响应迅速快和测量范围宽等特点。该空气流量计的检测原理是: 通过该膜片表面上的加热电阻Rh进行加热使得与片上环境温度检测电阻Re的温差时刻保持100 ℃ ,加热电阻两侧对称布置了4个流量检测电阻,将流量检测电阻构成二次差分惠斯登电桥。当无气流通过膜片时,加热电阻两边温度呈对称分布,流量检测电桥输出为0 m V; 当有气流通过膜片时,上游流量检测电阻被冷却,下游流量检测电阻阻值基本不变,流量检测电桥输出不为零[3-4]。将流量检测电桥输出电压经过滤波、放大后通过单片机采集电压信号,采样结果经过处理后可以得到流量信号输出频率与流量之间的对应关系。

2系统设计

根据上述原理可知,设计了数字输出型空气流量计系统, 结构框图如图1所示。主要由PIC单片机、恒温差保持和进气温度检测电路、流量检测电路、输出端口模块4个部分组成。

图1 系统结构框图

图1 系统结构框图

 

2.1PIC单片机模块

采用PIC16F1786作为主控器件。PIC16F176为8位RISC结构,具有***大8 k W的程序存储器,256字节的数据EEPROM, 内嵌11通道12位A/D转换器、3个可编程开关模式控制 ( PSMC) 、4个比较器、1个16位定时器和UART通信接口,工作温度范围为 - 40 ~ 125 ℃ ,符合汽车级集成电路的需求。系统首先采用单片机自带12位A/D转换器分时完成流量信号和进气温度的数据采集; 然后通过UART模块与上位机通信完成空气流量计出厂前的标定工作; 其次将流量信号和温度信号的纠偏值存入单片机的EEPROM中; ***后采用单片机的16位定时器和PSMC分别产生19 Hz、占空比可调的矩形波温度信号和1. 8 ~ 11 k Hz、占空比50% 的方波流量信号。

2.2恒温差保持和温度检测电路设计

通过AFS07传感器中的片上环境温度检测电阻Re、加热电阻温度检测电阻Rhd和外接电阻R1、R2、R3构成一个恒温差保持电桥,同时通过单片机内置的比较器、功率三极管Q和电阻R4构成恒温差保持电路,其电路图如图2所示。初始状态电桥不平衡,比较器的正负输入端压差为正,比较器输出5 V使三极管Q导通,加热电阻Rh加热使得膜片中加热温度检测电阻Rhd( 紧挨着加热电阻Rh) 的阻值变大使得电桥平衡; 当比较器的正负输入端压差为负,比较器输出0 V,三极管Q截止,加热电阻Re停止加热。设计中R1、R2和R3的阻值理论推导如下[5]。

图2 温度采集与恒温差保持电路

图2 温度采集与恒温差保持电路

 

设定Re0、Rhd0分别是环境进气温度检测电阻和加热检测电阻在0 ℃ 下的阻值,且温敏系数分别为 α、β,恒温保持电桥平衡时有:

计算公式

 

假设进气温度为Tw,同时要保持Rhd与Re的温差为常数 ΔT,因此有如下公式:

计算公式  

消除Tw,联合式( 1) 、式( 2) 和式( 3) 可解得:

计算公式

 

进气温度检测是通过电阻R3上端的电压Ue来反应的,片上环境温度检测电阻Re在工作温度范围内其阻值随温度呈线性关系,同时设计中R2的阻值远大于( R3+ Re) 的值。因此,电压Ue随进气温度呈线性关系。将电压Ue经过单片机的模数转换,利用转换结果控制单片机中的16位定时器产生对应温度的频率信号。

2.3流量检测电路设计

流量检测电路通过膜片上4个流量检测电阻构成惠斯登电桥实现,电桥的差分电压经过滤波、放大满足模数转换的要求,其电路图如图3所示。由运算放大器A1、A2、A3和对应电阻组成仪表放大电路。为了能够精准地测得流量信号,设计中采用集成仪表放大器INA33,其具有体积小、精密度高、温度漂移小、工作温度范围宽等特点。

图3 流量信号检测电路

图3 流量信号检测电路

 

图3中VIN +、VIN -分别与电桥中端点Up、Un相连接,同时通过调整外接电阻RG的阻值大小,就可实现对差分电压放大倍数的控制。根据实验结果可知,该放大倍数设计为100倍就可将流量的差分电压转换为0 ~ 5 V。设计中RG的阻值可取1 kΩ,则输出电压VOUT为

计算公式

 

式中A为放大倍数。

计算公式

 

将上述输出电压的模数转换结果去控制单片机的可编程开关模式控制器( PSMC) 模块产生流量信号对应的频率值, PSMC是一种高性能的脉宽调整器,有多种工作模式,通过App配置为频率可变固定占空比的PWM模式。流量信号频率的周期T计算公式如下:

计算公式

 

式中: PSMCx PR[15: 0]为一个16位寄存器; FPSMC_clk为PSMC的基准时钟。

2.4输出端口电路设计

由于单片机的I/O端口只能耐0 ~ 5 V,而输出信号需拉到12 V使其能够被ECU识别。因此,设计了如图4所示输出端口电路。该输出端口通过对单片机的I/O端口进行配置可实现空气流量计在校准时具有串口通信的功能,在正常工作时可以输出2路频率信号。

图4 端口输出电路图

图4 端口输出电路图

 

3系统App设计

单片机App采用模块化设计思想,主要包括系统自检、系统初始化、数据采集、串口通信和两路频率信号产生等子程序。 其中系统自检子程序完成单片机是进入标定模式还是进入正常工作模式。系统初始化子程序主要完成看门狗、A/D转换、 定时器、PSMC、串口通信、I/O端口等单元的初始化工作。数据采集子程序完成流量信号和温度信号的采集,设计中采用两个通道分时采集传感器输出信号且对采集结果进行均值滤波处理。串口通信子程序用于空气流量计的标定过程,首先确定好采样点,然后将传感器采集的数据通过串口传给上位机; 上位机将所采集到的数据进行计算、处理后,再通过串口将相关参数和纠偏值写入单片机的EEPROM中。两路频率信号产生子程序是通过PSMC模块和16位定时器分别产生流量信号和温度信号,首先是根据各自的A/D值分别计算出对应的频率值和占空比,然后读出EEPROM中纠偏值对输出信号进行微调。其主程序流程图如图5所示。

4试验与结果分析

该测试环境温度为室温,由于受条件的限制,没有进行环境温度补偿的测试。

在不同气流通过膜片表面时,测得空气流量计对应流量信号经放大后的输出电压,实验数据如图6( a) 所示; 然后将样机置于高低实验箱中让温度从 - 40 ℃ 升到120 ℃ ,每隔20 ℃ 记录1次Ue的电压值,实验数据如图6( b) 所示,由图6( b) 可知温度信号输出电压与温度值呈线性关系,测试结果与设计完全吻合; ***后由于设计中流量信号输出是频率值,需要建立空气流量计的输出电压与输出频率之间的一种映射关系。因此画出了空气流量计输出电压与所需标定周期的散列点如图7所示。在误差允许范围内,可以得出这样的结论: 流量信号的周期与其对应的采集电压呈线性关系。同时将样机按照上述结论进行标定,将标定后的样机与进口同类型的HFM7型空气流量计进行了对比试验。测试结果如表1和表2所示,由表1、表2可知样机的测量精度基本满足了实际的需求。

图5 单片机App流程图

图5 单片机App流程图

 

图6 输出电压与温度、流量的关系

图6 输出电压与温度、流量的关系

 

图7 流量信号的采集电压与其对应输出周期的关系

图7 流量信号的采集电压与其对应输出周期的关系

表1 流量信号对比实验  表2 温度信号占空比对比实验

表1 流量信号对比实验  表2 温度信号占空比对比实验

 

5结束语

文中设计的数字输出型空气流量计能够很好地检测出发动机的进气量和进气温度。该空气流量计具有电路简单、功耗低、成本低、可重复性好等特点。考虑到汽车特定的环境,设计中采用贴片式电阻电容防冲击; 为防止震动防水,在控制电路板上浇灌了密封胶。因此该空气流量计具有一定的工程实用价值。

 


常见问题
资料查询
价格咨询
江苏华云仪表有限企业
销售电话:0517-86996066
企业传真:0517-86883033
手 机:18915186518
E-mail:[email protected]
企业地址:江苏省淮安市金湖县工业园同泰大道99号
XML 地图 | Sitemap 地图