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基于PIC单片机热膜式空气流量计相信说明

时间:2018/05/22来源:未知

摘要:先容了一种基于 PIC 单片机的数字输出型热膜空气流量计,用于汽车进气流量的检测。首次提出以 PIC 单片机为流量计控制核心,充分利用单片机内部的 ADC、CCP、PSMC 等硬件资源, 实现了热膜传感单元输出模拟信号的采集、模数转化,以及流量信号、温度信号的输出控制等功能。针对热膜传感单元流量信号存在对环境温度交叉敏感等问题,提出一种基于二元回归分析法的热膜 式流量计的校准方法,并详细先容了流量计的自校准过程。

一、引言:
  汽车电控燃油喷射装置上,测定发动机进气流量的传感器,即空气流量传感器是决定系统控制精度的***重要部件之一。发动机电控单元根据进气空气流量大小与节气门开度来确定燃油喷射量及点火时间,因此进气空气流量传感器对保证发动机的正常运转、提高燃油效率及减少汽车尾气排放起到至关重要的作用。其中,热式空气流量传感器由于能够直接测量空气的质量流量,且具有响应时间短、测量精度高等一系列优势 [1],在现代发动机上得到广泛的应用。热式空气流量传感器又可分为热线式和热膜式两种类型,其中热膜式空气流量计传感单元采用复合薄膜微电子工艺,大幅提高了传感器的测量度以及使用寿命,相比于热线式具有明显优势。传统的热膜式空气流量传感器为模拟输出型,其输出特性为电压随空气流量变化的曲线,汽车环境中各种噪声和电磁干扰会影响模拟信号传输,从而影响传感器的精度和稳定性,并且模拟型空气流量计温度补偿完全基于硬件电路,难以保证全量程范围内的温度补偿。
  目前,以德国某企业的 BOSCH HFM7 为代表的**新型的热膜式空气流量计,在信号调理部分引入数字信号处理单元,实现输出信号数字化,相比于传统的模拟型流量计具有更高的精度和抗干扰能力。国内车用热膜式空气流量计产品,仍然以模拟输出型为主, 相关方面文献也主要以模拟流量计分析、新型电路设计以及温度补偿电路等为主 [2-4] 。
  本文提出一种 PIC 单片机与热膜传感单元融合的数字输出型热膜式空气流量传感系统,系统充分利用单片机片内硬件资源完成各项功能,提高了系统稳定性,并有效降低了生产成本,通过系统自校准过程保证了流量计的输出精度,具有一定实用价值。
图1 数字输出型热膜空气流量传感器系统框图
二、系统设计:
  发动机电控单元根据空气流量计测量的进气质量流量大小与节气门开度来确定燃油喷射量及点火时间, 同时根据空气流量计测量的进气温度对喷油量补偿运算。数字型热膜式空气流量计输送给电控单元的流量信号为频率随空气流量变化的方波信号,温度信号为占空比随进气环境温度变化的 19Hz PWM 信号。传感器系统以 PIC 单片机和 AFS07 热膜传感单元为核心, 系统主要完成对加热电桥加热控制,流量、温度信号的采集、数模转化,输出控制,以及联合上位机通过串口实现传感器的自校准过程,系统结构组成如图 1
所示。


(1) 传感单元
热膜传感单元采用AFS07热膜片。其基本工作过程:片上环境检测电阻Re和加热检测电阻Rm (紧靠加热电阻Rh) 外接固定电阻组成加热电桥, 控制电路保持加热电阻Rh和环境气流恒定温差, 从而在传感单元热膜片上形成稳定的温度分布, Re上引出电压信号作为环境温度信号;传感单元四个流量检测电阻 (Rh两侧对称位置布置四个温敏感) 接成全桥差动结构, 电桥不平衡输出作为空气流量信号[5]。
(2) 加热控制模块
加热控制模块用于保持Rh和进气环境温度恒定温差。加热控制模块根据加热电桥压差调节Rh加热电流大小, 同时根据负反馈闭环结构, 使得电桥平衡, 加热电阻加热功率和热耗散功率相等, 从而加热电阻温度维持稳定。
(3) A/D模块
部分PIC单片机内置多通道的模数转换器, 满足流量计两路数据的实时采集需求。数模转换器分时轮流将测量电桥压差信号和环境检测电阻电压转换成数字信号, 然后用于输出控制模块, 转换成特定的输出信号。
(4) 串口通信模块和EEPROM
串口通信主要负责在流量计与上位机之间数据传输, 主要用于流传感器校准过程中采集数据的上传、以及上位机拟合参数的下载等通讯过程。在流量计校准过程中, EEPROM用于存储串口接受的校准参数, 在流量计正常工作过程中, 采样得到的流量信号和温度信号首先根据EEPROM校准参数计算出标准信号, 然后用于驱动输出模块。
(5) 输出控制模块
流量计输送给发动机电控单元的信号分别为频率可变的方波信号和周期固定的占空比可调的PWM信号, 输出控制模块根据采样、纠偏后的标准输入信号产生特定频率方波信号和特定占空比的PWM信号。
 
三、系统实现:
本系统以PIC16F1783单片机为控制核心, 该单片机是一款高性能8位精简指令集微控制器, 具有十分丰富的片内资源。片内运放可用于传感单元加热控制及流量信号放大, 内置11通道12位ADC满足传感器系统多路数据的实时采集要求, PSMC (可编程开关模式控制器) 、CCP (捕捉/比较/PWM模块) 分别驱动输出特定的PWM和频率信号, EUSART (通用异步串行接口) 能够方便与上位机通信实现校准数据的传输, 内置EEPROM可用于校准数据存储。
 
1、热膜加热控制和温度采集模块
加热控制模块主要有PIC内置运算放大器和外围功率三极管、电阻构成。如图2所示, 传感单元片上环境温度测量电阻Re和加热检测电阻Rm分别外接固定电阻R1、R2组成惠斯登电桥, 组成温差检测电桥, 电桥差分信号接入单片机OPA1运算放大器, 运放输出电压通过功率三极管Q1的给加热电阻Rh提供加热电流, Rh电压通过反馈电阻Rf接回运放反相端, 构成负反馈结构。片上环境温度测量电阻Re一方面用于流量信号的温度补偿, 另一方面用于环境温度的检测, 加热电桥Re侧电压信号同时送到A/D模块, 作为温度检测信号。
图2 加热控制模块



  基本工作原理为, 初始状态下, 温差检测电桥输送给运放正压差, 运放输出高电平, Q1提供给Rh工作电流, Rh温度上升, Rm阻值也随之上升, U5下降压差减小, 运放输出电压降低, Rh电压减下, 通过反馈电阻Rf引起U5上升, 即压差增大, 形成负反馈, 达到平衡时加热电阻加热功率和热耗散功率相等, 温度保持恒定值;环境温度发生变化时, Re发生变化引起U12改变, 一方面补偿环对加热电桥影响影响, 同时U12变化也可表针环境温度变化, 即U12可作为环境温度的量度。
 
2、流量信号采集模块设计
  将热膜传感单元的4个流量检测电阻接成惠斯登电桥, 有气流流过表面时, 上风检测电阻温度会下降, 阻值也随之下降, 而下风检测电阻变化甚微, 电桥会产生不平衡输出。电桥输出信号比较微弱, 易受到干扰, 需 经过滤波、放大处理, 再输送到单片机A/D模块转换成数字信号。
如图3所示, R7~R10与单片机运放OPA2构成基本的差分放大电路, 将电桥输出电压放大一定倍数, 与ADC的参考电压相匹配, 电容C3用于滤除差模干扰信号, 而C1、C2与R13、R15构成低通滤波器, 用于滤除共模干扰信号。
 
3、输出控制模块
  采样处理得到的温度和流量信号须经过输出模块转换成发动机电控单元可以识别的PWM和频率信号。PWM和频率信号可由PIC16F1783内置PSMC、CCP模块产生, 采用片内独立硬件资源产生输出信号, 相比于定时器具有不占系统运算资源、工作稳定等优点。
  占空比可调的19Hz PWM信号可由PSMC模块产生。PSMC是一种高性能的脉宽调制器, 可配置为多种工作模式支撑单相或多相应用。此处将PSMC配置为单相输出、系统时钟输入模式, 会在PSMC2A引脚输出固定周期的PWM信号, 通过配置周期寄存器, 使得PWM周期固定为19Hz, 同时根据校准后的标准温度信号调节占空比寄存器, 即可得到占空比可调、周期固定的PWM信号。
  频率可调的方波信号可由单片机的CCP模块产生。将CCP模块配置成PWM模式, 固定PWM占空比为0.5, 然后根据标准的流量信号调节PWM的周期, 即可得到频率随流量变化的方波信号。
 
四、传感器校准:
1、流量计校准方法
  考虑到传感单元电阻热敏系数非一致性,流量检测电桥的输出差分电压会受到环境温度的影响,即存在对温度的交叉敏感。因此对质量流量只进行一维校准会产生较大误差,特别是在环境温度发生较大变化时。质量流量 F 应该表示为温度 UT 和流量 UF 的二元函数即,可用二次曲面拟合质量流量方程,即二元回归方程描述 [6]:F=α +α U  +α U +α U  2+α U  U +α U 2 (1)而温度信号只与环境温度有关,不受流量大小的影响,可用一元曲线拟合:T=β +β U +β U 2 (2)式中,α, β—待定系数。
图3 流量信号采集模块
  其中,UT 、UF 均用 ADC 转换后数字信号代替, 根据标准的流量和温度曲线,F、T 也分别用方波频率 
和 PWM 的占空比代替。为求出上式中的待定系数, 消除交叉敏感,首先要进行二维校准实验,由***小二乘法原理确定均方差***小条件下的系数 α, β
2、流量计校准App
  流量计系统与上位机通信采用 RS-485 标准的UART,能够实现上位机与多个流量计单片机通信过程。上位机通信App采用 VB.NET 编写,主要完成对流量标定台的控制以及与流量计系统的校准通信过程。
  具体校准过程如下:在流量计量程范围内确定多个流量校准点,在工作温度范围内确定多个温度校准点,上位机程序控制标定台,产生一系列恒定温度、质量流量的校准点;上位机程序发送控制指令,流量计系统采集对应校准点温度、流量信号并缓存;在完成所有校准点数据采集后,上位机App发送指令,流量计传回采集数据,然后通过矩阵运算分别计算待定系数 αβ,再传回流量计,并存储于 EEPROM 中, 完成传感器的校准过程。上位机和单片机校准程序流程图如图 4 所示。

  考虑到测试台流量控制精度有限,实验过程中将博世流量计和设计的样品作对比测试,由于测试台限制,只做了环境温度下的流量特性测定,以及室温以上温度特性的测定,实验结果如图 5 所示。从图中可以看出,样品流量测量值和博世流量计的输出值基本一致,在整个流量范围内,误差均不超过 2%。样品温度测量值和博世存在一定偏差,主要由两方面产生: 一是测试环境的温度分布不均匀;二是拟合曲线的精度不够,需要更高次的曲线拟合环境温度测量电阻的温度特性。
图4 程序流程图
 
图5 流量计测试结果
五、结束语:
  详细先容了车用数字型热膜式空气流量计的设计过程,以 PIC 单片机为核心的信号处理电路,实现了传感单元的数据采集、处理以及输出控制等功能。系统充分利用单片机内部硬件资源,简化了外围电路设计,提高了系统稳定性,降低了生产成本。并且文章提出一种基于App算法的流量计校准方法,能够消除流量信号对环境温度交叉敏感,避免了复杂的温度补偿电路设计,保证流量传感器的精度。

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