基于單片機的活塞溫度測量系統(tǒng)設計

（.華中科技大學能源與動力工程學院，武漢430074; .華中科技大學大電子與信息工程學院，武漢430074）

基于單片機的活塞溫度測量系統(tǒng)設計

張志勇1，黃榮華1，龔軍2
（1.華中科技大學能源與動力工程學院，武漢430074; 2.華中科技大學大電子與信息工程學院，武漢430074）

通過觸發(fā)開關、巡弋開關模塊、存儲器模塊設計，開發(fā)一套存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)。經(jīng)過固化封裝，系統(tǒng)誤差標定，可以達到較高的測試精度。在天然氣發(fā)動機上進行了試驗驗證，得到了發(fā)動機外特性上速度由1 000 r/min到2 100 r/min的活塞溫度變化趨勢。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，可靠性高的特點。

發(fā)動機活塞溫度單片機存儲式測量

1 引言

存儲式測試技術實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時采集和記錄，通過接口電路與計算機通訊，對實測數(shù)據(jù)進行后處理。廣義的存儲式測試技術包括瞬態(tài)波形記錄儀、卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。本文設計的存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)是微型化測量系統(tǒng)，由觸發(fā)開關、模擬開關和存儲器3部分構成。該測試系統(tǒng)安裝盒體積只有44 cm3，存儲測試系統(tǒng)總質(zhì)量為30 g。電路板固化封裝后，可以承受700 g沖擊加速度，長時間耐溫為120℃，瞬時耐溫180℃；不需要引線，通用性較強；體積小，可以直接安裝在活塞裙部?？垢蓴_能力強、可靠性高是該存儲式活塞溫度系統(tǒng)的突出優(yōu)點。

2 電路的設計原則

1）高性能

由于測試系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，引起動態(tài)測試誤差的因素比普通環(huán)境下的更多、更復雜，要考慮被測參量的變化規(guī)律及特點、測試系統(tǒng)的動態(tài)特性、以及干擾的影響等，要求存儲測試系統(tǒng)的高性能[1]。

2）體積的要求

存儲測試裝置要置于發(fā)動機機體內(nèi)，并且要求存儲測試裝置對被測對象的影響盡可能小，不能破壞活塞、連桿、曲軸的運動規(guī)律。這就要求存儲式測試裝置要做到體積小、重量輕，這是對測試裝置的一個重要要求。為了減小體積，通常的方法是簡化電路的結(jié)構，刪除不必要的功能，只保留必不可少的最基本功能[2]。在活塞溫度測量系統(tǒng)中，將熱電偶的冷端補償溫度和高溫端與冷端的溫差分開測量，熱電偶的測溫信號不做處理，以毫伏級電壓顯示等簡化思想以求縮小測試系統(tǒng)的體積，減輕其重量。

3）功耗要求

存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)被固定在裙部上，對電源有極為苛刻的限制。一方面是因為電池的體積在測試裝置中占有較大的比重，降低能耗可以有效地減小電池的體積；另一方面是因為測試過程往往非常復雜，要求在未做試驗時，整個測試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，在開始做試驗時系統(tǒng)處于正常能耗狀態(tài)；試驗完成后，還要有一段時間才能取出存儲器模塊，要求測試系統(tǒng)有低功耗數(shù)據(jù)保持態(tài)，有時還需要有專門的數(shù)據(jù)保持電源[3]。

4）耐高溫要求

動態(tài)測試裝置要承受苛刻的環(huán)境溫度。活塞在工作時，缸套內(nèi)的溫度高于100℃，通過采用絕熱隔溫措施，使得存儲系統(tǒng)能經(jīng)受住長期高溫的考驗[4]。

5）抗沖擊要求

發(fā)動機工作時，整套測試系統(tǒng)要承受700 g的過載。測試裝置在安裝固定時必須具備抗高沖擊的能力，要有抗沖擊的殼體結(jié)構，緩沖結(jié)構設計；電路模塊還必須采用抗沖擊的封裝技術。

3 存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)的電路設計

存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)包括3部分：觸發(fā)開關、巡弋開關模塊和存儲器模塊。其電路原理框圖如圖1所示。

圖1 存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)原理框圖

3.1 觸發(fā)開關的設計

觸發(fā)開關是為了使測試系統(tǒng)在不做試驗時處于低功耗狀態(tài)；一旦開始進行發(fā)動機試驗時，該開關觸發(fā)存儲式活塞溫度測量系統(tǒng)，進行正常的工作狀態(tài)，其電路設計如圖2所示。其工作原理是通過改變R3的阻值，給測試系統(tǒng)設定一個溫度閥值。當環(huán)境溫度上升時，NTC負溫熱敏電阻的阻值就會迅速下降，NTC負溫熱敏電阻兩端的電壓就會降低。如果VR3≥VNTC，觸發(fā)開關輸出端INT0為高，開啟巡弋開關模塊正常工作，測溫系統(tǒng)處于高功耗狀態(tài)；不做試驗時，觸發(fā)開關輸出端INT0為低，系統(tǒng)休眠，處于低功耗狀態(tài)。

圖2 觸發(fā)開關的原理圖

3.2 巡弋開關模塊設計

巡弋開關模塊由熱電偶補償電路、STC54C10AD芯片以及4051BM芯片組成，如圖3所示。熱電偶補償電路是由Pt100鉑電阻組成橋式補償電路，通過測量Pt100兩端的電壓Vx和100Ω電阻兩端的電壓V100計算出熱電偶的冷端溫度，冷端溫度Tx計算公式為。從上式中可以看出，只要測量出Vx、V100就可以得到冷端的溫度，測試過程中Vx、V100通過4051BM輸往存儲器模塊。

圖3 巡弋開關模塊原理框圖

當觸發(fā)信號為低時，STC54C10AD單片機處于休眠狀態(tài)，不工作；當觸發(fā)信號為高時，程序喚醒STC54C10AD，開始工作，按照2 s的周期依次打開4051BM的8個通道，熱電偶讀數(shù)有效地輸往存儲器中。STC54C10AD單片機內(nèi)部使用的程序流程框圖如圖4所示。

圖4 巡弋開關模塊內(nèi)部程序流程框圖

3.3 存儲器模塊電路設計

存儲器模塊是存儲式活塞溫度測量的核心部件，它決定了試驗數(shù)據(jù)存儲和獲取，在性能上有如下要求：

（1）能按照一定的頻率，采集、記錄數(shù)據(jù)，自帶時鐘，具有定時開關功能和讀取功能；

（2）記錄斷電過程，避免數(shù)據(jù)丟失；

（3）存儲器在數(shù)據(jù)讀取過程中因斷電而數(shù)據(jù)丟失（包括電源電量耗盡的情況）；

（4）數(shù)據(jù)的記錄格式在時間上呈現(xiàn)出有序性。

圖5 存儲器模塊結(jié)構框圖

存儲器模塊由電源、LT712芯片、PIC16F84A單片機、24LC256存儲芯片和LT809芯片組成。電源采用3.6 V鋰電供電，LT712是一個信號源，用來提高LT809即A/D精度，用來提高數(shù)據(jù)的分辨率，本存儲模塊的電壓分辨率為±5 μV。PIC16F84A是控制器，控制每次記錄數(shù)據(jù)都從24LC256存儲器的每頁0地址開始，記滿一頁時翻頁，電壓存儲模塊中使用2片24LC256存儲芯片。存儲器模塊讀寫程序本著操作簡單、良好的人機界面要求完成讀寫功能，存儲器模塊內(nèi)部程序框圖如圖6所示。存儲器中一個周期的試驗數(shù)據(jù)截圖如圖7所示。

圖6 存儲器模塊內(nèi)部程序框圖

圖7 存儲器中一個周期的數(shù)據(jù)截圖

4 測試系統(tǒng)絕熱隔溫、組裝流程

由于測試系統(tǒng)隨活塞一起運動，必將受到缸套內(nèi)復雜的高溫環(huán)境的影響，所以必須對測量系統(tǒng)進行固化封裝和絕熱隔溫封裝。另外，熱電偶冷端補償也需要熱電偶低溫端的環(huán)境溫度穩(wěn)定，所以對2個模塊使用高溫絕熱膠獨立固化封裝。采用恒溫盒對測量模塊進行隔熱降溫，恒溫盒的內(nèi)壁采用4層結(jié)構，2層1 mm厚的復合材料絕熱層和2層0.5 mm厚的無機絕熱材料云母片，恒溫盒斷面圖如圖8所示。發(fā)動機運行時活塞和測試系統(tǒng)要受最大700 g的加速度，對測量系統(tǒng)機械沖擊載荷非常大，復合材料絕熱層是軟質(zhì)材料，可以緩沖測量模塊的慣性力，提高系統(tǒng)的抗機械載荷的能力。隔溫盒的外壁以0.8 mm不銹鋼作為材質(zhì)。固定座選用AlMg5F22鋁合金，整套測量系統(tǒng)的裝配實物圖如圖9所示。

圖8 隔熱保溫盒截面示意圖

圖9 整套測量裝置圖

在進行測溫之前，要檢測芯片設計正確，絕熱隔溫措施可靠，能夠經(jīng)受住嚴酷工作環(huán)境的考驗。存儲式測試系統(tǒng)的檢測流程：邏輯設計實物仿真制版性能檢測固化封裝高溫老化系統(tǒng)設計成功。

5 試驗驗證

5.1 測試系統(tǒng)的高溫誤差標定

整套系統(tǒng)在恒溫箱內(nèi)，溫度加熱到135℃，恒溫90 min，進行系統(tǒng)誤差標定。標定采用電位差計輸出電壓模擬熱電偶輸出，電壓從4.92 mV到9.75 mV，間隔約0.8 mV，相當于溫度從120℃到240℃熱電偶溫度輸出間隔20℃。系統(tǒng)誤差隨標定溫度變化如圖10所示。從圖10可以看出，采取的隔熱措施非常得力，使得這個測量系統(tǒng)在135℃的環(huán)境中性能穩(wěn)定，而且系統(tǒng)誤差為25℃左右，變化甚微，原則上可以認為系統(tǒng)誤差+25℃時，測量誤差在±1℃之內(nèi)，測溫系統(tǒng)設計相當成功。

圖10 測量系統(tǒng)高溫系統(tǒng)誤差

5.2 發(fā)動機活塞測溫試驗

在活塞上設置了5個溫度測量點，分別是：燃燒室中心為特征點1，底面倒角為特征點2，活塞頂面倒角為特征點3，第1道環(huán)槽底面為特征點4，第2環(huán)槽底面為特征點5。K性熱電偶封裝成悶頭，悶頭外徑直徑為Φ3 mm，內(nèi)徑Φ1.8 mm，帶有一定錐度。埋設在悶頭內(nèi)部的熱電偶導線先用玻璃纖維絕緣，再使用高溫導熱絕緣膠與悶頭封裝；悶頭外部的熱電偶導絲使用玻璃纖維絕緣，絕緣層的外面套上高溫耐油塑料套管。套管的最高使用溫度為260℃，短時耐溫高達320℃。熱電偶的測溫觸點距離堵頭頂端的距離δ為：δ1=1.2 mm，δ2=1.2 mm，δ3=0.4 mm，δ4=0.6 mm，δ5=0.6 mm，其測點布置示意圖如圖11所示。

將測試系統(tǒng)安裝在EQD180發(fā)動機活塞的裙部，在10 min內(nèi)，轉(zhuǎn)速從1 000 r/min到2 100 r/min過程中，測得活塞上5個測點的溫度變化曲線如圖12所示。

6 結(jié)論

本文利用單片機和存儲芯片，通過巡弋開關模塊、觸發(fā)開關和存儲器模塊的設計，成功地實現(xiàn)了發(fā)動機活塞溫度的測量。去除系統(tǒng)誤差25℃后，測試結(jié)果可以達到較高的精度。單片機的使用，減小了電路板的體積，從而減小了整個測試系統(tǒng)的體積。發(fā)動機活塞測試結(jié)果表明，此測試系統(tǒng)有較好的使用性。

圖11 測點布置示意圖

圖12 活塞溫度測試實例

1祖靜，張文棟．電子測壓蛋[J]．兵工學報，1991（1）：12-16.

2 Littrell D M,Jamison K A,Hudson R D,et al.Measurement of Acceleration Using an Instrumented Railgun Projectile.AD253366,June,1992.

3郭紅英．存儲測試專用集成電路成測技術研究[D]．中北大學，2007．

4譚建松．柴油機活塞熱沖擊的試驗研究[D]．浙江大學，2005．

Design of Piston Temperature Measurement System Based on Single Chip STC54C10AD

Zhang Zhiyong1,Huang Ronghua1,Gong Jun2
（1.School of Energy and Power Engineering Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China;2.The Department of electronics and Information Engineering Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Through designing the trigger switch,cruise switch module,and memory module，a system of piston temperature measurement is developed by storing trial data.A better precision is gotten with consolidation package and system error calibration.The system is verified in a natural gas engine,and piston temperature is obtained at speed from 1000r/min to 2100 r/min of the full throttle test of the engine.The result shows that the system has stable performance and high reliability.

engine,piston temperature,Single chip,memory,measurement

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.008

來稿日期：2011-05-13

張志勇（1979-），男，博士生，主要研究方向為內(nèi)燃機的可靠性及測試技術。