汽車尾氣余熱發(fā)電氣道溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

胡 琴，黃 亮，全 睿

(1．武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2．武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

傳統(tǒng)的汽車燃油熱量僅1/3為有效能量，其余的通過冷卻水或尾氣排入大氣。充分利用能源，提高燃油利用率已成為人們普遍關(guān)注的問題。一種方法是余熱回收利用［1］，即將汽車尾氣余熱轉(zhuǎn)換成電能作為車載電源給車載設(shè)備供電。汽車余熱熱電轉(zhuǎn)換器主要由冷卻水箱、熱電轉(zhuǎn)換模塊和汽車尾氣管道3個部分組成［2］。在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中，氣道的溫度分布決定了熱電轉(zhuǎn)換模塊的擺放，根據(jù)氣道溫度分布設(shè)計一種管道熱流分布，因地制宜地串、并聯(lián)熱電模塊，以提高廢熱利用率［3－4］。因此在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中掌握氣道的溫度分布至關(guān)重要。

目前，汽車尾氣余熱發(fā)電實(shí)驗臺架系統(tǒng)上采用紅外熱像儀獲得氣道表面溫度場分布。紅外熱像儀將物體的輻射能量轉(zhuǎn)換為可視的溫度圖像，從而獲得物體空間溫度場的分布［5］，但其信息量很大且空間分辨率不高，不便于系統(tǒng)分析。為此，筆者針對汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)氣道設(shè)計了一種精度高、抗干擾能力強(qiáng)、存儲顯示方便的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)［6］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

氣道溫度檢測系統(tǒng)以 PIC18F258單片機(jī)［7］為核心，能對多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時巡檢。溫度信號由熱電偶、變送器和12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543提供。溫度傳輸采用 CAN總線和RS485并用的方式。溫度檢測系統(tǒng)實(shí)時檢測氣道的溫度，通過CAN總線傳輸給熱電轉(zhuǎn)換主控制器進(jìn)行收集，再連同其他信號一起由主控制器通過RS485傳送給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步地存檔、處理、分析。熱電轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱電轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 氣道溫度檢測硬件設(shè)計

氣道從結(jié)構(gòu)上來說是一個結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的部件。該系統(tǒng)選擇了熱電偶和變送器以達(dá)到結(jié)構(gòu)和測溫量程的要求。汽車尾氣余熱發(fā)電氣道溫度檢測系統(tǒng)如圖1中虛線框所示。T1到T11為美國omega熱電偶測溫線，分度號T型，絕緣層耐溫480℃。變送器是T型智能溫度變送器，輸入、輸出、電源三相隔離。

2．1 濾波電路

該系統(tǒng)采用二階巴特沃斯有源濾波電路［8］，如圖2所示。為了減少運(yùn)放對濾波電路的負(fù)載效應(yīng)，同時便于調(diào)整，選用低失調(diào)、高阻抗輸入的運(yùn)放LM336。濾波電路部分屬模擬器件，其電源的地線回路與數(shù)字地線回路隔離，防止數(shù)字部分的噪聲電流通過模擬地回路引入時產(chǎn)生噪聲電壓對模擬電路產(chǎn)生干擾。

圖2 二階有源巴特沃斯濾波電路

2．2 單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換芯片接口電路

該系統(tǒng)選用TI公司的12位開關(guān)電容逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，它具有12位的分辨率，轉(zhuǎn)換速度為25 μs，轉(zhuǎn)換精度為0．05%。由于PIC18F系列單片機(jī)不具備16位SPI口，為了不影響溫度檢測精度，采用軟件模擬16位SPI的時序操作。TLC2543與單片機(jī)PIC18F258的連接圖如圖3所示。TLC2543的I/O時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選分別由PIC單片機(jī)并行雙向I/O口引腳RC3、RC5、RA5提供。TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過引腳RC4接收。

圖3 TLC2543與PIC18F258單片機(jī)連接圖

2．3 CAN總線接口

CAN總線是國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，其信號通過雙絞線傳輸，總線上其中一個節(jié)點(diǎn)的錯誤不影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。PIC18F258內(nèi)部集成了CAN協(xié)議控制器，該系統(tǒng)選用82C250芯片作總線驅(qū)動器為CAN控制器和總線接口提供差動發(fā)送和差動接收功能。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，PIC18F258的CANTX和 CANRX通過高速光隔 TLP113與82C250的TXD和RXD相連，且光隔兩邊的電源完全隔離。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信電路

3 氣道溫度檢測軟件設(shè)計

3．1 主程序

軟件部分主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換及軟件濾波3個程序。其中主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、I/O口及變量初始化、CAN初始化，以及監(jiān)聽數(shù)據(jù)收發(fā)。熱電轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)采用了分布式控制思想，溫度檢測系統(tǒng)是汽車尾氣余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，屬從機(jī)。除了建立硬件電路基礎(chǔ)外，還需要定義系統(tǒng)的軟件通信協(xié)議。協(xié)議規(guī)定如下:主、從雙方波特率均設(shè)置為15 200 b/s，主從雙方初始狀態(tài)均設(shè)置為CAN接收中斷方式。從機(jī)不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。系統(tǒng)溫度檢測模塊主程序流程圖如圖5所示。

3．2 A/D 轉(zhuǎn)換

在TLC2543與單片機(jī)每次傳送周期傳送的數(shù)據(jù)是上次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。傳統(tǒng)方法是每個通道必須讀兩次，第二次的轉(zhuǎn)換結(jié)果才是所需的模擬輸入通道和A/D方式的有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量較大且實(shí)時性要求較高，該系統(tǒng)采用循環(huán)讀取的方法，即每個通道只讀一次，循環(huán)讀取可得到每個模擬通道的有效轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

3．3 軟件濾波

程序通過一定的算法來減小干擾信號在有用信號中的比例，提取最逼近控制信號真值數(shù)據(jù)的方法，稱為軟件濾波法［9－10］。在硬件二階巴特沃斯有源濾波抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件濾波設(shè)計以補(bǔ)充和完善系統(tǒng)穩(wěn)定性。該程序采用中值濾波算法來減少隨機(jī)干擾對采樣結(jié)果的影響。即對每個A/D通道轉(zhuǎn)換5次得到5個轉(zhuǎn)換結(jié)果，再采用冒泡排序得到中間值作為該通道的有效轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4 管道溫度分布實(shí)驗結(jié)果分析

在該溫度檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對擬定的氣道進(jìn)行實(shí)驗檢測。測溫源分布如圖7所示。用兩個溫度檢測板進(jìn)行測量。發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速2 000 r/min下運(yùn)行約10 min，達(dá)到正常工作狀態(tài)。通過上位機(jī)顯示可觀察到實(shí)驗氣道在此時的溫度分布，其界面如圖8所示。圖9為紅外熱像儀掃描的氣道紅外熱像圖。通過對比圖8與圖9，可見，溫度檢測系統(tǒng)與紅外熱像儀掃描結(jié)果一致，該溫度檢測系統(tǒng)能為汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的建立提供重要依據(jù)。

圖7 管道測溫源分布圖

圖8 氣道溫度檢測上位機(jī)結(jié)果顯示界面圖

圖9 氣道紅外熱像圖

5 結(jié)論

筆者針對汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)氣道所提出的溫度檢測系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了精度高及多點(diǎn)測量，還便于數(shù)據(jù)的存儲顯示。硬件二階巴特沃斯有源濾波與軟件中值濾波相結(jié)合提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗表明，該系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，可靠性強(qiáng)?？蓪Σ煌瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)的氣道溫度分布進(jìn)行檢測，根據(jù)上位機(jī)顯示存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，可為設(shè)計高效率的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供依據(jù)。

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