基于STM8的熱膜式流量計信號處理和自動標定系統(tǒng)

劉偉 王德福

（北京航空航天大學交通科學與工程學院北京 100191）

基于STM8的熱膜式流量計信號處理和自動標定系統(tǒng)

劉偉 王德福

（北京航空航天大學交通科學與工程學院北京 100191）

熱膜式空氣流量計具有尺寸小、靈敏性好、可靠性高、響應時間短等優(yōu)點。它采用熱膜傳感單元與外圍電路協(xié)同工作的模式。采用stm8l151單片機為核心的數(shù)字化電路能夠很好的控制熱膜上加熱器的工作溫度，將熱膜產(chǎn)生的信號進行濾波和放大。配合采用LabVIEW編制的上位機控制界面，實現(xiàn)流量計的快速自動標定。

熱膜 流量計 STM8 LabVIEW 人機界面

1 引言

目前應用于汽車發(fā)動機上的熱式空氣流量計傳感單元主要以熱膜為主[1-4].發(fā)動機進氣過程中，進氣管內(nèi)的流動速度范圍0-1000kg/h，尤其是在進氣量較大時，管內(nèi)流動復雜，氣流沿進氣管道做非穩(wěn)定流動，進氣管任一截面處流速和壓力都是周期性脈動變化的。熱膜式空氣流量計可以直接測量進氣質(zhì)量流量，具有尺寸小、靈敏性好、可靠性高、響應時間短等優(yōu)點。如圖1，采用MEMS工藝的熱膜由氧化硅和氮化硅組成，總體厚度不超過幾微米，熱膜上集成多個金屬鉑制成的電阻器和加熱器。這些鉑電阻的線條寬度一般只有5微米。除了熱膜傳感單元，還需要有一些常規(guī)元器件組成的外圍電路，對加熱器的加熱功率和溫度進行控制，將熱膜產(chǎn)生的信號進行濾波和放大，然后傳輸?shù)狡嚢l(fā)動機的控制單元?？諝饬髁坑嫷恼９ぷ?，需要外圍傳感電路的支持。外圍傳感電路的作用：一是控制加熱器的加熱溫度，在工作中一直保持其溫度高于周圍溫度，周圍溫度是由在傳感單元熱膜以外的電阻器來探測的。在20℃的環(huán)境溫度下，高出的溫度大約為200K。當周圍溫度變化時，高出的溫度基本不變；另外，外圍電路要把熱膜上能夠反映膜表面溫度隨空氣質(zhì)量流量變化的4個成對鉑電阻（Rm1,Rm2,Rc1,Rc2）組成的惠斯通電橋輸出的電勢差信號進行采集，濾波和放大。

本研究中，采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM8L151單片為控制單元，設(shè)計了一套全數(shù)字化測量方案，先將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，對信號的增益選擇，初始信號誤差修正，以及并對加熱器的加熱溫度的精確控制都可以快速的完成。并且配合采用LabVIEW編制的上位機控制界面，實現(xiàn)流量計的快速自動標定。

2 流量計混合電路設(shè)計

熱膜式空氣流量計混合電路主要由熱膜傳感單元，外圍傳感器信號處理電路和輸入輸出端口組成。傳感器信號處理電路又可分為模擬型和數(shù)字型。

圖1 測量空氣流量的熱膜傳感單元電氣布局

2.1 模擬型電路

模擬型電路的工作原理如圖2所示。

圖2 熱膜式流量計模擬電路示意圖

模擬型傳感器信號處理電路雖然具有信號可靠，速度快等優(yōu)點。但也存在以下缺點：

（1）需要手動調(diào)節(jié)多個電位器。其中Rp1與Rp2分別為用于調(diào)節(jié)加熱器溫度和惠斯通電橋初始誤差的電位器（或者是厚膜電路中的可用激光調(diào)節(jié)阻值的碳膜電阻）；

（2）自適應能力差。當周圍工作條件或器件老化，特別是環(huán)境溫度變化時，溫度補償能力有限；

（3）只能提供模擬量輸出。

2.2 數(shù)字型電路

為解決模擬電路存在的問題，提出了數(shù)字化測量方案，首先用數(shù)字電位器X9C102代替模擬電位器或者碳膜電阻，可實現(xiàn)電位器的自動調(diào)節(jié)，結(jié)合上位機軟件可自動完成靜態(tài)標定，然后用單片機實現(xiàn)信號采集、增益設(shè)定、加熱控制，信號偏置和輸出等功能，該方案中電橋模擬電壓經(jīng)單片機AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用內(nèi)部MAP圖結(jié)合外部標定，確定增益倍率和偏置電壓，再經(jīng)單片機的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）輸出模擬電壓信號給發(fā)動機控制單元。

微處理器在數(shù)字化外圍傳感電路中處于核心地位，鉑電阻器Rm1,Rm2,Rc1,Rc2位于熱膜傳感單元加熱器的上游和下游，且布置在惠斯通電橋中，它給出約200mV的基本信號。電橋由一個5V的參考電壓供電。傳感器完成對空氣質(zhì)量流量信息，也就是惠斯通電橋電壓的采集，經(jīng)過ADC處理后，經(jīng)過識別，計算出合適的增益和偏執(zhí)電壓，計算中需要用到單片機中存儲的糾偏圖，保證最后的輸出不會因為環(huán)境溫度的變化而與實際的質(zhì)量流量產(chǎn)生誤差。再把信號通過DAC輸出為模擬信號。實現(xiàn)數(shù)字/模擬雙信號輸出能力。

本設(shè)計采用了意法半導體公司的超低功耗8位微處理器STM8L151[5]。選型主要考慮以下幾個方面：

（1）工作電壓范圍寬：1.8V～3.6V。

（3）工作溫度范圍：-40℃到+85℃,可以適應各種惡劣條件下的工作。

（4）內(nèi)部功能豐富：內(nèi)部集成SPI功能，便于……，內(nèi)部集成EEPROM及LCD功能，便于功能的擴展。

（5）性價比：與MSP430系列單片機相比，STM8L系列單片機具有更低的價格，更高的性價比。

圖3 熱膜式流量計數(shù)字電路

3 自動標定系統(tǒng)

數(shù)字化電路的設(shè)計為自動化標定系統(tǒng)的設(shè)計帶來了可能，我們可以將數(shù)字化電路的信號通過通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C，同時一些必要的但數(shù)字化電路無法提供的參數(shù)和變量（如環(huán)境溫度，OEM輸出電壓，產(chǎn)品的最終輸出電壓等）通過采集卡傳輸?shù)缴衔粰C，再配合自動化操作實驗臺，即可實現(xiàn)自動化的標定。

熱膜式流量計可通過如下步驟進行調(diào)節(jié)標定：

（1）靜態(tài)調(diào)節(jié)；

通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器Rp1對加熱器溫度進行校準。

通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器Rp2對20℃時且沒有氣流的輸出信號進行校準。

首先測量環(huán)境溫度，查表得該溫度對應的比較器正端電壓（目標電壓），并發(fā)給單片機，單片機循環(huán)測量比較器正端實際電壓，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器改變正端電壓，使目標電壓和實際電壓的差小于允許值，調(diào)節(jié)結(jié)束，保存當前的電位器阻值。

（2）動態(tài)調(diào)節(jié)；

圖4 自動化氣道實驗測試裝置

通過自動化氣道實驗測試裝置如圖4所示，羅茨風機提供穩(wěn)定氣源，氣體流量可精確控制。在流量計需用流量測量量程范圍內(nèi)，按照氣流流量由小到大調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定在若干流量測量設(shè)定點上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動將所需參數(shù)（包括產(chǎn)品與OEM的輸出電壓值）采集到上位機，進行分析。依次重復以上工作，直到得到2條相似的電壓輸出曲線，再按照最小二乘法原理，將產(chǎn)品電壓輸出曲線與OEM曲線進行擬合。根據(jù)擬合結(jié)果對電路中的儀表放大器的發(fā)大倍率進行修改，使2條曲線幾乎完全重合，完成整個產(chǎn)品標定過程，如圖5所示。

圖5 最終輸出電壓標定曲線

本系統(tǒng)選用LabVIEW編寫自動化標定軟件，LabVIEW是由美國國家儀器有限公司最核心的軟件產(chǎn)品，它是一種編程語言，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計平臺的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學家快速構(gòu)建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新[6][7]。

動態(tài)標定過程如圖6、圖7所示，首先設(shè)置一個初始的增益，然后單片機進入動態(tài)標定的狀態(tài)，標定系統(tǒng)開始控制實驗臺，改變流量，單片機采集每個流量下的輸出電壓，上位機通過采集卡采集OEM的輸出電壓，得到兩組值，兩組值進行比較得到一個方差，改變增益（從最小增益到最大增益都取到）得到另一個方差，方差最小的時候?qū)淖柚导醋罴言鲆?，更新MAP，標定結(jié)束。

圖6 標定軟件設(shè)計路程

圖7 自動標定系統(tǒng)人機界面

4 結(jié)束語

本文介紹了熱膜式流量計的工作原理和信號處理方法，指出了模擬型信號處理電路的缺點并提出一種數(shù)字化測量方案，該方案基于具有集成度高、高精度ADC、高精度DAC等特點的STM8L151單片機作為控制單元，可滿足流量計信號處理和輸出的要求，結(jié)合使用數(shù)字電位器，可以實現(xiàn)自動化靜態(tài)和動態(tài)標定，因此具有環(huán)境適應能力強、溫度補償效果好等特點。使用LabVIEW編寫了自動化標定軟件，提出了靜態(tài)和動態(tài)標定流程。綜上所述：

（1）提出的數(shù)字化電路方案克服了模擬電路自身存在的缺點，是今后熱膜式流量計信號處理的趨勢。

（2）提出一種基于數(shù)字化電路的自動化標定方案，該方案大大簡化了標定過程。

參考文獻

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[2]洪水棕．現(xiàn)代測試技術(shù)[M]．上海：上海交通大學出版社，2002：185-187．

[3]董寧．轎車燃油電噴系統(tǒng)的維修[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2001：72-80．

[4]王伯年.史紹熙院士對層流流量計和內(nèi)燃機空氣流量測量的貢獻[J].內(nèi)燃機學報，2001,19(6):531-534.

[5]意法半導體.STM8L151x4,STM8L151x6,STM8L152x 4STM8L152x6[DB/OL].www.stmicroelectronics.com.cn/.

[6]郭龍鋼，王宇炎.基于LABVIEW的單片機串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應,2009,28(11):129-131

[7]雷振山.?LabVIEW?8.2基礎(chǔ)教程[M].北京:中國鐵道出版社, 2008.

Hot-film Air Flow Sensor

LIU Wei,WANG De-fu
(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The advantages of hot-film air flow sensor are small size,high sensitivity,high safely and reliability,short response time, which has a hybrid?electric circuit structure.The core of external circuit is STM8L151.The single chip controls the temperature of heater efficiently and filters and amplifies the signals which on the hot-film.?The computer?interface made on LabVIEW,make the calibration fast and automatically.

hot-film;air flow sensor;STM8;LabVIEW;human-computer interface

TP368.1

A

1008-1739(2014)06-66-4

定稿日期：2014-02-26