數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計的設(shè)計與實現(xiàn)

楊文濤，王婷旺，馮則坤，劉長華，戴建飛

(1．華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,湖北武漢 430074；2．南昌工控電裝有限公司,江西南昌 330001)

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數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計的設(shè)計與實現(xiàn)

楊文濤1，王婷旺1，馮則坤1，劉長華2，戴建飛2

(1．華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,湖北武漢 430074；2．南昌工控電裝有限公司,江西南昌 330001)

針對目前國內(nèi)數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計設(shè)計較少的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于硅MEMS新型熱膜式AFS07空氣流量傳感器和PIC16F1786微控制器的數(shù)字輸出型車用空氣流量計。詳細(xì)分析了該空氣流量計的工作原理和檢測電路、恒溫差控制電路的設(shè)計，通過PIC16F1786微控制器產(chǎn)生了ECU所需頻率范圍為1．8～11 kHz、占空比50%的方波流量信號和頻率為19 Hz、占空比可變的矩形波溫度信號。在此基礎(chǔ)上對樣機(jī)進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明：該樣機(jī)實現(xiàn)了對不同流量氣體和進(jìn)氣溫度的檢測，且具有良好的溫度補(bǔ)償功能；同時得出該空氣流量計輸出信號的周期與其對應(yīng)信號的輸出電壓之間呈線性關(guān)系。

數(shù)字輸出型;AFS07熱膜式空氣流量傳感器;PIC16F1786;線性關(guān)系

0 引言

空氣流量計是電控燃油噴射系統(tǒng)(ECU)中關(guān)鍵部件，安裝在濾清器和節(jié)氣門之間的進(jìn)氣道上，用于檢測發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量。ECU根據(jù)進(jìn)氣量大小、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以及發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況等來確定燃油噴射量和點(diǎn)火時間，使得發(fā)動機(jī)具有一個最佳空燃比[1]，從而達(dá)到省油和環(huán)保的目的。目前，國外對空氣流量計的研究比較成熟，其中以熱膜式空氣流量計為主流；國內(nèi)的研究起步較晚，且能夠生產(chǎn)數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計的公司較少。相關(guān)方面的書籍和文獻(xiàn)主要以介紹模擬輸出型、新型空氣流量傳感器、溫度補(bǔ)償及維修類為主，對設(shè)計熱膜式空氣流量計意義不大[2]。

文中以新型AFS07空氣流量傳感器和PIC16F1786微控制器為核心設(shè)計了一款數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計。該空氣流量計充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源完成了各項功能，有效地降低了生產(chǎn)成本；同時與模擬輸出型相比，其具有更小的測量誤差，更強(qiáng)的抗干擾能力，符合日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，為數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計的設(shè)計和維護(hù)提供了參考。

1 數(shù)字輸出型熱膜式空氣流量計的工作原理

空氣流量傳感器是空氣流量計的核心部件，測量精度決定了空氣流量計的性能。設(shè)計中選用新型AFS07系列熱膜式空氣流量傳感器，它具有功耗低、響應(yīng)迅速快和測量范圍寬等特點(diǎn)。該空氣流量計的檢測原理是：通過該膜片表面上的加熱電阻Rh進(jìn)行加熱使得與片上環(huán)境溫度檢測電阻Re的溫差時刻保持100 ℃，加熱電阻兩側(cè)對稱布置了4個流量檢測電阻，將流量檢測電阻構(gòu)成二次差分惠斯登電橋。當(dāng)無氣流通過膜片時，加熱電阻兩邊溫度呈對稱分布，流量檢測電橋輸出為0 mV；當(dāng)有氣流通過膜片時，上游流量檢測電阻被冷卻，下游流量檢測電阻阻值基本不變，流量檢測電橋輸出不為零[3-4]。將流量檢測電橋輸出電壓經(jīng)過濾波、放大后通過單片機(jī)采集電壓信號，采樣結(jié)果經(jīng)過處理后可以得到流量信號輸出頻率與流量之間的對應(yīng)關(guān)系。

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述原理可知，設(shè)計了數(shù)字輸出型空氣流量計系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由PIC單片機(jī)、恒溫差保持和進(jìn)氣溫度檢測電路、流量檢測電路、輸出端口模塊4個部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．1 PIC單片機(jī)模塊

采用PIC16F1786作為主控器件。PIC16F176為8位RISC結(jié)構(gòu)，具有最大8 kW的程序存儲器，256字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，內(nèi)嵌11通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個可編程開關(guān)模式控制(PSMC)、4個比較器、1個16位定時器和UART通信接口，工作溫度范圍為-40～125 ℃，符合汽車級集成電路的需求。系統(tǒng)首先采用單片機(jī)自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器分時完成流量信號和進(jìn)氣溫度的數(shù)據(jù)采集；然后通過UART模塊與上位機(jī)通信完成空氣流量計出廠前的標(biāo)定工作；其次將流量信號和溫度信號的糾偏值存入單片機(jī)的EEPROM中；最后采用單片機(jī)的16位定時器和PSMC分別產(chǎn)生19 Hz、占空比可調(diào)的矩形波溫度信號和1．8～11 kHz、占空比50%的方波流量信號。

2．2 恒溫差保持和溫度檢測電路設(shè)計

通過AFS07傳感器中的片上環(huán)境溫度檢測電阻Re、加熱電阻溫度檢測電阻Rhd和外接電阻R1、R2、R3構(gòu)成一個恒溫差保持電橋，同時通過單片機(jī)內(nèi)置的比較器、功率三極管Q和電阻R4構(gòu)成恒溫差保持電路，其電路圖如圖2所示。初始狀態(tài)電橋不平衡，比較器的正負(fù)輸入端壓差為正，比較器輸出5 V使三極管Q導(dǎo)通，加熱電阻Rh加熱使得膜片中加熱溫度檢測電阻Rhd(緊挨著加熱電阻Rh)的阻值變大使得電橋平衡；當(dāng)比較器的正負(fù)輸入端壓差為負(fù)，比較器輸出0 V，三極管Q截止，加熱電阻Re停止加熱。設(shè)計中R1、R2和R3的阻值理論推導(dǎo)如下[5]。

圖2 溫度采集與恒溫差保持電路

設(shè)定Re0、Rhd0分別是環(huán)境進(jìn)氣溫度檢測電阻和加熱檢測電阻在0 ℃下的阻值，且溫敏系數(shù)分別為α、β，恒溫保持電橋平衡時有：

(1)

假設(shè)進(jìn)氣溫度為Tw，同時要保持Rhd與Re的溫差為常數(shù)ΔT，因此有如下公式：

Re=Re0·(1+αTw)

(2)

Rhd=Rhd0[1+β·(Tw+ΔT)]

(3)

消除Tw，聯(lián)合式(1)、式(2)和式(3)可解得：

(4)

進(jìn)氣溫度檢測是通過電阻R3上端的電壓Ue來反應(yīng)的，片上環(huán)境溫度檢測電阻Re在工作溫度范圍內(nèi)其阻值隨溫度呈線性關(guān)系，同時設(shè)計中R2的阻值遠(yuǎn)大于(R3+Re)的值。因此，電壓Ue隨進(jìn)氣溫度呈線性關(guān)系。將電壓Ue經(jīng)過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用轉(zhuǎn)換結(jié)果控制單片機(jī)中的16位定時器產(chǎn)生對應(yīng)溫度的頻率信號。

2．3 流量檢測電路設(shè)計

流量檢測電路通過膜片上4個流量檢測電阻構(gòu)成惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)，電橋的差分電壓經(jīng)過濾波、放大滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求，其電路圖如圖3所示。由運(yùn)算放大器A1、A2、A3和對應(yīng)電阻組成儀表放大電路。為了能夠精準(zhǔn)地測得流量信號，設(shè)計中采用集成儀表放大器INA33，其具有體積小、精密度高、溫度漂移小、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。

圖3 流量信號檢測電路

圖3中VIN+、VIN-分別與電橋中端點(diǎn)Up、Un相連接，同時通過調(diào)整外接電阻RG的阻值大小，就可實現(xiàn)對差分電壓放大倍數(shù)的控制。根據(jù)實驗結(jié)果可知，該放大倍數(shù)設(shè)計為100倍就可將流量的差分電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V。設(shè)計中RG的阻值可取1 kΩ，則輸出電壓VOUT為

(5)

式中A為放大倍數(shù)。

(6)

將上述輸出電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果去控制單片機(jī)的可編程開關(guān)模式控制器(PSMC)模塊產(chǎn)生流量信號對應(yīng)的頻率值，PSMC是一種高性能的脈寬調(diào)整器，有多種工作模式，通過軟件配置為頻率可變固定占空比的PWM模式。流量信號頻率的周期T計算公式如下：

(7)

式中：PSMCxPR[15:0]為一個16位寄存器;FPSMC_clk為PSMC的基準(zhǔn)時鐘。

2．4 輸出端口電路設(shè)計

由于單片機(jī)的I/O端口只能耐0～5 V，而輸出信號需拉到12 V使其能夠被ECU識別。因此，設(shè)計了如圖4所示輸出端口電路。該輸出端口通過對單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行配置可實現(xiàn)空氣流量計在校準(zhǔn)時具有串口通信的功能，在正常工作時可以輸出2路頻率信號。

圖4 端口輸出電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計思想，主要包括系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、串口通信和兩路頻率信號產(chǎn)生等子程序。其中系統(tǒng)自檢子程序完成單片機(jī)是進(jìn)入標(biāo)定模式還是進(jìn)入正常工作模式。系統(tǒng)初始化子程序主要完成看門狗、A/D轉(zhuǎn)換、定時器、PSMC、串口通信、I/O端口等單元的初始化工作。數(shù)據(jù)采集子程序完成流量信號和溫度信號的采集，設(shè)計中采用兩個通道分時采集傳感器輸出信號且對采集結(jié)果進(jìn)行均值濾波處理。串口通信子程序用于空氣流量計的標(biāo)定過程，首先確定好采樣點(diǎn)，然后將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機(jī)；上位機(jī)將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理后，再通過串口將相關(guān)參數(shù)和糾偏值寫入單片機(jī)的EEPROM中。兩路頻率信號產(chǎn)生子程序是通過PSMC模塊和16位定時器分別產(chǎn)生流量信號和溫度信號，首先是根據(jù)各自的A/D值分別計算出對應(yīng)的頻率值和占空比，然后讀出EEPROM中糾偏值對輸出信號進(jìn)行微調(diào)。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)軟件流程圖

4 試驗與結(jié)果分析

該測試環(huán)境溫度為室溫，由于受條件的限制，沒有進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)臏y試。

在不同氣流通過膜片表面時，測得空氣流量計對應(yīng)流量信號經(jīng)放大后的輸出電壓，實驗數(shù)據(jù)如圖6(a)所示；然后將樣機(jī)置于高低實驗箱中讓溫度從 -40 ℃升到120 ℃，每隔20 ℃記錄1次Ue的電壓值，實驗數(shù)據(jù)如圖6(b)所示，由圖6(b)可知溫度信號輸出電壓與溫度值呈線性關(guān)系，測試結(jié)果與設(shè)計完全吻合；最后由于設(shè)計中流量信號輸出是頻率值，需要建立空氣流量計的輸出電壓與輸出頻率之間的一種映射關(guān)系。因此畫出了空氣流量計輸出電壓與所需標(biāo)定周期的散列點(diǎn)如圖7所示。在誤差允許范圍內(nèi)，可以得出這樣的結(jié)論：流量信號的周期與其對應(yīng)的采集電壓呈線性關(guān)系。同時將樣機(jī)按照上述結(jié)論進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定后的樣機(jī)與進(jìn)口同類型的HFM7型空氣流量計進(jìn)行了對比試驗。測試結(jié)果如表1和表2所示，由表1、表2可知樣機(jī)的測量精度基本滿足了實際的需求。

(a)流量信號輸出電壓

(b)溫度信號輸出電壓

圖7 流量信號的采集電壓與其對應(yīng)輸出周期的關(guān)系

流量/(kg·h-1)HFM7頻率/Hz樣機(jī)頻率/Hz誤差/%1020202024±0.201521182214±0.197528962912±0.5516036453650±0.1431050965084±0.2464010651076±1.03

表2 溫度信號占空比對比實驗

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的數(shù)字輸出型空氣流量計能夠很好地檢測出發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量和進(jìn)氣溫度。該空氣流量計具有電路簡單、功耗低、成本低、可重復(fù)性好等特點(diǎn)?？紤]到汽車特定的環(huán)境，設(shè)計中采用貼片式電阻電容防沖擊；為防止震動防水，在控制電路板上澆灌了密封膠。因此該空氣流量計具有一定的工程實用價值。

[1] 王曉偉．車用熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的研究：[學(xué)位論文]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．

[2] 周景宇，文桂林，張邦基．車用熱膜式空氣流量計分析與設(shè)計．機(jī)械設(shè)計與制造，2012(7):12-14．

[3] 吳克剛．溫差式熱膜空氣質(zhì)量流量傳感器．長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2002,22(5):86-88．

[4] 余柏林．應(yīng)用于汽車的溫差式空氣流量傳感器的研究：[學(xué)位論文]．武漢：華中科技大學(xué)，2008．

[5] NAM T,KIM S,KIMTHE S,et al．temperature compensation of a thermal flow sensor with a mathematical method,The 12th International Conference on Solid State Sensor,Boston,2003．

Design and Implementation of Digital Thermal Air flow Meter

YANG Wen-tao1,WANG Ting-wang1,FENG Ze-kun1,LIU Chang-hua2,DAI Jian-fei2

(1．School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2．Nanchang Gongkong Electrical Assemble Co．,Ltd.,Nanchang 330001，China)

Aiming at the problems that digital thermal air flow meters were decreasing，an automotive digital air-flow meter which was based on a new type of silicon MEMS sensor and PIC16F1786 microcontroller was developed．The working mechanism of air-flow meter,sensing circuit and constant temperature difference controlling circuit were analyzed in detail．A flow mass square wave signal with 50% duty ration,the frequency varying from 1．8 kHz to 11 kHz,together with a 19 Hz-frequency varying-duty-ratio ambient temperature signal,which electronic control unit(ECU) needs were generated．Experiments were done on prototypes,and the results show that air-flow meter successfully detects the varying air mass flow and the ambient temperature with temperature well compensated．What’s more,the output cycle of signals generated by the air flow meter are linear with the output voltage of the sensor．

digital output;AFS07 series thermal air flow sensor;PIC16F1786;linear relationship;

2014-03-28 收修改稿日期：2014-10-12

TH715

A

1002-1841(2015)03-0033-03

楊文濤(1971—)，講師，博士，主要研究領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)研究與磁性材料。E-mail：unixoracle2000@163．com

王婷旺(1988—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為汽車電子與傳感器技術(shù)。E-mail：920347125@qq．com