基于ARM的熱式空氣流量計的設(shè)計

朱小會，袁玉霞，吳紫君

(1.鄭州科技學院，河南鄭州 450064；2.華北水利水電大學，河南鄭州 450064)

0 引言

隨著集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)以及微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得汽車電子行業(yè)發(fā)生了革命性的變化[1]。其中，最主要的變化就是現(xiàn)代汽車逐漸淘汰了傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動機，而是采用電子控制燃油噴射系統(tǒng)。空氣流量計作為電子控制燃油噴射系統(tǒng)的核心，其安裝在空氣濾芯和節(jié)氣門之間的進氣通道之間，用于實時測量發(fā)動機的進氣量，再綜合點火時間、曲軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對噴油量進行修正，實現(xiàn)準確控制空燃比的目的。目前用于測量發(fā)動機進氣量的空氣流量計可大致分為體積流量型以及質(zhì)量流量型兩類，質(zhì)量型流量計即熱式空氣流量計，其相比于體積型流量計具有響應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點。本文設(shè)計了一種基于ARM的熱式空氣流量計，其基于恒溫差測量原理，將2個鉑電阻分別安裝在惠斯登電橋的兩端，通過測量惠斯登電橋輸出端電壓的變化情況來計算出空氣流量值，熱式空氣流量計在能源、航天航天以及汽車電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。

1 熱式空氣流量計測量原理

熱式空氣流量計是依據(jù)Thomas理論進行設(shè)計的，依據(jù)理論[4]，空氣中氣體的流量與電能的消耗量可以用式(1)表示：

E=C·ΔT·q

(1)

式中：E為加熱電阻上電能的消耗量，J；C為空氣的比熱容，J/(kg·℃)；ΔT為加熱電阻與進氣溫度的差值，℃；q為單位時間內(nèi)空氣的質(zhì)量流量，kg/h。

根據(jù)式(1)可得空氣的質(zhì)量流量為

(2)

由式(2)可知，當C為定值時，空氣質(zhì)量流量q只與E和ΔT相關(guān)，若保持加熱電阻與空氣進氣的溫度差值ΔT恒定，那么空氣質(zhì)量流量q只與加熱電阻所消耗的電能E有關(guān)。

本文設(shè)計的熱式空氣流量計利用惠斯登電橋平衡原理來保持ΔT恒定，具體原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測量原理圖

惠斯登電橋Ua、Ub兩端電壓可以表示為

(3)

(4)

R1R4=R2R3

(5)

由式(5)可知，任一電阻發(fā)生變化都會打破電橋平衡。

將采用正溫度系數(shù)制成的加熱電阻R1置于汽車發(fā)動機的進氣道中，當空氣流經(jīng)R1時會帶走R1上的熱量，R1的阻值會下降，由式(5)可知，惠斯登電橋失去平衡狀態(tài)，為了讓電橋重新恢復平衡狀態(tài)，需要增加流過R1的電流，當R1電流增大溫度上升時，R1電阻阻值也會增加，從而使得電橋達到新的平衡。

系統(tǒng)就是利用惠斯登電橋原理，當系統(tǒng)為了維持電橋平衡而增加加熱電阻R1上流過的電流，通過采集流過R1電流變化引起的電壓變化來計算得到R1電阻上消耗的電能E，從而來得到空氣的質(zhì)量流量信號。

2 基于ARM的熱式空氣流量計硬件電路設(shè)計

熱式空氣流量計硬件電路主要包括惠斯登電橋控制電路、流量傳感器信號調(diào)理電路、信號調(diào)理電路、V-I轉(zhuǎn)換電路以及電源電路等[5]。當空氣流經(jīng)加熱電阻帶走熱量時，通過增加流過加熱電阻的電流來保持惠斯登電橋平衡，電橋輸出的電壓信號十分微弱，必須經(jīng)高精度儀用放大電路放大濾波處理之后才能送入單片機內(nèi)部的A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的4～20 mA標準電流信號，硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 傳感器單元

傳感器單元是系統(tǒng)的核心部件，因此在傳感器選型時需要考慮到傳感器的可靠性、精度、響應(yīng)速度以及尺寸大小等問題[6]。傳感器對空氣流量的測量依賴于傳感器中的加熱電阻和溫度補償電阻，其均為正熱敏電阻，在-60～300 ℃內(nèi)有著較高的穩(wěn)定性。一般情況下空氣流量計允許的誤差范圍在±(2%～3%)，因此對加熱電阻材料的選取要求較為嚴格，本文選用電阻率高、穩(wěn)定性好的鉑電阻作為加熱電阻。

2.2 恒溫差控制電路

本文設(shè)計的熱式空氣流量計采用恒溫差的方案，主要通過惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)恒溫控制，恒溫控制電路主要是由惠斯登電橋、三極管以及運算放大器組成[7]，具體電路圖如圖3所示。

圖3 恒溫差控制電路

電阻R21、R22、R23、R24、R25、R26構(gòu)成了惠斯登電橋電路，其中R23為鉑制成的加熱電阻，當空氣吹過R23引起電阻值改變時，由上述測量原理可知，電橋失衡，此時電橋的A、B點電位會發(fā)生變化。由運算放大器U1、U2及Q8組成的電流反饋電路負責維持電橋的平衡，當電橋失衡，A、B的電位差值被U1、U2及其外圍電路檢測到并作適當放大，最后用放大后的電壓去調(diào)控功率三極管Q8的基極，使得反饋控制電路根據(jù)電壓大小調(diào)節(jié)流過加熱電阻R23中電流的大小，最終使得惠斯登電橋達到平衡狀態(tài)。

當惠斯登電橋中R23中的電流變化時，與其處于同一支線的R26中電流也會隨之變化，取R26兩端的電壓作為流量輸出的電壓信號。流量信號輸出電路是由運放AD8610構(gòu)成的反相比例放大電路組成，將維持電橋平衡的電壓信號經(jīng)過適當放大處理后送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成比例的空氣流量信號[8]。

由上述測量原理可知，惠斯登電橋所用的加熱電阻為正溫度系數(shù)的溫敏電阻，電阻阻值隨溫度變化而變化，因此若環(huán)境溫度變化時，也會造成電橋失衡，引起測量誤差[9]。為了避免氣溫波動帶來的測量誤差，系統(tǒng)做了如下處理：將相同溫度系數(shù)的電阻R21接入加熱電阻對應(yīng)的橋壁上，此時當環(huán)境溫度變化時，A、B兩端的電壓就會保持同等大小的增減，使得UAB保持不變，避免了空氣溫度波動引起的測量誤差。

2.3 V-I轉(zhuǎn)換電路

由于車用熱式流量計的接口一般為4～20 mA的電流信號，因此需要將流量計輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號[10]。當惠斯登電橋輸出的電壓信號被單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采集后，經(jīng)過相關(guān)算法把電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量值。再利用單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器將此數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的模擬電壓信號，最后通過V-I轉(zhuǎn)換電路把其轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號，方便傳輸。V-I轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 V-I轉(zhuǎn)換電路

本文利用OPA333實現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換，圖中DACOUT接單片機DAC的輸出口，由C43進行數(shù)字噪聲場濾波之后送入運放0PA333進行1∶1緩沖后，經(jīng)Q4進行電流放大，在R43上形成檢測電壓，C45進行去抖動處理，最后在AN_OUT+、AN_OUT-之間形成4～20 mA的輸出電流。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的必要組成部分，其采用C語言編程，編譯環(huán)境為Keil。當系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復位操作，然后開始啟動內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換程序，把惠斯登電橋輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為可被單片機處理的數(shù)字信號，再經(jīng)過相關(guān)算法計算出空氣的流量值，再由單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器將處理過后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，供后續(xù)V-I轉(zhuǎn)換電路使用，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)以上軟硬件設(shè)計，研制了基于ARM的熱式空氣流量計，接下來開始驗證系統(tǒng)的精度。首先需要對系統(tǒng)進行標定，如圖6所示，采用空氣壓縮機作為風源，在空氣壓縮機輸出氣體的管道上分別安裝標準流量計和本文研制的熱式空氣流量。

圖6 測試裝置原理圖

實驗時啟動壓縮機，打開壓縮機管道上的閥門，通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)流過管道中氣體的流速，把標準流量計采集到的空氣流速值與研制的熱式空氣流量計采集到的數(shù)據(jù)進行對比，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。流速與惠斯登電橋輸出電壓的關(guān)系如圖7所示。

表1 實驗室數(shù)據(jù)對比

圖7 空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

對表1數(shù)據(jù)進行最小二乘法三次多項式擬合，得到空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓數(shù)學模型：

Q=0.99V3+0.33V2+0.16V-5.553 9

(1)

式中：Q為空氣流速，m/s；V為惠斯登電橋的輸出電壓，V。

利用式(1)可以通過測量惠斯登電橋的電壓間接測量管道內(nèi)空氣的流速。系統(tǒng)的測量誤差在1%以內(nèi)，本文研制的熱式空氣流量計具有較高的測量精度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM的熱式空氣流量計，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對應(yīng)橋臂上增加正溫度系數(shù)的電阻，來減小環(huán)境溫度變化引起的測量誤差；系統(tǒng)將微型流量傳感器與惠斯登反饋電橋電路有機結(jié)合在一起，提高了熱式流量計的響應(yīng)速度。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有具有測量精度高、硬件電路設(shè)計簡單、體積小等特點。