小型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡寧博

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控小型油動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于K型熱電偶的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模擬開(kāi)關(guān)CD4052作通道切換，選通的熱電偶信號(hào)經(jīng)儀表放大電路放大調(diào)理，由STM32F103控制器片上A/D采集，經(jīng)DSl8820數(shù)字溫度傳感器作冷端補(bǔ)償，最終以Modbus RTU協(xié)議將溫度值發(fā)送到485總線上。經(jīng)調(diào)試校準(zhǔn)，該溫度監(jiān)控系統(tǒng)在蚊子輕型直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度范圍內(nèi)與原機(jī)溫度儀表相差±3℃，且工作穩(wěn)定抗干擾能力較強(qiáng)，有效地保障了發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，各種類(lèi)型無(wú)人機(jī)層出不窮。其中，油動(dòng)無(wú)人機(jī)以載重量大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到諸多行業(yè)用戶的青睞。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)影響著油動(dòng)無(wú)人機(jī)的載重能力、飛行質(zhì)量以及無(wú)人機(jī)的可靠性和安全性。監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的手段主要是測(cè)量缸頭及排氣溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，水冷發(fā)動(dòng)機(jī)還可以監(jiān)測(cè)冷卻液溫度。飛行中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)損害最大的因素就是發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，因此要嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭及排氣在正常范圍內(nèi)。

熱電偶測(cè)溫范圍寬，而且體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)，熱端可與被測(cè)物體有良好熱接觸，因而測(cè)溫準(zhǔn)確度較高。與其他測(cè)溫手段相比，更適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭溫度及排氣溫度的測(cè)量。

針對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試及飛行時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的需求，我們參考蚊子直升機(jī)溫度儀表電路，設(shè)計(jì)了以K型熱電偶為測(cè)溫元件，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理及采樣計(jì)算，通過(guò)485總線以Modbus協(xié)議發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，供無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)采集并下傳到地面站以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路組成框圖如圖1所示。熱電偶傳感器信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過(guò)通道切換電路，選通單通道進(jìn)行采集。因?yàn)闇囟炔豢赡芡蛔?，因此逐通道采集并不?huì)影響觀測(cè)。選通的某通道電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大后由微控制器用片上A/D傳感器采集。微控制器同時(shí)采集冷端溫度，對(duì)采集到的熱電偶電壓進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算最終得到熱電偶傳感器溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到485總線。

通道切換電路

溫度監(jiān)控系統(tǒng)通道切換電路部分如圖2所示。

采用模擬開(kāi)關(guān)CD4052作通道切換。CD4052是雙四路模擬開(kāi)關(guān)，具有較低的導(dǎo)通阻抗和截止漏電流。芯片10腳和9腳為地址端，根據(jù)地址選通一路信號(hào)進(jìn)入后續(xù)調(diào)理放大電路。串聯(lián)的R5、R17與輸出端的C1、C3構(gòu)成RC慮波電路。R4、R16等下拉電阻在發(fā)生斷偶故障時(shí)拉低輸入電平。

信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。采用四運(yùn)放LMC660CM接成儀表運(yùn)算放大器。其中U2A和U2D為同向差分輸入方式，同向差分輸入可以提高電路輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱信號(hào)的衰減。差分輸入使電路僅放大差模信號(hào)，而對(duì)共模信號(hào)只起跟隨作用，從而提高輸入后級(jí)運(yùn)放的共模抑制比CMRR。U2C與外圍元件組成差分放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大。差分放大器輸出信號(hào)經(jīng)電阻分壓后送入U(xiǎn)2B構(gòu)成的電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，增強(qiáng)了信號(hào)調(diào)理電路的帶負(fù)載能力，減小A，D輸入阻抗對(duì)輸入信號(hào)的影響。與傳統(tǒng)儀表放大器用法相比，增加了R2、R29偏置電阻，引入了直流偏置。

假設(shè)運(yùn)放U2A與U2D正輸入端電壓分別為U1、U2，輸出端電壓為Uol、U02，運(yùn)放U2C正負(fù)端輸入電壓分別為Ui2、Uil。輸出端電壓為Uo。+5V電壓為VCC根據(jù)運(yùn)放虛短路虛斷路原理得：

當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，偏置量為0.5V。該偏置量可以將一定范圍內(nèi)的輸入負(fù)電壓信號(hào)抬升到正電壓輸出，方便后續(xù)A/D采集。熱電偶輸出電壓范圍為-6.358-+54.886mV對(duì)應(yīng)溫度為-270%-+1372%，經(jīng)過(guò)放大電路后輸出電壓范圍為81.64mV-4.111V。R12與R侶分壓后送單片機(jī)AD采集，D1為鉗位輸入A/D電壓的穩(wěn)壓二極管，R32為消反射電阻。信號(hào)調(diào)理電路中，所需電阻均應(yīng)采用高精度低溫漂電阻以減小誤差。在軟件調(diào)試時(shí)，要根據(jù)實(shí)際測(cè)得的電路放大倍數(shù)和直流偏置量進(jìn)行計(jì)算。要進(jìn)一步提高精度，可以采用集成儀表放大器。

控制器及接口電路

信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓直接送控制器片上AID進(jìn)行采集?？刂破鞑捎?2位ARM微控制器STM32F103RET6，該控制器有512KB ROM和64KB RAM。最高工作頻率72MHz，片上集成了16×12bitAID、3路USART、2路UART以及其他外設(shè)，適用于嵌入式控制場(chǎng)合。485接口電平轉(zhuǎn)換采用MAX3485，3.3V供電與控制器兼容。溫度補(bǔ)償采用單總線溫度傳感器DSl8820采集冷端溫度。為了提高溫度補(bǔ)償?shù)木?，可以將采集冷端溫度?8820傳感器從板上引出安裝在熱電偶傳感器與普通導(dǎo)線對(duì)接的接頭附近。

電源電路

圖4為溫度監(jiān)控系統(tǒng)電源電路。外部供電10～30V，經(jīng)DC—DC模塊TPS5430DDAR降壓到5.5V。TPS5430是一個(gè)高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器，最大輸出電流3A，片上集成了低阻抗高側(cè)N溝道MOSFET，開(kāi)關(guān)頻率固定為500kHz。通道切換和信號(hào)調(diào)理電路所需的+5V由LDO芯片HT7550提供，并經(jīng)截止頻率約78kHz的Tr形濾波器濾除電源噪聲。控制器及接口電路所需的3.3V電源由LDO HT7533提供。控制器模擬部分供電VDDA由3.3V電源經(jīng)截止頻率約為78.2kHz的Tr形濾波器濾波后提供。反相器74HCl 4D搭建成的震蕩電路配合D2，D3及C12構(gòu)成電荷泵，對(duì)5.5V進(jìn)行反向提供通道切換及信號(hào)調(diào)理電路所需的5V電源。

軟件部分設(shè)計(jì)

軟件功能比較簡(jiǎn)單，而且溫度參數(shù)為緩變量，對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求不是很高，因此采用單循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，逐通道采集、計(jì)算。通信部分采用中斷方式接收和發(fā)送。使通訊響應(yīng)更為迅速。

主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。上電后先配置IO口、串口、A/D等。初始化溫度傳感器18820和看門(mén)狗然后進(jìn)入主循環(huán)，依次采集冷端溫度及各通道溫度，最終執(zhí)行喂狗操作。