（.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430074; .華中科技大學(xué)大電子與信息工程學(xué)院，武漢430074）

基于單片機(jī)的活塞溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志勇1，黃榮華1，龔軍2
（1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430074; 2.華中科技大學(xué)大電子與信息工程學(xué)院，武漢430074）

通過觸發(fā)開關(guān)、巡弋開關(guān)模塊、存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)，開發(fā)一套存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)。經(jīng)過固化封裝，系統(tǒng)誤差標(biāo)定，可以達(dá)到較高的測試精度。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上速度由1 000 r/min到2 100 r/min的活塞溫度變化趨勢。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，可靠性高的特點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度單片機(jī)存儲(chǔ)式測量

1 引言

存儲(chǔ)式測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄，通過接口電路與計(jì)算機(jī)通訊，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。廣義的存儲(chǔ)式測試技術(shù)包括瞬態(tài)波形記錄儀、卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)是微型化測量系統(tǒng)，由觸發(fā)開關(guān)、模擬開關(guān)和存儲(chǔ)器3部分構(gòu)成。該測試系統(tǒng)安裝盒體積只有44 cm3，存儲(chǔ)測試系統(tǒng)總質(zhì)量為30 g。電路板固化封裝后，可以承受700 g沖擊加速度，長時(shí)間耐溫為120℃，瞬時(shí)耐溫180℃；不需要引線，通用性較強(qiáng)；體積小，可以直接安裝在活塞裙部?？垢蓴_能力強(qiáng)、可靠性高是該存儲(chǔ)式活塞溫度系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)。

2 電路的設(shè)計(jì)原則

1）高性能

由于測試系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，引起動(dòng)態(tài)測試誤差的因素比普通環(huán)境下的更多、更復(fù)雜，要考慮被測參量的變化規(guī)律及特點(diǎn)、測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、以及干擾的影響等，要求存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的高性能[1]。

2）體積的要求

存儲(chǔ)測試裝置要置于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，并且要求存儲(chǔ)測試裝置對被測對象的影響盡可能小，不能破壞活塞、連桿、曲軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這就要求存儲(chǔ)式測試裝置要做到體積小、重量輕，這是對測試裝置的一個(gè)重要要求。為了減小體積，通常的方法是簡化電路的結(jié)構(gòu)，刪除不必要的功能，只保留必不可少的最基本功能[2]。在活塞溫度測量系統(tǒng)中，將熱電偶的冷端補(bǔ)償溫度和高溫端與冷端的溫差分開測量，熱電偶的測溫信號(hào)不做處理，以毫伏級電壓顯示等簡化思想以求縮小測試系統(tǒng)的體積，減輕其重量。

3）功耗要求

存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)被固定在裙部上，對電源有極為苛刻的限制。一方面是因?yàn)殡姵氐捏w積在測試裝置中占有較大的比重，降低能耗可以有效地減小電池的體積；另一方面是因?yàn)闇y試過程往往非常復(fù)雜，要求在未做試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)測試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，在開始做試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)處于正常能耗狀態(tài)；試驗(yàn)完成后，還要有一段時(shí)間才能取出存儲(chǔ)器模塊，要求測試系統(tǒng)有低功耗數(shù)據(jù)保持態(tài)，有時(shí)還需要有專門的數(shù)據(jù)保持電源[3]。

4）耐高溫要求

動(dòng)態(tài)測試裝置要承受苛刻的環(huán)境溫度?；钊诠ぷ鲿r(shí)，缸套內(nèi)的溫度高于100℃，通過采用絕熱隔溫措施，使得存儲(chǔ)系統(tǒng)能經(jīng)受住長期高溫的考驗(yàn)[4]。

5）抗沖擊要求

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，整套測試系統(tǒng)要承受700 g的過載。測試裝置在安裝固定時(shí)必須具備抗高沖擊的能力，要有抗沖擊的殼體結(jié)構(gòu)，緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電路模塊還必須采用抗沖擊的封裝技術(shù)。

3 存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)包括3部分：觸發(fā)開關(guān)、巡弋開關(guān)模塊和存儲(chǔ)器模塊。其電路原理框圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)原理框圖

3.1 觸發(fā)開關(guān)的設(shè)計(jì)

觸發(fā)開關(guān)是為了使測試系統(tǒng)在不做試驗(yàn)時(shí)處于低功耗狀態(tài)；一旦開始進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，該開關(guān)觸發(fā)存儲(chǔ)式活塞溫度測量系統(tǒng)，進(jìn)行正常的工作狀態(tài)，其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其工作原理是通過改變R3的阻值，給測試系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)溫度閥值。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，NTC負(fù)溫?zé)崦綦娮璧淖柚稻蜁?huì)迅速下降，NTC負(fù)溫?zé)崦綦娮鑳啥说碾妷壕蜁?huì)降低。如果VR3≥VNTC，觸發(fā)開關(guān)輸出端INT0為高，開啟巡弋開關(guān)模塊正常工作，測溫系統(tǒng)處于高功耗狀態(tài)；不做試驗(yàn)時(shí)，觸發(fā)開關(guān)輸出端INT0為低，系統(tǒng)休眠，處于低功耗狀態(tài)。

圖2 觸發(fā)開關(guān)的原理圖

3.2 巡弋開關(guān)模塊設(shè)計(jì)

巡弋開關(guān)模塊由熱電偶補(bǔ)償電路、STC54C10AD芯片以及4051BM芯片組成，如圖3所示。熱電偶補(bǔ)償電路是由Pt100鉑電阻組成橋式補(bǔ)償電路，通過測量Pt100兩端的電壓Vx和100Ω電阻兩端的電壓V100計(jì)算出熱電偶的冷端溫度，冷端溫度Tx計(jì)算公式為。從上式中可以看出，只要測量出Vx、V100就可以得到冷端的溫度，測試過程中Vx、V100通過4051BM輸往存儲(chǔ)器模塊。

圖3 巡弋開關(guān)模塊原理框圖

當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為低時(shí)，STC54C10AD單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，不工作；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為高時(shí)，程序喚醒STC54C10AD，開始工作，按照2 s的周期依次打開4051BM的8個(gè)通道，熱電偶讀數(shù)有效地輸往存儲(chǔ)器中。STC54C10AD單片機(jī)內(nèi)部使用的程序流程框圖如圖4所示。

圖4 巡弋開關(guān)模塊內(nèi)部程序流程框圖

3.3 存儲(chǔ)器模塊電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器模塊是存儲(chǔ)式活塞溫度測量的核心部件，它決定了試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和獲取，在性能上有如下要求：

（1）能按照一定的頻率，采集、記錄數(shù)據(jù)，自帶時(shí)鐘，具有定時(shí)開關(guān)功能和讀取功能；

（2）記錄斷電過程，避免數(shù)據(jù)丟失；

（3）存儲(chǔ)器在數(shù)據(jù)讀取過程中因斷電而數(shù)據(jù)丟失（包括電源電量耗盡的情況）；

（4）數(shù)據(jù)的記錄格式在時(shí)間上呈現(xiàn)出有序性。

圖5 存儲(chǔ)器模塊結(jié)構(gòu)框圖

存儲(chǔ)器模塊由電源、LT712芯片、PIC16F84A單片機(jī)、24LC256存儲(chǔ)芯片和LT809芯片組成。電源采用3.6 V鋰電供電，LT712是一個(gè)信號(hào)源，用來提高LT809即A/D精度，用來提高數(shù)據(jù)的分辨率，本存儲(chǔ)模塊的電壓分辨率為±5 μV。PIC16F84A是控制器，控制每次記錄數(shù)據(jù)都從24LC256存儲(chǔ)器的每頁0地址開始，記滿一頁時(shí)翻頁，電壓存儲(chǔ)模塊中使用2片24LC256存儲(chǔ)芯片。存儲(chǔ)器模塊讀寫程序本著操作簡單、良好的人機(jī)界面要求完成讀寫功能，存儲(chǔ)器模塊內(nèi)部程序框圖如圖6所示。存儲(chǔ)器中一個(gè)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖如圖7所示。

圖6 存儲(chǔ)器模塊內(nèi)部程序框圖

圖7 存儲(chǔ)器中一個(gè)周期的數(shù)據(jù)截圖

4 測試系統(tǒng)絕熱隔溫、組裝流程

由于測試系統(tǒng)隨活塞一起運(yùn)動(dòng)，必將受到缸套內(nèi)復(fù)雜的高溫環(huán)境的影響，所以必須對測量系統(tǒng)進(jìn)行固化封裝和絕熱隔溫封裝。另外，熱電偶冷端補(bǔ)償也需要熱電偶低溫端的環(huán)境溫度穩(wěn)定，所以對2個(gè)模塊使用高溫絕熱膠獨(dú)立固化封裝。采用恒溫盒對測量模塊進(jìn)行隔熱降溫，恒溫盒的內(nèi)壁采用4層結(jié)構(gòu)，2層1 mm厚的復(fù)合材料絕熱層和2層0.5 mm厚的無機(jī)絕熱材料云母片，恒溫盒斷面圖如圖8所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)活塞和測試系統(tǒng)要受最大700 g的加速度，對測量系統(tǒng)機(jī)械沖擊載荷非常大，復(fù)合材料絕熱層是軟質(zhì)材料，可以緩沖測量模塊的慣性力，提高系統(tǒng)的抗機(jī)械載荷的能力。隔溫盒的外壁以0.8 mm不銹鋼作為材質(zhì)。固定座選用AlMg5F22鋁合金，整套測量系統(tǒng)的裝配實(shí)物圖如圖9所示。

圖8 隔熱保溫盒截面示意圖

圖9 整套測量裝置圖

在進(jìn)行測溫之前，要檢測芯片設(shè)計(jì)正確，絕熱隔溫措施可靠，能夠經(jīng)受住嚴(yán)酷工作環(huán)境的考驗(yàn)。存儲(chǔ)式測試系統(tǒng)的檢測流程：邏輯設(shè)計(jì)實(shí)物仿真制版性能檢測固化封裝高溫老化系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 測試系統(tǒng)的高溫誤差標(biāo)定

整套系統(tǒng)在恒溫箱內(nèi)，溫度加熱到135℃，恒溫90 min，進(jìn)行系統(tǒng)誤差標(biāo)定。標(biāo)定采用電位差計(jì)輸出電壓模擬熱電偶輸出，電壓從4.92 mV到9.75 mV，間隔約0.8 mV，相當(dāng)于溫度從120℃到240℃熱電偶溫度輸出間隔20℃。系統(tǒng)誤差隨標(biāo)定溫度變化如圖10所示。從圖10可以看出，采取的隔熱措施非常得力，使得這個(gè)測量系統(tǒng)在135℃的環(huán)境中性能穩(wěn)定，而且系統(tǒng)誤差為25℃左右，變化甚微，原則上可以認(rèn)為系統(tǒng)誤差+25℃時(shí)，測量誤差在±1℃之內(nèi)，測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)成功。

圖10 測量系統(tǒng)高溫系統(tǒng)誤差

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞測溫試驗(yàn)

在活塞上設(shè)置了5個(gè)溫度測量點(diǎn)，分別是：燃燒室中心為特征點(diǎn)1，底面倒角為特征點(diǎn)2，活塞頂面倒角為特征點(diǎn)3，第1道環(huán)槽底面為特征點(diǎn)4，第2環(huán)槽底面為特征點(diǎn)5。K性熱電偶封裝成悶頭，悶頭外徑直徑為Φ3 mm，內(nèi)徑Φ1.8 mm，帶有一定錐度。埋設(shè)在悶頭內(nèi)部的熱電偶導(dǎo)線先用玻璃纖維絕緣，再使用高溫導(dǎo)熱絕緣膠與悶頭封裝；悶頭外部的熱電偶導(dǎo)絲使用玻璃纖維絕緣，絕緣層的外面套上高溫耐油塑料套管。套管的最高使用溫度為260℃，短時(shí)耐溫高達(dá)320℃。熱電偶的測溫觸點(diǎn)距離堵頭頂端的距離δ為：δ1=1.2 mm，δ2=1.2 mm，δ3=0.4 mm，δ4=0.6 mm，δ5=0.6 mm，其測點(diǎn)布置示意圖如圖11所示。

將測試系統(tǒng)安裝在EQD180發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的裙部，在10 min內(nèi)，轉(zhuǎn)速從1 000 r/min到2 100 r/min過程中，測得活塞上5個(gè)測點(diǎn)的溫度變化曲線如圖12所示。

6 結(jié)論

本文利用單片機(jī)和存儲(chǔ)芯片，通過巡弋開關(guān)模塊、觸發(fā)開關(guān)和存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度的測量。去除系統(tǒng)誤差25℃后，測試結(jié)果可以達(dá)到較高的精度。單片機(jī)的使用，減小了電路板的體積，從而減小了整個(gè)測試系統(tǒng)的體積。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞測試結(jié)果表明，此測試系統(tǒng)有較好的使用性。

圖11 測點(diǎn)布置示意圖

圖12 活塞溫度測試實(shí)例

1祖靜，張文棟．電子測壓蛋[J]．兵工學(xué)報(bào)，1991（1）：12-16.

2 Littrell D M,Jamison K A,Hudson R D,et al.Measurement of Acceleration Using an Instrumented Railgun Projectile.AD253366,June,1992.

3郭紅英．存儲(chǔ)測試專用集成電路成測技術(shù)研究[D]．中北大學(xué)，2007．

4譚建松．柴油機(jī)活塞熱沖擊的試驗(yàn)研究[D]．浙江大學(xué)，2005．

Design of Piston Temperature Measurement System Based on Single Chip STC54C10AD

Zhang Zhiyong1,Huang Ronghua1,Gong Jun2
（1.School of Energy and Power Engineering Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China;2.The Department of electronics and Information Engineering Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Through designing the trigger switch,cruise switch module,and memory module，a system of piston temperature measurement is developed by storing trial data.A better precision is gotten with consolidation package and system error calibration.The system is verified in a natural gas engine,and piston temperature is obtained at speed from 1000r/min to 2100 r/min of the full throttle test of the engine.The result shows that the system has stable performance and high reliability.

engine,piston temperature,Single chip,memory,measurement

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.008

來稿日期：2011-05-13

張志勇（1979-），男，博士生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的可靠性及測試技術(shù)。