朱小會，袁玉霞，吳紫君

(1.鄭州科技學(xué)院，河南鄭州 450064；2.華北水利水電大學(xué)，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(jī)，而是采用電子控制燃油噴射系統(tǒng)。空氣流量計(jì)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(jìn)氣通道之間，用于實(shí)時(shí)測量發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，再綜合點(diǎn)火時(shí)間、曲軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對噴油量進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制空燃比的目的。目前用于測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的空氣流量計(jì)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(jì)即熱式空氣流量計(jì)，其相比于體積型流量計(jì)具有響應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的熱式空氣流量計(jì)，其基于恒溫差測量原理，將2個(gè)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(jì)算出空氣流量值，熱式空氣流量計(jì)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(jì)測量原理

熱式空氣流量計(jì)是依據(jù)Thomas理論進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)氣溫度的差值，℃；q為單位時(shí)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(dāng)C為定值時(shí)，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(jìn)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(jì)的熱式空氣流量計(jì)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(jī)的進(jìn)氣道中，當(dāng)空氣流經(jīng)R1時(shí)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(fù)平衡狀態(tài)，需要增加流過R1的電流，當(dāng)R1電流增大溫度上升時(shí)，R1電阻阻值也會增加，從而使得電橋達(dá)到新的平衡。

系統(tǒng)就是利用惠斯登電橋原理，當(dāng)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(jì)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(jì)硬件電路設(shè)計(jì)

熱式空氣流量計(jì)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(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻帶走熱量時(shí)，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(jī)內(nèi)部的A/D進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(bǔ)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(jì)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(yán)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(jì)的熱式空氣流量計(jì)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(yùn)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(dāng)空氣吹過R23引起電阻值改變時(shí)，由上述測量原理可知，電橋失衡，此時(shí)電橋的A、B點(diǎn)電位會發(fā)生變化。由運(yùn)算放大器U1、U2及Q8組成的電流反饋電路負(fù)責(zé)維持電橋的平衡，當(dāng)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(dāng)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(dá)到平衡狀態(tài)。

當(dāng)惠斯登電橋中R23中的電流變化時(shí)，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(yùn)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(dāng)放大處理后送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(shí)，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(shí)當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，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(jì)的接口一般為4～20 mA的電流信號，因此需要將流量計(jì)輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號[10]。當(dāng)惠斯登電橋輸出的電壓信號被單片機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換，圖中DACOUT接單片機(jī)DAC的輸出口，由C43進(jìn)行數(shù)字噪聲場濾波之后送入運(yùn)放0PA333進(jìn)行1∶1緩沖后，經(jīng)Q4進(jìn)行電流放大，在R43上形成檢測電壓，C45進(jìn)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(dāng)系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)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(jī)處理的數(shù)字信號，再經(jīng)過相關(guān)算法計(jì)算出空氣的流量值，再由單片機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)以上軟硬件設(shè)計(jì)，研制了基于ARM的熱式空氣流量計(jì)，接下來開始驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。首先需要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖6所示，采用空氣壓縮機(jī)作為風(fēng)源，在空氣壓縮機(jī)輸出氣體的管道上分別安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和本文研制的熱式空氣流量。

圖6 測試裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動壓縮機(jī)，打開壓縮機(jī)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(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采集到的空氣流速值與研制的熱式空氣流量計(jì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行最小二乘法三次多項(xiàng)式擬合，得到空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓數(shù)學(xué)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(jì)具有較高的測量精度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的熱式空氣流量計(jì)，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(jī)結(jié)合在一起，提高了熱式流量計(jì)的響應(yīng)速度。實(shí)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(jì)簡單、體積小等特點(diǎn)。