基于單片機(jī)溫度測量的標(biāo)定方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/溫度">溫度是表征航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)是否正常的最重要的參數(shù)之一，也是飛行員和維護(hù)人員必須掌握的重要參數(shù)，所以精確有效的檢測溫度至關(guān)重要。

在基于單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)中，溫度標(biāo)定是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。本文在航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度檢測電路的基礎(chǔ)上，通過對不同標(biāo)定方法的研究，提出了一種改進(jìn)的溫度標(biāo)定方法，該方法利用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)同完成溫度的標(biāo)定。

1 硬件設(shè)計(jì)

熱電偶是測量航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟鹊某Ｓ脺囟葌鞲衅?，其中K型熱電偶由于線性好、熱電動(dòng)勢較大、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中使用毫伏源模擬熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用高精度的AD7606芯片，其是16位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號。

主控MCU采用高性能16位飛思卡爾單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)。

上位機(jī)采用Delphi設(shè)計(jì)，通過CAN接口與單片機(jī)通訊，顯示AD值和溫度值，并可向下位機(jī)發(fā)出指令，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 溫度標(biāo)定方法的對比和研究

2.1 查表法

在實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對程序的運(yùn)算速度要求較高。若完全利用CPU多次重復(fù)處理同一復(fù)雜運(yùn)算，將占用較長時(shí)間。為避免復(fù)雜的現(xiàn)場運(yùn)算、縮短運(yùn)算時(shí)間，可采用查表法將復(fù)雜的運(yùn)算事先做好，將結(jié)果存儲在內(nèi)存中，程序運(yùn)行需要該運(yùn)算時(shí)將結(jié)果調(diào)出即可。

查表法需要制作數(shù)據(jù)量很大的表格才能獲得較高的精度，這將占用較大的內(nèi)存。若硬件發(fā)生改變，必須重新計(jì)算并制作表格，軟件可移植性差。

2.2 直接擬合法

根據(jù)熱電偶分度表，調(diào)節(jié)輸入電壓值，通過上位機(jī)顯示記錄轉(zhuǎn)換后的AD值。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量與實(shí)測的溫度值之間不具有線性關(guān)系，工程上常采用最小二乘法對其進(jìn)行擬合，求出函數(shù)關(guān)系。將該函數(shù)寫入下位機(jī)程序，即可將測得的AD值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值。

直接擬合法的缺點(diǎn)在于不能調(diào)零和調(diào)滿，而且硬件一旦發(fā)生改變，相關(guān)函數(shù)必須重新擬合，軟件可移植性差。

2.3 二次擬合法

二次擬合法是在直接擬合法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其原理如圖2所示。

熱電偶測量溫度得到的熱電動(dòng)勢(V)與實(shí)測的溫度值(T)之間不具備線性關(guān)系，根據(jù)其分度表采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到函數(shù)關(guān)系T=f(V);由于輸入的電壓信號與A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量之間線性關(guān)系較好，采用兩點(diǎn)法求得V=g(AD)，利用該函數(shù)關(guān)系可實(shí)現(xiàn)調(diào)零和調(diào)滿。上面兩個(gè)函數(shù)復(fù)合得到溫度與AD值之間的函數(shù)關(guān)系T=f[g(AD)]。

軟件流程如圖3所示，由于V和AD值之間呈線性關(guān)系，可設(shè)V=aAD+b(a，b為常數(shù))。令T=f(aAD+b+Vx)，Vx初始值為零。首先調(diào)零，輸入零點(diǎn)溫度對應(yīng)的電壓V0，由上位機(jī)發(fā)出調(diào)零指令，在Flash中保存零點(diǎn)AD值A(chǔ)D0，同時(shí)令Vx=-V0，則T=f(aAD0+b-V0)=f(V0-V0)=0，實(shí)現(xiàn)顯示清零;接著調(diào)滿，輸入滿量程溫度對應(yīng)的電壓，由上位機(jī)發(fā)出調(diào)滿指令Vf，保存滿程AD值A(chǔ)Df，并將Vx清零，聯(lián)立方程式

此時(shí)顯示滿量程溫度值，且完成溫度的標(biāo)定。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別采用直接擬合法和二次擬合法對測溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定。調(diào)節(jié)毫伏源輸入電壓值，通過上位機(jī)讀取測得的溫度值，并與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度檢測儀的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比。測量結(jié)果如表1所示。

從表1的測量結(jié)果可看出，直接擬合法和二次擬合法的誤差均在允許誤差以內(nèi)，符合精度要求。但二者誤差精度和穩(wěn)定性存在明顯差別，如圖4所示。

從圖4可看出，直接擬合法的最大誤差達(dá)0.5℃，且穩(wěn)定性較差;而二次擬合標(biāo)定法的最大誤差僅為0.2℃，測試結(jié)果穩(wěn)定性較高。因此二次擬合標(biāo)定法的精度和穩(wěn)定性均優(yōu)于直接擬合法。

4 結(jié)束語

二次擬合法利用AD7606輸入的模擬量和輸出的數(shù)字量之間線性度較好這一特點(diǎn)，分兩步擬合出溫度值，與直接擬合法相比減少了中間誤差，從而使基于單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)具有更高的精度和穩(wěn)定性。輸入電壓和轉(zhuǎn)換后的AD值之間的關(guān)系是通過兩點(diǎn)法求得的直線方程，這兩點(diǎn)分別是溫度零點(diǎn)和滿程對應(yīng)的電壓值和AD值，因此二次擬合法可完全通過軟件對溫度調(diào)零和調(diào)滿，無需增加或調(diào)節(jié)硬件。二次擬合法標(biāo)定過程中需要的AD值可隨時(shí)由上位機(jī)讀取，不受硬件變化的制約，因此可移植性較高。