基于STM8的热膜式流量计信号处理和自动标定系统

刘伟 王德福

（北京航空航天大学交通科学与工程学院北京 100191）

基于STM8的热膜式流量计信号处理和自动标定系统

刘伟 王德福

（北京航空航天大学交通科学与工程学院北京 100191）

热膜式空气流量计具有尺寸小、灵敏性好、可靠性高、响应时间短等优点。它采用热膜传感单元与外围电路协同工作的模式。采用stm8l151单片机为核心的数字化电路能够很好的控制热膜上加热器的工作温度，将热膜产生的信号进行滤波和放大。配合采用LabVIEW编制的上位机控制界面，实现流量计的快速自动标定。

热膜 流量计 STM8 LabVIEW 人机界面

1 引言

目前应用于汽车发动机上的热式空气流量计传感单元主要以热膜为主[1-4].发动机进气过程中，进气管内的流动速度范围0-1000kg/h，尤其是在进气量较大时，管内流动复杂，气流沿进气管道做非稳定流动，进气管任一截面处流速和压力都是周期性脉动变化的。热膜式空气流量计可以直接测量进气质量流量，具有尺寸小、灵敏性好、可靠性高、响应时间短等优点。如图1，采用MEMS工艺的热膜由氧化硅和氮化硅组成，总体厚度不超过几微米，热膜上集成多个金属铂制成的电阻器和加热器。这些铂电阻的线条宽度一般只有5微米。除了热膜传感单元，还需要有一些常规元器件组成的外围电路，对加热器的加热功率和温度进行控制，将热膜产生的信号进行滤波和放大，然后传输到汽车发动机的控制单元。空气流量计的正常工作，需要外围传感电路的支持。外围传感电路的作用：一是控制加热器的加热温度，在工作中一直保持其温度高于周围温度，周围温度是由在传感单元热膜以外的电阻器来探测的。在20℃的环境温度下，高出的温度大约为200K。当周围温度变化时，高出的温度基本不变；另外，外围电路要把热膜上能够反映膜表面温度随空气质量流量变化的4个成对铂电阻（Rm1,Rm2,Rc1,Rc2）组成的惠斯通电桥输出的电势差信号进行采集，滤波和放大。

本研究中，采用意法半导体公司生产的STM8L151单片为控制单元，设计了一套全数字化测量方案，先将模拟信号转化为数字信号，对信号的增益选择，初始信号误差修正，以及并对加热器的加热温度的精确控制都可以快速的完成。并且配合采用LabVIEW编制的上位机控制界面，实现流量计的快速自动标定。

2 流量计混合电路设计

热膜式空气流量计混合电路主要由热膜传感单元，外围传感器信号处理电路和输入输出端口组成。传感器信号处理电路又可分为模拟型和数字型。

图1 测量空气流量的热膜传感单元电气布局

2.1 模拟型电路

模拟型电路的工作原理如图2所示。

图2 热膜式流量计模拟电路示意图

模拟型传感器信号处理电路虽然具有信号可靠，速度快等优点。但也存在以下缺点：

（1）需要手动调节多个电位器。其中Rp1与Rp2分别为用于调节加热器温度和惠斯通电桥初始误差的电位器（或者是厚膜电路中的可用激光调节阻值的碳膜电阻）；

（2）自适应能力差。当周围工作条件或器件老化，特别是环境温度变化时，温度补偿能力有限；

（3）只能提供模拟量输出。

2.2 数字型电路

为解决模拟电路存在的问题，提出了数字化测量方案，首先用数字电位器X9C102代替模拟电位器或者碳膜电阻，可实现电位器的自动调节，结合上位机软件可自动完成静态标定，然后用单片机实现信号采集、增益设定、加热控制，信号偏置和输出等功能，该方案中电桥模拟电压经单片机AD转换为数字信号，利用内部MAP图结合外部标定，确定增益倍率和偏置电压，再经单片机的DAC（数模转换器）输出模拟电压信号给发动机控制单元。

微处理器在数字化外围传感电路中处于核心地位，铂电阻器Rm1,Rm2,Rc1,Rc2位于热膜传感单元加热器的上游和下游，且布置在惠斯通电桥中，它给出约200mV的基本信号。电桥由一个5V的参考电压供电。传感器完成对空气质量流量信息，也就是惠斯通电桥电压的采集，经过ADC处理后，经过识别，计算出合适的增益和偏执电压，计算中需要用到单片机中存储的纠偏图，保证最后的输出不会因为环境温度的变化而与实际的质量流量产生误差。再把信号通过DAC输出为模拟信号。实现数字/模拟双信号输出能力。

本设计采用了意法半导体公司的超低功耗8位微处理器STM8L151[5]。选型主要考虑以下几个方面：

（1）工作电压范围宽：1.8V～3.6V。

（3）工作温度范围：-40℃到+85℃,可以适应各种恶劣条件下的工作。

（4）内部功能丰富：内部集成SPI功能，便于……，内部集成EEPROM及LCD功能，便于功能的扩展。

（5）性价比：与MSP430系列单片机相比，STM8L系列单片机具有更低的价格，更高的性价比。

图3 热膜式流量计数字电路

3 自动标定系统

数字化电路的设计为自动化标定系统的设计带来了可能，我们可以将数字化电路的信号通过通信的方式传输到上位机，同时一些必要的但数字化电路无法提供的参数和变量（如环境温度，OEM输出电压，产品的最终输出电压等）通过采集卡传输到上位机，再配合自动化操作实验台，即可实现自动化的标定。

热膜式流量计可通过如下步骤进行调节标定：

（1）静态调节；

通过调节数字电位器Rp1对加热器温度进行校准。

通过调节数字电位器Rp2对20℃时且没有气流的输出信号进行校准。

首先测量环境温度，查表得该温度对应的比较器正端电压（目标电压），并发给单片机，单片机循环测量比较器正端实际电压，调节数字电位器改变正端电压，使目标电压和实际电压的差小于允许值，调节结束，保存当前的电位器阻值。

（2）动态调节；

图4 自动化气道实验测试装置

通过自动化气道实验测试装置如图4所示，罗茨风机提供稳定气源，气体流量可精确控制。在流量计需用流量测量量程范围内，按照气流流量由小到大调节，并稳定在若干流量测量设定点上。数据采集系统自动将所需参数（包括产品与OEM的输出电压值）采集到上位机，进行分析。依次重复以上工作，直到得到2条相似的电压输出曲线，再按照最小二乘法原理，将产品电压输出曲线与OEM曲线进行拟合。根据拟合结果对电路中的仪表放大器的发大倍率进行修改，使2条曲线几乎完全重合，完成整个产品标定过程，如图5所示。

图5 最终输出电压标定曲线

本系统选用LabVIEW编写自动化标定软件，LabVIEW是由美国国家仪器有限公司最核心的软件产品，它是一种编程语言，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新[6][7]。

动态标定过程如图6、图7所示，首先设置一个初始的增益，然后单片机进入动态标定的状态，标定系统开始控制实验台，改变流量，单片机采集每个流量下的输出电压，上位机通过采集卡采集OEM的输出电压，得到两组值，两组值进行比较得到一个方差，改变增益（从最小增益到最大增益都取到）得到另一个方差，方差最小的时候对应的阻值即最佳增益，更新MAP，标定结束。

图6 标定软件设计路程

图7 自动标定系统人机界面

4 结束语

本文介绍了热膜式流量计的工作原理和信号处理方法，指出了模拟型信号处理电路的缺点并提出一种数字化测量方案，该方案基于具有集成度高、高精度ADC、高精度DAC等特点的STM8L151单片机作为控制单元，可满足流量计信号处理和输出的要求，结合使用数字电位器，可以实现自动化静态和动态标定，因此具有环境适应能力强、温度补偿效果好等特点。使用LabVIEW编写了自动化标定软件，提出了静态和动态标定流程。综上所述：

（1）提出的数字化电路方案克服了模拟电路自身存在的缺点，是今后热膜式流量计信号处理的趋势。

（2）提出一种基于数字化电路的自动化标定方案，该方案大大简化了标定过程。

参考文献

[1]李东江，宋良玉．现代汽车用传感器及其故障检修技术[M]．北京：机械工业出版社，1999：131-145．

[2]洪水棕．现代测试技术[M]．上海：上海交通大学出版社，2002：185-187．

[3]董宁．轿车燃油电喷系统的维修[M]．北京：国防工业出版社，2001：72-80．

[4]王伯年.史绍熙院士对层流流量计和内燃机空气流量测量的贡献[J].内燃机学报，2001,19(6):531-534.

[5]意法半导体.STM8L151x4,STM8L151x6,STM8L152x 4STM8L152x6[DB/OL].www.stmicroelectronics.com.cn/.

[6]郭龙钢，王宇炎.基于LABVIEW的单片机串口数据采集系统[J].自动化技术与应,2009,28(11):129-131

[7]雷振山.?LabVIEW?8.2基础教程[M].北京:中国铁道出版社, 2008.

Hot-film Air Flow Sensor

LIU Wei,WANG De-fu
(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The advantages of hot-film air flow sensor are small size,high sensitivity,high safely and reliability,short response time, which has a hybrid?electric circuit structure.The core of external circuit is STM8L151.The single chip controls the temperature of heater efficiently and filters and amplifies the signals which on the hot-film.?The computer?interface made on LabVIEW,make the calibration fast and automatically.

hot-film;air flow sensor;STM8;LabVIEW;human-computer interface

TP368.1

A

1008-1739(2014)06-66-4

定稿日期：2014-02-26