数字输出型热膜式空气流量计的设计与实现

杨文涛，王婷旺，冯则坤，刘长华，戴建飞

(1．华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉 430074；2．南昌工控电装有限公司,江西南昌 330001)



数字输出型热膜式空气流量计的设计与实现

杨文涛1，王婷旺1，冯则坤1，刘长华2，戴建飞2

(1．华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉 430074；2．南昌工控电装有限公司,江西南昌 330001)

针对目前国内数字输出型热膜式空气流量计设计较少的现状，设计了一种基于硅MEMS新型热膜式AFS07空气流量传感器和PIC16F1786微控制器的数字输出型车用空气流量计。详细分析了该空气流量计的工作原理和检测电路、恒温差控制电路的设计，通过PIC16F1786微控制器产生了ECU所需频率范围为1．8～11 kHz、占空比50%的方波流量信号和频率为19 Hz、占空比可变的矩形波温度信号。在此基础上对样机进行了实验。实验结果表明：该样机实现了对不同流量气体和进气温度的检测，且具有良好的温度补偿功能；同时得出该空气流量计输出信号的周期与其对应信号的输出电压之间呈线性关系。

数字输出型;AFS07热膜式空气流量传感器;PIC16F1786;线性关系

0 引言

空气流量计是电控燃油喷射系统(ECU)中关键部件，安装在滤清器和节气门之间的进气道上，用于检测发动机的进气量。ECU根据进气量大小、发动机转速以及发动机运行情况等来确定燃油喷射量和点火时间，使得发动机具有一个最佳空燃比[1]，从而达到省油和环保的目的。目前，国外对空气流量计的研究比较成熟，其中以热膜式空气流量计为主流；国内的研究起步较晚，且能够生产数字输出型热膜式空气流量计的公司较少。相关方面的书籍和文献主要以介绍模拟输出型、新型空气流量传感器、温度补偿及维修类为主，对设计热膜式空气流量计意义不大[2]。

文中以新型AFS07空气流量传感器和PIC16F1786微控制器为核心设计了一款数字输出型热膜式空气流量计。该空气流量计充分利用单片机内部资源完成了各项功能，有效地降低了生产成本；同时与模拟输出型相比，其具有更小的测量误差，更强的抗干扰能力，符合日益严格的排放标准。因此，为数字输出型热膜式空气流量计的设计和维护提供了参考。

1 数字输出型热膜式空气流量计的工作原理

空气流量传感器是空气流量计的核心部件，测量精度决定了空气流量计的性能。设计中选用新型AFS07系列热膜式空气流量传感器，它具有功耗低、响应迅速快和测量范围宽等特点。该空气流量计的检测原理是：通过该膜片表面上的加热电阻Rh进行加热使得与片上环境温度检测电阻Re的温差时刻保持100 ℃，加热电阻两侧对称布置了4个流量检测电阻，将流量检测电阻构成二次差分惠斯登电桥。当无气流通过膜片时，加热电阻两边温度呈对称分布，流量检测电桥输出为0 mV；当有气流通过膜片时，上游流量检测电阻被冷却，下游流量检测电阻阻值基本不变，流量检测电桥输出不为零[3-4]。将流量检测电桥输出电压经过滤波、放大后通过单片机采集电压信号，采样结果经过处理后可以得到流量信号输出频率与流量之间的对应关系。

2 系统设计

根据上述原理可知，设计了数字输出型空气流量计系统，结构框图如图1所示。主要由PIC单片机、恒温差保持和进气温度检测电路、流量检测电路、输出端口模块4个部分组成。

图1 系统结构框图

2．1 PIC单片机模块

采用PIC16F1786作为主控器件。PIC16F176为8位RISC结构，具有最大8 kW的程序存储器，256字节的数据EEPROM，内嵌11通道12位A/D转换器、3个可编程开关模式控制(PSMC)、4个比较器、1个16位定时器和UART通信接口，工作温度范围为-40～125 ℃，符合汽车级集成电路的需求。系统首先采用单片机自带12位A/D转换器分时完成流量信号和进气温度的数据采集；然后通过UART模块与上位机通信完成空气流量计出厂前的标定工作；其次将流量信号和温度信号的纠偏值存入单片机的EEPROM中；最后采用单片机的16位定时器和PSMC分别产生19 Hz、占空比可调的矩形波温度信号和1．8～11 kHz、占空比50%的方波流量信号。

2．2 恒温差保持和温度检测电路设计

通过AFS07传感器中的片上环境温度检测电阻Re、加热电阻温度检测电阻Rhd和外接电阻R1、R2、R3构成一个恒温差保持电桥，同时通过单片机内置的比较器、功率三极管Q和电阻R4构成恒温差保持电路，其电路图如图2所示。初始状态电桥不平衡，比较器的正负输入端压差为正，比较器输出5 V使三极管Q导通，加热电阻Rh加热使得膜片中加热温度检测电阻Rhd(紧挨着加热电阻Rh)的阻值变大使得电桥平衡；当比较器的正负输入端压差为负，比较器输出0 V，三极管Q截止，加热电阻Re停止加热。设计中R1、R2和R3的阻值理论推导如下[5]。

图2 温度采集与恒温差保持电路

设定Re0、Rhd0分别是环境进气温度检测电阻和加热检测电阻在0 ℃下的阻值，且温敏系数分别为α、β，恒温保持电桥平衡时有：

(1)

假设进气温度为Tw，同时要保持Rhd与Re的温差为常数ΔT，因此有如下公式：

Re=Re0·(1+αTw)

(2)

Rhd=Rhd0[1+β·(Tw+ΔT)]

(3)

消除Tw，联合式(1)、式(2)和式(3)可解得：

(4)

进气温度检测是通过电阻R3上端的电压Ue来反应的，片上环境温度检测电阻Re在工作温度范围内其阻值随温度呈线性关系，同时设计中R2的阻值远大于(R3+Re)的值。因此，电压Ue随进气温度呈线性关系。将电压Ue经过单片机的模数转换，利用转换结果控制单片机中的16位定时器产生对应温度的频率信号。

2．3 流量检测电路设计

流量检测电路通过膜片上4个流量检测电阻构成惠斯登电桥实现，电桥的差分电压经过滤波、放大满足模数转换的要求，其电路图如图3所示。由运算放大器A1、A2、A3和对应电阻组成仪表放大电路。为了能够精准地测得流量信号，设计中采用集成仪表放大器INA33，其具有体积小、精密度高、温度漂移小、工作温度范围宽等特点。

图3 流量信号检测电路

图3中VIN+、VIN-分别与电桥中端点Up、Un相连接，同时通过调整外接电阻RG的阻值大小，就可实现对差分电压放大倍数的控制。根据实验结果可知，该放大倍数设计为100倍就可将流量的差分电压转换为0～5 V。设计中RG的阻值可取1 kΩ，则输出电压VOUT为

(5)

式中A为放大倍数。

(6)

将上述输出电压的模数转换结果去控制单片机的可编程开关模式控制器(PSMC)模块产生流量信号对应的频率值，PSMC是一种高性能的脉宽调整器，有多种工作模式，通过软件配置为频率可变固定占空比的PWM模式。流量信号频率的周期T计算公式如下：

(7)

式中：PSMCxPR[15:0]为一个16位寄存器;FPSMC_clk为PSMC的基准时钟。

2．4 输出端口电路设计

由于单片机的I/O端口只能耐0～5 V，而输出信号需拉到12 V使其能够被ECU识别。因此，设计了如图4所示输出端口电路。该输出端口通过对单片机的I/O端口进行配置可实现空气流量计在校准时具有串口通信的功能，在正常工作时可以输出2路频率信号。

图4 端口输出电路图

3 系统软件设计

单片机软件采用模块化设计思想，主要包括系统自检、系统初始化、数据采集、串口通信和两路频率信号产生等子程序。其中系统自检子程序完成单片机是进入标定模式还是进入正常工作模式。系统初始化子程序主要完成看门狗、A/D转换、定时器、PSMC、串口通信、I/O端口等单元的初始化工作。数据采集子程序完成流量信号和温度信号的采集，设计中采用两个通道分时采集传感器输出信号且对采集结果进行均值滤波处理。串口通信子程序用于空气流量计的标定过程，首先确定好采样点，然后将传感器采集的数据通过串口传给上位机；上位机将所采集到的数据进行计算、处理后，再通过串口将相关参数和纠偏值写入单片机的EEPROM中。两路频率信号产生子程序是通过PSMC模块和16位定时器分别产生流量信号和温度信号，首先是根据各自的A/D值分别计算出对应的频率值和占空比，然后读出EEPROM中纠偏值对输出信号进行微调。其主程序流程图如图5所示。

图5 单片机软件流程图

4 试验与结果分析

该测试环境温度为室温，由于受条件的限制，没有进行环境温度补偿的测试。

在不同气流通过膜片表面时，测得空气流量计对应流量信号经放大后的输出电压，实验数据如图6(a)所示；然后将样机置于高低实验箱中让温度从 -40 ℃升到120 ℃，每隔20 ℃记录1次Ue的电压值，实验数据如图6(b)所示，由图6(b)可知温度信号输出电压与温度值呈线性关系，测试结果与设计完全吻合；最后由于设计中流量信号输出是频率值，需要建立空气流量计的输出电压与输出频率之间的一种映射关系。因此画出了空气流量计输出电压与所需标定周期的散列点如图7所示。在误差允许范围内，可以得出这样的结论：流量信号的周期与其对应的采集电压呈线性关系。同时将样机按照上述结论进行标定，将标定后的样机与进口同类型的HFM7型空气流量计进行了对比试验。测试结果如表1和表2所示，由表1、表2可知样机的测量精度基本满足了实际的需求。

(a)流量信号输出电压

(b)温度信号输出电压

图7 流量信号的采集电压与其对应输出周期的关系

流量/(kg·h-1)HFM7频率/Hz样机频率/Hz误差/%1020202024±0.201521182214±0.197528962912±0.5516036453650±0.1431050965084±0.2464010651076±1.03

表2 温度信号占空比对比实验

5 结束语

文中设计的数字输出型空气流量计能够很好地检测出发动机的进气量和进气温度。该空气流量计具有电路简单、功耗低、成本低、可重复性好等特点。考虑到汽车特定的环境，设计中采用贴片式电阻电容防冲击；为防止震动防水，在控制电路板上浇灌了密封胶。因此该空气流量计具有一定的工程实用价值。

[1] 王晓伟．车用热膜式空气质量流量传感器的研究：[学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007．

[2] 周景宇，文桂林，张邦基．车用热膜式空气流量计分析与设计．机械设计与制造，2012(7):12-14．

[3] 吴克刚．温差式热膜空气质量流量传感器．长安大学学报(自然科学版)， 2002,22(5):86-88．

[4] 余柏林．应用于汽车的温差式空气流量传感器的研究：[学位论文]．武汉：华中科技大学，2008．

[5] NAM T,KIM S,KIMTHE S,et al．temperature compensation of a thermal flow sensor with a mathematical method,The 12th International Conference on Solid State Sensor,Boston,2003．

Design and Implementation of Digital Thermal Air flow Meter

YANG Wen-tao1,WANG Ting-wang1,FENG Ze-kun1,LIU Chang-hua2,DAI Jian-fei2

(1．School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2．Nanchang Gongkong Electrical Assemble Co．,Ltd.,Nanchang 330001，China)

Aiming at the problems that digital thermal air flow meters were decreasing，an automotive digital air-flow meter which was based on a new type of silicon MEMS sensor and PIC16F1786 microcontroller was developed．The working mechanism of air-flow meter,sensing circuit and constant temperature difference controlling circuit were analyzed in detail．A flow mass square wave signal with 50% duty ration,the frequency varying from 1．8 kHz to 11 kHz,together with a 19 Hz-frequency varying-duty-ratio ambient temperature signal,which electronic control unit(ECU) needs were generated．Experiments were done on prototypes,and the results show that air-flow meter successfully detects the varying air mass flow and the ambient temperature with temperature well compensated．What’s more,the output cycle of signals generated by the air flow meter are linear with the output voltage of the sensor．

digital output;AFS07 series thermal air flow sensor;PIC16F1786;linear relationship;

2014-03-28 收修改稿日期：2014-10-12

TH715

A

1002-1841(2015)03-0033-03

杨文涛(1971—)，讲师，博士，主要研究领域为嵌入式系统研究与磁性材料。E-mail：unixoracle2000@163．com

王婷旺(1988—)，硕士研究生，主要研究领域为汽车电子与传感器技术。E-mail：920347125@qq．com