航空飞机座舱温度传感器测试仪的研制探讨

王守坤

摘 要 设计一台基于单片机的飞机座舱温度传感器测试仪，通过分离式PID控制算法和半导体制冷制热技术的应用，实现了恒温的快速、精确控制。实验表明，该仪器可以精确测量各恒温点座舱温度传感器的电阻值，具有很高的实用价值。

关键词 半导体制冷制热；单片机；PID；测试仪

现代飞机因飞行高度高、气温低而广泛采用密封增压舱设计，在空调增压控制中，座舱温度是一个极重要的指标，且广泛采用热电耦式探温元件，热电偶精度直接影响座舱温度的控制，因此在飞机定检中经常需要对座舱温度传感器进行测试[1]。测试方法是依据飞机维护手册，设定几个温度测量点，将温度保持2分钟后用万用表测量传感器电阻值。恒温点一般采用人工热水冷水比兑法或电加热方式实现，这两种方法工序烦琐，且控制精度很难达到要求，增加人为因素的风险。

现设计一款基于单片机技术和半导体制冷制热技术的温度传感器测试仪，有效提高温度控制精度；通过全程的温度控制，热电偶电阻自动测量，测试结果自动输出和U盘存储，提高了检测过程的可靠性和工作效率。

1 测试仪整体方案设计

该测试仪主要分四个部分。一是半导体制热制冷阱设计，采用制冷制热阱设计方法，将其安装在阱的周围，制热时冷端发热达到加热的目的，制冷时，冷端吸收热量使内部温度降低，通过散热片和风扇将吸收的热量散出；二是仪器温度控制系统设计，由89C51F020单片机为主体控制器、半导体制冷制热功率电路和温度检测电路组成。温度控制采用闭环控制方式，铂电阻温度传感器检测阱的实际温度，单片机控制器进行分离式PID运算计算输出量到功率输出电路，通过输出电流的大小和方向决定制冷制热的温度；三是温度传感器检测电路，在温度传感器上施加稳定电压，通过测量电流值，计算传感器电阻值；四是人机交互部分，采用触摸屏设计，可根据过热电门型号选择控制温度和程序，对测试结果U盘存储。

2 硬件电路设计

2.1 半导体制冷制热阱

它是利用半导体材料的“赛贝克效应”和“珀耳帖效应”。基本原理为一块N型和P型半导体材料联结成电偶对，接通直流电流后，就产生能量转移，电流由N型元件流向P型元件接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件接头释放热量，成为热端[2]。吸热和放热大小是通过电流大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。半导体片内部由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制热或制冷效果。系统设计制热制冷部分采用阱式，制冷时热端设计风扇强制风冷，实现快速制冷制热目的。

设计半导体制冷制热器的参数为：最大允许电流20A，最大电压5V。现实测量中，可实现调节的温度范围为-10℃至80℃。

2.2 功率控制电路

电路设计以单片机为核心，接收温度采集电路信号，经数字化积分分离PID运算后输出控制电压由SG3525芯片产生PWM波，控制BUCK电路的导通时间，从而控制施加在半导体制冷制热片上的电流。设计中巧妙利用SG3525芯片的图腾柱式结构输出级，在供电引脚VC接一个300Ω电阻到+5V电源，将两路输出引脚OUTA和OUTB接地，在VC引脚出引出一个波形，则该波形占空比为0—100%可调的方波脉冲。通过设置死区调节电阻RD，将波形的最高占空比固定在90%。芯片的误差放大器1脚与9脚短接，工作在跟随状态实现输入与输出隔离。

2.3 温度采集电路

温度采集单元传感器采用铂电阻Pt100。铂电阻（Rt）采用三线制接法接入电桥，引线电阻和接触电阻r1在供电线路中，因本身阻值小，可忽略不计，引线电阻和接触电阻r2和r3分别接入相邻桥臂，导线长度一致，r2和r3相等，消除引线电阻和接触电阻对测量的影响。差分放大器采用INA128，放大倍数由R4确定。放大后的电路经信号滤波后输入到模数采样电路，由单片机根据采样确定实时温度。

2.4 人机交互接口

为给用户提供更加友好的人机交互界面，采用操作简便、稳定可靠的真彩TFT智能终端，该终端可采用UART串口与单片机通信。仪器同时设计USB存储功能，主要实现将控制器数据存储到U盘中，因89C51F020单片机没有USB2.0通信规范和接口，设计基于串口RS-232串口通信的数据传输系统，采用USB118AD模块实现了将数据存储到U盘的功能。

3 软件程序设计

3.1 温度控制算法

此系统是大惯性的系统，且热电偶对温度的测量也有一定滞后效应，因此若过早或过晚的减小加热电流会导致温度达不到要求[3]。系统设计采用积分分离的PID算法，温度给定值为U（n），温度测量值为Ui（K），最大允许偏差为A，则积分分离式算法为

当

3.2 温度传感器测试程序

此仪器对座舱温度传感器的校验完全依据飞机维护手册，升降温、恒温控制、温度传感器电阻检测完全由软件实现。恒温时间由单片机内部的时钟定时器完成。测试流程如图3。

通过上述方法成功研制了一台航空飞机座舱温度传感器检测仪。通过分离式PID算法实现了控制速度快、控制精度高的要求，其恒温点温度误差≤±0.5℃，满足飞机维护手册的要求。通过半导体制冷制热技术的應用，解决了传统温度测试仪器中依靠自然冷却实现降温的弊端，大大提升了工作效率。实验表明该测试仪操作简单、测量精度高，有效提升了维护测试效率。

参考文献

[1] 魏建，陈振坤.飞机系统[M].北京.清华大学出版社，2016：131.

[2] 田新冉.半导体制冷技术在小型恒温箱的应用[J].中国机械，2013， （7）：221-221.

[3] 李树华，刘超英，董辉.数字PID自动温度控制系统的设计及实现[J].内蒙古大学学报，1997，（28）：838-841.