基于ARM的热式空气流量计的设计

2019-11-05朱小会袁玉霞吴紫君

仪表技术与传感器 2019年10期

朱小会，袁玉霞，吴紫君

(1.郑州科技学院，河南郑州 450064；2.华北水利水电大学，河南郑州 450064)

0 引言

随着集成电路技术、传感器技术以及微处理器技术的飞速发展，使得汽车电子行业发生了革命性的变化[1]。其中，最主要的变化就是现代汽车逐渐淘汰了传统的化油器式发动机，而是采用电子控制燃油喷射系统。空气流量计作为电子控制燃油喷射系统的核心，其安装在空气滤芯和节气门之间的进气通道之间，用于实时测量发动机的进气量，再综合点火时间、曲轴转速等参数对喷油量进行修正，实现准确控制空燃比的目的。目前用于测量发动机进气量的空气流量计可大致分为体积流量型以及质量流量型两类，质量型流量计即热式空气流量计，其相比于体积型流量计具有响应速度快、测量精度高、测量范围广等优点。本文设计了一种基于ARM的热式空气流量计，其基于恒温差测量原理，将2个铂电阻分别安装在惠斯登电桥的两端，通过测量惠斯登电桥输出端电压的变化情况来计算出空气流量值，热式空气流量计在能源、航天航天以及汽车电子等领域有着广泛的应用[2-3]。

1 热式空气流量计测量原理

热式空气流量计是依据Thomas理论进行设计的，依据理论[4]，空气中气体的流量与电能的消耗量可以用式(1)表示：

E=C·ΔT·q

(1)

式中：E为加热电阻上电能的消耗量，J；C为空气的比热容，J/(kg·℃)；ΔT为加热电阻与进气温度的差值，℃；q为单位时间内空气的质量流量，kg/h。

根据式(1)可得空气的质量流量为

(2)

由式(2)可知，当C为定值时，空气质量流量q只与E和ΔT相关，若保持加热电阻与空气进气的温度差值ΔT恒定，那么空气质量流量q只与加热电阻所消耗的电能E有关。

本文设计的热式空气流量计利用惠斯登电桥平衡原理来保持ΔT恒定，具体原理图如图1所示。

图1 系统测量原理图

惠斯登电桥Ua、Ub两端电压可以表示为

(3)

(4)

R1R4=R2R3

(5)

由式(5)可知，任一电阻发生变化都会打破电桥平衡。

将采用正温度系数制成的加热电阻R1置于汽车发动机的进气道中，当空气流经R1时会带走R1上的热量，R1的阻值会下降，由式(5)可知，惠斯登电桥失去平衡状态，为了让电桥重新恢复平衡状态，需要增加流过R1的电流，当R1电流增大温度上升时，R1电阻阻值也会增加，从而使得电桥达到新的平衡。

系统就是利用惠斯登电桥原理，当系统为了维持电桥平衡而增加加热电阻R1上流过的电流，通过采集流过R1电流变化引起的电压变化来计算得到R1电阻上消耗的电能E，从而来得到空气的质量流量信号。

2 基于ARM的热式空气流量计硬件电路设计

热式空气流量计硬件电路主要包括惠斯登电桥控制电路、流量传感器信号调理电路、信号调理电路、V-I转换电路以及电源电路等[5]。当空气流经加热电阻带走热量时，通过增加流过加热电阻的电流来保持惠斯登电桥平衡，电桥输出的电压信号十分微弱，必须经高精度仪用放大电路放大滤波处理之后才能送入单片机内部的A/D进行模数转换，最后将信号转换为与之对应的4～20 mA标准电流信号，硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 传感器单元

传感器单元是系统的核心部件，因此在传感器选型时需要考虑到传感器的可靠性、精度、响应速度以及尺寸大小等问题[6]。传感器对空气流量的测量依赖于传感器中的加热电阻和温度补偿电阻，其均为正热敏电阻，在-60～300 ℃内有着较高的稳定性。一般情况下空气流量计允许的误差范围在±(2%～3%)，因此对加热电阻材料的选取要求较为严格，本文选用电阻率高、稳定性好的铂电阻作为加热电阻。

2.2 恒温差控制电路

本文设计的热式空气流量计采用恒温差的方案，主要通过惠斯登电桥实现恒温控制，恒温控制电路主要是由惠斯登电桥、三极管以及运算放大器组成[7]，具体电路图如图3所示。

图3 恒温差控制电路

电阻R21、R22、R23、R24、R25、R26构成了惠斯登电桥电路，其中R23为铂制成的加热电阻，当空气吹过R23引起电阻值改变时，由上述测量原理可知，电桥失衡，此时电桥的A、B点电位会发生变化。由运算放大器U1、U2及Q8组成的电流反馈电路负责维持电桥的平衡，当电桥失衡，A、B的电位差值被U1、U2及其外围电路检测到并作适当放大，最后用放大后的电压去调控功率三极管Q8的基极，使得反馈控制电路根据电压大小调节流过加热电阻R23中电流的大小，最终使得惠斯登电桥达到平衡状态。

当惠斯登电桥中R23中的电流变化时，与其处于同一支线的R26中电流也会随之变化，取R26两端的电压作为流量输出的电压信号。流量信号输出电路是由运放AD8610构成的反相比例放大电路组成，将维持电桥平衡的电压信号经过适当放大处理后送入单片机的A/D转换器进行模数转换，再将采集的电压信号转换成与之成比例的空气流量信号[8]。

由上述测量原理可知，惠斯登电桥所用的加热电阻为正温度系数的温敏电阻，电阻阻值随温度变化而变化，因此若环境温度变化时，也会造成电桥失衡，引起测量误差[9]。为了避免气温波动带来的测量误差，系统做了如下处理：将相同温度系数的电阻R21接入加热电阻对应的桥壁上，此时当环境温度变化时，A、B两端的电压就会保持同等大小的增减，使得UAB保持不变，避免了空气温度波动引起的测量误差。

2.3 V-I转换电路

由于车用热式流量计的接口一般为4～20 mA的电流信号，因此需要将流量计输出的电压信号转换为电流信号[10]。当惠斯登电桥输出的电压信号被单片机内部A/D转换器采集后，经过相关算法把电压信号转换为相应的流量值。再利用单片机内部的D/A转换器将此数字信号转换为与之对应的模拟电压信号，最后通过V-I转换电路把其转换为4～20 mA的电流信号，方便传输。V-I转换电路如图4所示。

图4 V-I转换电路

本文利用OPA333实现V-I转换，图中DACOUT接单片机DAC的输出口，由C43进行数字噪声场滤波之后送入运放0PA333进行1∶1缓冲后，经Q4进行电流放大，在R43上形成检测电压，C45进行去抖动处理，最后在AN_OUT+、AN_OUT-之间形成4～20 mA的输出电流。

3 系统软件设计

软件设计是系统的必要组成部分，其采用C语言编程，编译环境为Keil。当系统上电后首先执行复位操作，然后开始启动内部的A/D转换程序，把惠斯登电桥输出的模拟电压信号转换为可被单片机处理的数字信号，再经过相关算法计算出空气的流量值，再由单片机内部的D/A转换器将处理过后的数字量信号转换为模拟信号，供后续V-I转换电路使用，软件流程图如图5所示。