摘要：

本文主要介紹了基于C8051單片機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器校驗(yàn)儀的研制;討論了該校驗(yàn)儀硬件電路的設(shè)計(jì)以及如何對(duì)溫度非線性進(jìn)行曲線擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該校驗(yàn)儀能夠全自動(dòng)地檢測(cè)出火警傳感器的動(dòng)作情況，并且具有較高的溫度檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞: C8051單片機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器;溫度非線性;曲線擬合;

一：前言

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中因機(jī)件嚴(yán)重磨損，燃油泄漏，電氣著火等可能出現(xiàn)火警，若不加以控制，不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)，還直接危及飛行安全。因此現(xiàn)代飛機(jī)均設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)的火警探測(cè)系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生火情時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出火警信號(hào)，并可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施滅火。然而，跟據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)火警系統(tǒng)誤報(bào)警的事件頻頻發(fā)生。這不僅給航空公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給操作人員帶來了極大地心理壓力，嚴(yán)重影響操作人員的操作，對(duì)飛行安全造成隱患。所以，提出研制發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器校驗(yàn)儀，以降低火警探測(cè)時(shí)的虛警率[1]。

圖1所示為待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器工作原理圖。它由快速形變金屬片和慢速形變隔熱金屬片組成。常溫下這兩塊金屬片通過雙金屬連接點(diǎn)連接在一起，傳感器正負(fù)極短路。在傳感器溫度緩慢升高的過程中，兩塊金屬片向相同的方向彎曲。當(dāng)?shù)竭_(dá)截止溫度時(shí)，探測(cè)器溫度截止門檻阻礙慢速形變隔熱金屬片繼續(xù)向上彎曲，而快速形變金屬片繼續(xù)形變，使得兩金屬片斷開，傳感器正負(fù)極斷路，觸發(fā)報(bào)警。當(dāng)傳感器溫度急劇升高，快速形變金屬片傳熱快，因此形變大于慢速形變隔熱金屬片，這使得原本吸和的兩塊彈片分開，傳感器正負(fù)極斷路，觸發(fā)報(bào)警。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器工作原理圖

二：校驗(yàn)儀整體設(shè)計(jì)方案

該校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)主要分兩個(gè)部分，一部分是高溫加熱阱的設(shè)計(jì)。它是將高溫加熱圈(鑲嵌K型熱電偶)內(nèi)嵌在阱的中間，周圍塞滿隔熱石棉，加熱和溫度反饋導(dǎo)線穿過隔熱板接入溫度控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)輸出的PWM信號(hào)控制電流大小以控制加熱阱溫度。另一部分是溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它是以C8051 F020單片機(jī)為控制核心。該器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，內(nèi)部采用高速、流水線結(jié)構(gòu)，最高處理速度可達(dá)25MIPS。

由于該芯片自帶64K FLASH與4K RAM，足以滿足程序需要，因此不需要外擴(kuò)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)還輔以溫度采樣電路、溫度傳感器檢測(cè)電路和電流輸出控制電路。溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制形式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。具體工作過程為：將溫度設(shè)定值與溫度反饋值送入控制電路，然后經(jīng)過軟件控制算法得到輸出控制量，輸出控制量通過PWM方式驅(qū)動(dòng)AC-SSR對(duì)電流進(jìn)行控制，從而控制被控對(duì)象的溫度。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三：硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集單元

本溫度控制系統(tǒng)溫度采集所用的傳感器是K型熱電偶。它是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)。根據(jù)K型熱電偶的測(cè)溫原理，它的輸出電勢(shì)不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。只有在冷端溫度恒定的情況下，電勢(shì)才能正確反映熱端溫度的大小，而環(huán)境溫度是不斷變化的，因此我們就需要對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償。比較傳統(tǒng)的方法有冷端法或電橋補(bǔ)償法等，但這些方法在實(shí)際設(shè)計(jì)電路板和調(diào)試電路的過程中都比較麻煩，另外由于熱電偶的非線性，以往是采用線性電路方法來減小熱電偶本身非線性帶來的測(cè)量誤差，但這仍然增加了電路的設(shè)計(jì)難度。因此，我們采用這款美信公司生產(chǎn)的MAX6675芯片來解決上述問題。MAX6675內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行了激光修正，從而對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行了內(nèi)部修正。與此同時(shí)，該芯片還集成了冷端補(bǔ)償電路、斷線檢測(cè)電路等都給K型熱電偶的使用帶來了極大的方便。

MAX6675是一款復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。

其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過S4送至ADC。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。

(1)上式中，U1為熱電偶輸出電壓(mV)，T是測(cè)量點(diǎn)溫度;T0是周圍溫度。

在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S5輸入ADC轉(zhuǎn)換器。

(2)在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就

圖3 MAX6675內(nèi)部原理圖

3.2 電流輸出和顯示單元

本系統(tǒng)采用PWM控制方式控制交流固態(tài)繼電器(AC-SSR)以控制電流的輸出。由于AC-SSR的輸入控制電流小，用TTL、COMS等集成電路可以直接驅(qū)動(dòng)，而且與普通電磁繼電器相比無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和回跳。因此特別適用于在本單片機(jī)控制系統(tǒng)中作為輸出通道的控制原件。本系統(tǒng)中單片機(jī)IO輸出的PWM信號(hào)經(jīng)同相器SN7407N后直接驅(qū)動(dòng)AC-SSR，以控制輸出電流的大小，其原理如圖4所示。

圖4 電流輸出控制

顯示單元采用的是FYD12864液晶顯示。選用這種顯示方式，一方面是節(jié)省單片機(jī)IO口，更主要是它集成了驅(qū)動(dòng)和自帶字庫(kù)，不僅簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，更達(dá)到了人機(jī)交互的效果。其原理如圖5所示：

圖5 液晶顯示單元

單片機(jī)的P2口設(shè)置成弱上拉(P2MDOUT=0x00)，再通過10K上拉電阻接入液晶模塊。P3.5-P3.7作為液晶的控制口線分別與液晶LCD_RS、LCD_RW、LCD_EN端口相連。LCD_RS是讀寫指令或數(shù)據(jù)選擇端口，當(dāng)LCD_RS為“L”時(shí)表示對(duì)緩存器下命令;反之為“H”時(shí)表示對(duì)Display RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

LCD_EN為并行的使能信號(hào)，LCD_RW為指令、數(shù)據(jù)讀寫信號(hào)。

四：軟件設(shè)計(jì)

4.1 K型熱電偶曲線擬合

雖然MAX6675芯片在采集K型熱電偶溫度時(shí)已對(duì)信號(hào)做了非線性校正，但是在實(shí)際溫度測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度值仍有偏離，并不滿足芯片所提供的線性關(guān)系式。表1所示為在曲線擬合前天津市計(jì)量局對(duì)該溫度系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果。

從表1可以看出，只有100℃區(qū)間段實(shí)測(cè)的溫度與標(biāo)稱值完全符合，其它區(qū)間段實(shí)測(cè)溫度與標(biāo)稱值有偏離，最大可達(dá)到5℃左右。因此，提出采用曲線擬合的方式來減小測(cè)量誤差。

實(shí)踐中最常用的一種數(shù)據(jù)擬合方法是最小二乘法。將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)E與火警傳感器溫度值T用關(guān)系式T=f(E)來描述。對(duì)于試驗(yàn)中獲取的一組數(shù)據(jù)

(x,y)(i=1,2,...,n)求一個(gè)m次多項(xiàng)式(m

使得

為最小，即選取參數(shù)a,(i=0,1,2,...,m)使得

其中，H為至多m此多項(xiàng)式集合，

為這組數(shù)據(jù)的最小二乘m次擬合多項(xiàng)式。

由多元函數(shù)取極值的必要條件，可得方程組

移項(xiàng)，得

即有

這是最小二乘：

函數(shù)組

的線

的多項(xiàng)式,定是已給數(shù)據(jù)組的

最小二乘m磁擬合多項(xiàng)式。

從理論上講，擬合多項(xiàng)式的階數(shù)愈高，擬合結(jié)果愈精確，但計(jì)算量也隨之加大，因此通常不采用更高階的多項(xiàng)式來擬合。在考慮擬合精度、運(yùn)算速度以及實(shí)測(cè)需要等情況，我們采用分段擬合的方法。將表1中從200℃-600℃按每100℃進(jìn)行分段，分別進(jìn)行曲線擬合。經(jīng)計(jì)算得每分段擬合多項(xiàng)式系數(shù)，如表2所示：

通過上述五段曲線擬合之后，實(shí)測(cè)精度得到了很大的改善，表3為曲線擬合之后的校準(zhǔn)結(jié)果。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在單片機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)控制檢測(cè)。為了提高抗干擾，對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波，采用防脈沖抗干擾平均值濾波法，即連續(xù)進(jìn)行5次數(shù)據(jù)采樣，去掉其中最大和最小值，然后求剩下三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。程序控制流程如圖6所示：

圖6 程序流程圖

程序初始化后，首先采集溫度信號(hào)和數(shù)字濾波，消除脈沖干擾。在對(duì)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行曲線擬合之后送顯。判斷火警溫度傳感器是否在工作溫度內(nèi)動(dòng)作，若提前動(dòng)作，則表明該傳感器實(shí)際使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警信號(hào)。最后，打印校驗(yàn)結(jié)果，提供參考。

為了避免傳感器在恒溫箱中加溫時(shí)間過長(zhǎng)而受損，整個(gè)加溫過程控制在5分鐘以內(nèi)。如果設(shè)定更高溫度，則控制器自動(dòng)控制輸出電流，保證恒溫箱在5分鐘內(nèi)達(dá)到所設(shè)定溫度值。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)所測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器型號(hào)為H342和H442。H342的動(dòng)作溫度為400℃左右，H442動(dòng)作溫度為500℃左右。在實(shí)際校驗(yàn)地過程中發(fā)現(xiàn)，由于加熱的速度快于熱傳導(dǎo)的速度，高溫加熱阱與被測(cè)傳感器之間存在溫度差，因此需要求取一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)來消除該誤差。我們是通過實(shí)驗(yàn)的方式，首先在計(jì)量局測(cè)試這兩款火警傳感器實(shí)際的動(dòng)作溫度，測(cè)試證書編號(hào)為：2009CS03081225，再將儀器檢測(cè)的溫度值校準(zhǔn)到該動(dòng)作溫度值上，從而求取校準(zhǔn)系數(shù)為0.87。

通過上述方法已經(jīng)成功研制一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器校驗(yàn)儀。測(cè)試結(jié)果表明，該儀器具有測(cè)量精度高，抗干擾強(qiáng)，使用方便等特點(diǎn)。同時(shí)儀器本身還具有故障自診斷功能，若K型熱電偶接線不正確或其導(dǎo)線斷裂，系統(tǒng)可給出故障提示，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

作者后記：未來機(jī)隊(duì)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，工作量與日俱增，對(duì)維修質(zhì)量的要求也越來越高。仍靠傳統(tǒng)方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，還達(dá)不到精度要求。運(yùn)用自動(dòng)化的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行部件維護(hù)是發(fā)展的必然!