摘要：

本文主要介紹了基于C8051單片機的發(fā)動機火警傳感器校驗儀的研制;討論了該校驗儀硬件電路的設計以及如何對溫度非線性進行曲線擬合。實驗結(jié)果表明該校驗儀能夠全自動地檢測出火警傳感器的動作情況，并且具有較高的溫度檢測精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞: C8051單片機;發(fā)動機火警傳感器;溫度非線性;曲線擬合;

一：前言

發(fā)動機在工作中因機件嚴重磨損，燃油泄漏，電氣著火等可能出現(xiàn)火警，若不加以控制，不僅會嚴重損壞發(fā)動機，還直接危及飛行安全。因此現(xiàn)代飛機均設置了發(fā)動機的火警探測系統(tǒng)，在發(fā)動機發(fā)生火情時，及時準確的發(fā)出火警信號，并可對發(fā)動機實施滅火。然而，跟據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機火警系統(tǒng)誤報警的事件頻頻發(fā)生。這不僅給航空公司帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且給操作人員帶來了極大地心理壓力，嚴重影響操作人員的操作，對飛行安全造成隱患。所以，提出研制發(fā)動機火警傳感器校驗儀，以降低火警探測時的虛警率[1]。

圖1所示為待測發(fā)動機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連接在一起，傳感器正負極短路。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?shù)竭_截止溫度時，探測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，傳感器正負極斷路，觸發(fā)報警。當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，傳感器正負極斷路，觸發(fā)報警。

圖1 發(fā)動機火警傳感器工作原理圖

二：校驗儀整體設計方案

該校驗儀的設計主要分兩個部分，一部分是高溫加熱阱的設計。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)的設計。它是以C8051 F020單片機為控制核心。該器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級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，因此不需要外擴程序和數(shù)據(jù)存儲器。本系統(tǒng)還輔以溫度采樣電路、溫度傳感器檢測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AC-SSR對電流進行控制，從而控制被控對象的溫度。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三：硬件設計

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)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點。根據(jù)K型熱電偶的測溫原理，它的輸出電勢不僅與測量端的溫度有關(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，因此我們就需要對冷端進行補償。比較傳統(tǒng)的方法有冷端法或電橋補償法等，但這些方法在實際設計電路板和調(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量誤差，但這仍然增加了電路的設計難度。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)進行了激光修正，從而對熱電偶的非線性進行了內(nèi)部修正。與此同時，該芯片還集成了冷端補償電路、斷線檢測電路等都給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、冷端溫度補償二極管、基準電壓源、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，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至ADC。對于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是測量點溫度;T0是周圍溫度。

在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產(chǎn)生補償電壓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，而且與普通電磁繼電器相比無機械噪聲、無抖動和回跳。因此特別適用于在本單片機控制系統(tǒng)中作為輸出通道的控制原件。本系統(tǒng)中單片機IO輸出的PWM信號經(jīng)同相器SN7407N后直接驅(qū)動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IO口，更主要是它集成了驅(qū)動和自帶字庫，不僅簡化了程序設計，更達到了人機交互的效果。其原理如圖5所示：

圖5 液晶顯示單元

單片機的P2口設置成弱上拉(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LCD_RS為“L”時表示對緩存器下命令;反之為“H”時表示對Display RAM進行數(shù)據(jù)讀寫。

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

四：軟件設計

4.1 K型熱電偶曲線擬合

雖然MAX6675芯片在采集K型熱電偶溫度時已對信號做了非線性校正，但是在實際溫度測量時發(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量局對該溫度系統(tǒng)的校準結(jié)果。

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

實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E與火警傳感器溫度值T用關(guān)系式T=f(E)來描述。對于試驗中獲取的一組數(shù)據(jù)

(x,y)(i=1,2,...,n)求一個m次多項式(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此多項式集合，

為這組數(shù)據(jù)的最小二乘m次擬合多項式。

由多元函數(shù)取極值的必要條件，可得方程組

移項，得

即有

這是最小二乘：

函數(shù)組

的線

的多項式,定是已給數(shù)據(jù)組的

最小二乘m磁擬合多項式。

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

通過上述五段曲線擬合之后，實測精度得到了很大的改善，表3為曲線擬合之后的校準結(jié)果。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)采用C語言在單片機上編程實現(xiàn)控制檢測。為了提高抗干擾，對采樣值進行數(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，首先采集溫度信號和數(shù)字濾波，消除脈沖干擾。在對實測溫度進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)動作，若提前動作，則表明該傳感器實際使用時會產(chǎn)生誤報警信號。最后，打印校驗結(jié)果，提供參考。

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

4 結(jié)語

本系統(tǒng)所測發(fā)動機火警傳感器型號為H342和H442。H342的動作溫度為400℃左右，H442動作溫度為500℃左右。在實際校驗地過程中發(fā)現(xiàn)，由于加熱的速度快于熱傳導的速度，高溫加熱阱與被測傳感器之間存在溫度差，因此需要求取一個校準系數(shù)來消除該誤差。我們是通過實驗的方式，首先在計量局測試這兩款火警傳感器實際的動作溫度，測試證書編號為：2009CS03081225，再將儀器檢測的溫度值校準到該動作溫度值上，從而求取校準系數(shù)為0.87。

通過上述方法已經(jīng)成功研制一臺發(fā)動機火警傳感器校驗儀。測試結(jié)果表明，該儀器具有測量精度高，抗干擾強，使用方便等特點。同時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線斷裂，系統(tǒng)可給出故障提示，保證了測量數(shù)據(jù)的可靠性。

作者后記：未來機隊規(guī)模逐年增長，工作量與日俱增，對維修質(zhì)量的要求也越來越高。仍靠傳統(tǒng)方法既費時又費力，還達不到精度要求。運用自動化的檢測設備進行部件維護是發(fā)展的必然!