基于單片機溫度測量的標定方法

航空發(fā)動機燃氣溫度是表征航空發(fā)動機工作狀態(tài)是否正常的最重要的參數(shù)之一，也是飛行員和維護人員必須掌握的重要參數(shù)，所以精確有效的檢測溫度至關(guān)重要。

在基于單片機的溫度測量系統(tǒng)中，溫度標定是一個重要的環(huán)節(jié)。本文在航空發(fā)動機溫度檢測電路的基礎(chǔ)上，通過對不同標定方法的研究，提出了一種改進的溫度標定方法，該方法利用上位機和下位機協(xié)同完成溫度的標定。

1 硬件設(shè)計

熱電偶是測量航空發(fā)動機燃氣溫度的常用溫度傳感器，其中K型熱電偶由于線性好、熱電動勢較大、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在航空發(fā)動機中得到了廣泛應(yīng)用。實驗中使用毫伏源模擬熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用高精度的AD7606芯片，其是16位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號。

主控MCU采用高性能16位飛思卡爾單片機，具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點。

上位機采用Delphi設(shè)計，通過CAN接口與單片機通訊，顯示AD值和溫度值，并可向下位機發(fā)出指令，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 溫度標定方法的對比和研究

2.1 查表法

在實時控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對程序的運算速度要求較高。若完全利用CPU多次重復(fù)處理同一復(fù)雜運算，將占用較長時間。為避免復(fù)雜的現(xiàn)場運算、縮短運算時間，可采用查表法將復(fù)雜的運算事先做好，將結(jié)果存儲在內(nèi)存中，程序運行需要該運算時將結(jié)果調(diào)出即可。

查表法需要制作數(shù)據(jù)量很大的表格才能獲得較高的精度，這將占用較大的內(nèi)存。若硬件發(fā)生改變，必須重新計算并制作表格，軟件可移植性差。

2.2 直接擬合法

根據(jù)熱電偶分度表，調(diào)節(jié)輸入電壓值，通過上位機顯示記錄轉(zhuǎn)換后的AD值。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量與實測的溫度值之間不具有線性關(guān)系，工程上常采用最小二乘法對其進行擬合，求出函數(shù)關(guān)系。將該函數(shù)寫入下位機程序，即可將測得的AD值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值。

直接擬合法的缺點在于不能調(diào)零和調(diào)滿，而且硬件一旦發(fā)生改變，相關(guān)函數(shù)必須重新擬合，軟件可移植性差。

2.3 二次擬合法

二次擬合法是在直接擬合法的基礎(chǔ)上改進而來，其原理如圖2所示。

熱電偶測量溫度得到的熱電動勢(V)與實測的溫度值(T)之間不具備線性關(guān)系，根據(jù)其分度表采用最小二乘法進行擬合得到函數(shù)關(guān)系T=f(V);由于輸入的電壓信號與A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量之間線性關(guān)系較好，采用兩點法求得V=g(AD)，利用該函數(shù)關(guān)系可實現(xiàn)調(diào)零和調(diào)滿。上面兩個函數(shù)復(fù)合得到溫度與AD值之間的函數(shù)關(guān)系T=f[g(AD)]。

軟件流程如圖3所示，由于V和AD值之間呈線性關(guān)系，可設(shè)V=aAD+b(a，b為常數(shù))。令T=f(aAD+b+Vx)，Vx初始值為零。首先調(diào)零，輸入零點溫度對應(yīng)的電壓V0，由上位機發(fā)出調(diào)零指令，在Flash中保存零點AD值A(chǔ)D0，同時令Vx=-V0，則T=f(aAD0+b-V0)=f(V0-V0)=0，實現(xiàn)顯示清零;接著調(diào)滿，輸入滿量程溫度對應(yīng)的電壓，由上位機發(fā)出調(diào)滿指令Vf，保存滿程AD值A(chǔ)Df，并將Vx清零，聯(lián)立方程式

此時顯示滿量程溫度值，且完成溫度的標定。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

分別采用直接擬合法和二次擬合法對測溫系統(tǒng)進行溫度標定。調(diào)節(jié)毫伏源輸入電壓值，通過上位機讀取測得的溫度值，并與飛機發(fā)動機溫度檢測儀的技術(shù)指標進行對比。測量結(jié)果如表1所示。

從表1的測量結(jié)果可看出，直接擬合法和二次擬合法的誤差均在允許誤差以內(nèi)，符合精度要求。但二者誤差精度和穩(wěn)定性存在明顯差別，如圖4所示。

從圖4可看出，直接擬合法的最大誤差達0.5℃，且穩(wěn)定性較差;而二次擬合標定法的最大誤差僅為0.2℃，測試結(jié)果穩(wěn)定性較高。因此二次擬合標定法的精度和穩(wěn)定性均優(yōu)于直接擬合法。

4 結(jié)束語

二次擬合法利用AD7606輸入的模擬量和輸出的數(shù)字量之間線性度較好這一特點，分兩步擬合出溫度值，與直接擬合法相比減少了中間誤差，從而使基于單片機的溫度測量系統(tǒng)具有更高的精度和穩(wěn)定性。輸入電壓和轉(zhuǎn)換后的AD值之間的關(guān)系是通過兩點法求得的直線方程，這兩點分別是溫度零點和滿程對應(yīng)的電壓值和AD值，因此二次擬合法可完全通過軟件對溫度調(diào)零和調(diào)滿，無需增加或調(diào)節(jié)硬件。二次擬合法標定過程中需要的AD值可隨時由上位機讀取，不受硬件變化的制約，因此可移植性較高。