胡寧博
為了實時監(jiān)控小型油動無人機的發(fā)動機工作溫度,本文設(shè)計開發(fā)了基于K型熱電偶的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模擬開關(guān)CD4052作通道切換,選通的熱電偶信號經(jīng)儀表放大電路放大調(diào)理,由STM32F103控制器片上A/D采集,經(jīng)DSl8820數(shù)字溫度傳感器作冷端補償,最終以Modbus RTU協(xié)議將溫度值發(fā)送到485總線上。經(jīng)調(diào)試校準(zhǔn),該溫度監(jiān)控系統(tǒng)在蚊子輕型直升機的發(fā)動機正常工作溫度范圍內(nèi)與原機溫度儀表相差±3℃,且工作穩(wěn)定抗干擾能力較強,有效地保障了發(fā)動機安全穩(wěn)定運行。
引言
近年來,無人機技術(shù)蓬勃發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展,各種類型無人機層出不窮。其中,油動無人機以載重量大,續(xù)航時間長等優(yōu)點受到諸多行業(yè)用戶的青睞。發(fā)動機工作狀態(tài)影響著油動無人機的載重能力、飛行質(zhì)量以及無人機的可靠性和安全性。監(jiān)控發(fā)動機工作狀態(tài)的手段主要是測量缸頭及排氣溫度。發(fā)動機轉(zhuǎn)速等,水冷發(fā)動機還可以監(jiān)測冷卻液溫度。飛行中,對發(fā)動機損害最大的因素就是發(fā)動機超溫,因此要嚴格控制發(fā)動機缸頭及排氣在正常范圍內(nèi)。
熱電偶測溫范圍寬,而且體積小結(jié)構(gòu)簡單便于維護,熱端可與被測物體有良好熱接觸,因而測溫準(zhǔn)確度較高。與其他測溫手段相比,更適合用于發(fā)動機缸頭溫度及排氣溫度的測量。
針對無人機發(fā)動機調(diào)試及飛行時監(jiān)控發(fā)動機溫度的需求,我們參考蚊子直升機溫度儀表電路,設(shè)計了以K型熱電偶為測溫元件,經(jīng)過信號調(diào)理及采樣計算,通過485總線以Modbus協(xié)議發(fā)送溫度數(shù)據(jù),供無人機飛控系統(tǒng)采集并下傳到地面站以實現(xiàn)無人機發(fā)動機溫度實時監(jiān)控的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計
溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路組成框圖如圖1所示。熱電偶傳感器信號進入系統(tǒng)后,首先經(jīng)過通道切換電路,選通單通道進行采集。因為溫度不可能突變,因此逐通道采集并不會影響觀測。選通的某通道電壓經(jīng)信號調(diào)理電路放大后由微控制器用片上A/D傳感器采集。微控制器同時采集冷端溫度,對采集到的熱電偶電壓進行補償計算最終得到熱電偶傳感器溫度數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到485總線。
通道切換電路
溫度監(jiān)控系統(tǒng)通道切換電路部分如圖2所示。
采用模擬開關(guān)CD4052作通道切換。CD4052是雙四路模擬開關(guān),具有較低的導(dǎo)通阻抗和截止漏電流。芯片10腳和9腳為地址端,根據(jù)地址選通一路信號進入后續(xù)調(diào)理放大電路。串聯(lián)的R5、R17與輸出端的C1、C3構(gòu)成RC慮波電路。R4、R16等下拉電阻在發(fā)生斷偶故障時拉低輸入電平。
信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路如圖3所示。采用四運放LMC660CM接成儀表運算放大器。其中U2A和U2D為同向差分輸入方式,同向差分輸入可以提高電路輸入阻抗,減小電路對微弱信號的衰減。差分輸入使電路僅放大差模信號,而對共模信號只起跟隨作用,從而提高輸入后級運放的共模抑制比CMRR。U2C與外圍元件組成差分放大電路,對信號進一步放大。差分放大器輸出信號經(jīng)電阻分壓后送入U2B構(gòu)成的電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗高,輸出阻抗低,增強了信號調(diào)理電路的帶負載能力,減小A,D輸入阻抗對輸入信號的影響。與傳統(tǒng)儀表放大器用法相比,增加了R2、R29偏置電阻,引入了直流偏置。
假設(shè)運放U2A與U2D正輸入端電壓分別為U1、U2,輸出端電壓為Uol、U02,運放U2C正負端輸入電壓分別為Ui2、Uil。輸出端電壓為Uo。+5V電壓為VCC根據(jù)運放虛短路虛斷路原理得:
當(dāng)電源電壓為5V時,偏置量為0.5V。該偏置量可以將一定范圍內(nèi)的輸入負電壓信號抬升到正電壓輸出,方便后續(xù)A/D采集。熱電偶輸出電壓范圍為-6.358-+54.886mV對應(yīng)溫度為-270%-+1372%,經(jīng)過放大電路后輸出電壓范圍為81.64mV-4.111V。R12與R侶分壓后送單片機AD采集,D1為鉗位輸入A/D電壓的穩(wěn)壓二極管,R32為消反射電阻。信號調(diào)理電路中,所需電阻均應(yīng)采用高精度低溫漂電阻以減小誤差。在軟件調(diào)試時,要根據(jù)實際測得的電路放大倍數(shù)和直流偏置量進行計算。要進一步提高精度,可以采用集成儀表放大器。
控制器及接口電路
信號調(diào)理電路輸出電壓直接送控制器片上AID進行采集。控制器采用32位ARM微控制器STM32F103RET6,該控制器有512KB ROM和64KB RAM。最高工作頻率72MHz,片上集成了16×12bitAID、3路USART、2路UART以及其他外設(shè),適用于嵌入式控制場合。485接口電平轉(zhuǎn)換采用MAX3485,3.3V供電與控制器兼容。溫度補償采用單總線溫度傳感器DSl8820采集冷端溫度。為了提高溫度補償?shù)木龋梢詫⒉杉涠藴囟鹊?8820傳感器從板上引出安裝在熱電偶傳感器與普通導(dǎo)線對接的接頭附近。
電源電路
圖4為溫度監(jiān)控系統(tǒng)電源電路。外部供電10~30V,經(jīng)DC—DC模塊TPS5430DDAR降壓到5.5V。TPS5430是一個高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器,最大輸出電流3A,片上集成了低阻抗高側(cè)N溝道MOSFET,開關(guān)頻率固定為500kHz。通道切換和信號調(diào)理電路所需的+5V由LDO芯片HT7550提供,并經(jīng)截止頻率約78kHz的Tr形濾波器濾除電源噪聲。控制器及接口電路所需的3.3V電源由LDO HT7533提供??刂破髂M部分供電VDDA由3.3V電源經(jīng)截止頻率約為78.2kHz的Tr形濾波器濾波后提供。反相器74HCl 4D搭建成的震蕩電路配合D2,D3及C12構(gòu)成電荷泵,對5.5V進行反向提供通道切換及信號調(diào)理電路所需的5V電源。
軟件部分設(shè)計
軟件功能比較簡單,而且溫度參數(shù)為緩變量,對于實時性的要求不是很高,因此采用單循環(huán)程序結(jié)構(gòu),逐通道采集、計算。通信部分采用中斷方式接收和發(fā)送。使通訊響應(yīng)更為迅速。
主程序設(shè)計
主程序流程圖如圖5所示。上電后先配置IO口、串口、A/D等。初始化溫度傳感器18820和看門狗然后進入主循環(huán),依次采集冷端溫度及各通道溫度,最終執(zhí)行喂狗操作。