基于單片機溫度測量的標定方法

航空發(fā)動(dòng)機燃氣溫度是表征航空發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)是否正常的最重要的參數之一，也是飛行員和維護人員必須掌握的重要參數，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中，溫度標定是一個(gè)重要的環(huán)節。本文在航空發(fā)動(dòng)機溫度檢測電路的基礎上，通過(guò)對不同標定方法的研究，提出了一種改進(jìn)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 硬件設計

熱電偶是測量航空發(fā)動(dòng)機燃氣溫度的常用溫度傳感器，其中K型熱電偶由于線(xiàn)性好、熱電動(dòng)勢較大、靈敏度高、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機中得到了廣泛應用。實(shí)驗中使用毫伏源模擬熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢。

A/D轉換電路采用高精度的AD7606芯片，其是16位、8通道同步采樣模數數據采集系統，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(diǎn)。

上位機采用Delphi設計，通過(guò)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，整體硬件結構如圖1所示。

2 溫度標定方法的對比和研究

2.1 查表法

在實(shí)時(shí)控制和數據處理系統中，對程序的運算速度要求較高。若完全利用CPU多次重復處理同一復雜運算，將占用較長(cháng)時(shí)間。為避免復雜的現場(chǎng)運算、縮短運算時(shí)間，可采用查表法將復雜的運算事先做好，將結果存儲在內存中，程序運行需要該運算時(shí)將結果調出即可。

查表法需要制作數據量很大的表格才能獲得較高的精度，這將占用較大的內存。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

根據熱電偶分度表，調節輸入電壓值，通過(guò)上位機顯示記錄轉換后的AD值。經(jīng)A/D轉換得到的數字量與實(shí)測的溫度值之間不具有線(xiàn)性關(guān)系，工程上常采用最小二乘法對其進(jìn)行擬合，求出函數關(guān)系。將該函數寫(xiě)入下位機程序，即可將測得的AD值轉換成對應的溫度值。

直接擬合法的缺點(diǎn)在于不能調零和調滿(mǎn)，而且硬件一旦發(fā)生改變，相關(guān)函數必須重新擬合，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上改進(jìn)而來(lái)，其原理如圖2所示。

熱電偶測量溫度得到的熱電動(dòng)勢(V)與實(shí)測的溫度值(T)之間不具備線(xiàn)性關(guān)系，根據其分度表采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到函數關(guān)系T=f(V);由于輸入的電壓信號與A/D轉換后得到的數字量之間線(xiàn)性關(guān)系較好，采用兩點(diǎn)法求得V=g(AD)，利用該函數關(guān)系可實(shí)現調零和調滿(mǎn)。上面兩個(gè)函數復合得到溫度與AD值之間的函數關(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(xiàn)性關(guān)系，可設V=aAD+b(a，b為常數)。令T=f(aAD+b+Vx)，Vx初始值為零。首先調零，輸入零點(diǎn)溫度對應的電壓V0，由上位機發(fā)出調零指令，在Flash中保存零點(diǎn)AD值AD0，同時(shí)令Vx=-V0，則T=f(aAD0+b-V0)=f(V0-V0)=0，實(shí)現顯示清零;接著(zhù)調滿(mǎn)，輸入滿(mǎn)量程溫度對應的電壓，由上位機發(fā)出調滿(mǎn)指令Vf，保存滿(mǎn)程AD值ADf，并將Vx清零，聯(lián)立方程式

此時(shí)顯示滿(mǎn)量程溫度值，且完成溫度的標定。

3 實(shí)驗數據分析

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

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

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

4 結束語(yǔ)

二次擬合法利用AD7606輸入的模擬量和輸出的數字量之間線(xiàn)性度較好這一特點(diǎn)，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具有更高的精度和穩定性。輸入電壓和轉換后的AD值之間的關(guān)系是通過(guò)兩點(diǎn)法求得的直線(xiàn)方程，這兩點(diǎn)分別是溫度零點(diǎn)和滿(mǎn)程對應的電壓值和AD值，因此二次擬合法可完全通過(guò)軟件對溫度調零和調滿(mǎn)，無(wú)需增加或調節硬件。二次擬合法標定過(guò)程中需要的AD值可隨時(shí)由上位機讀取，不受硬件變化的制約，因此可移植性較高。