胡 琴，黃 亮，全 睿

(1．武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070;2．武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

傳統(tǒng)的汽車燃油熱量僅1/3為有效能量，其余的通過冷卻水或尾氣排入大氣。充分利用能源，提高燃油利用率已成為人們普遍關注的問題。一種方法是余熱回收利用［1］，即將汽車尾氣余熱轉換成電能作為車載電源給車載設備供電。汽車余熱熱電轉換器主要由冷卻水箱、熱電轉換模塊和汽車尾氣管道3個部分組成［2］。在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中，氣道的溫度分布決定了熱電轉換模塊的擺放，根據(jù)氣道溫度分布設計一種管道熱流分布，因地制宜地串、并聯(lián)熱電模塊，以提高廢熱利用率［3－4］。因此在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中掌握氣道的溫度分布至關重要。

目前，汽車尾氣余熱發(fā)電實驗臺架系統(tǒng)上采用紅外熱像儀獲得氣道表面溫度場分布。紅外熱像儀將物體的輻射能量轉換為可視的溫度圖像，從而獲得物體空間溫度場的分布［5］，但其信息量很大且空間分辨率不高，不便于系統(tǒng)分析。為此，筆者針對汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)氣道設計了一種精度高、抗干擾能力強、存儲顯示方便的多點溫度檢測系統(tǒng)［6］。

1 系統(tǒng)整體設計

氣道溫度檢測系統(tǒng)以 PIC18F258單片機［7］為核心，能對多點的溫度進行實時巡檢。溫度信號由熱電偶、變送器和12位的模數(shù)轉換芯片TLC2543提供。溫度傳輸采用 CAN總線和RS485并用的方式。溫度檢測系統(tǒng)實時檢測氣道的溫度，通過CAN總線傳輸給熱電轉換主控制器進行收集，再連同其他信號一起由主控制器通過RS485傳送給上位機進行進一步地存檔、處理、分析。熱電轉換控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 熱電轉換控制系統(tǒng)總體結構

2 氣道溫度檢測硬件設計

氣道從結構上來說是一個結構非常復雜的部件。該系統(tǒng)選擇了熱電偶和變送器以達到結構和測溫量程的要求。汽車尾氣余熱發(fā)電氣道溫度檢測系統(tǒng)如圖1中虛線框所示。T1到T11為美國omega熱電偶測溫線，分度號T型，絕緣層耐溫480℃。變送器是T型智能溫度變送器，輸入、輸出、電源三相隔離。

2．1 濾波電路

該系統(tǒng)采用二階巴特沃斯有源濾波電路［8］，如圖2所示。為了減少運放對濾波電路的負載效應，同時便于調整，選用低失調、高阻抗輸入的運放LM336。濾波電路部分屬模擬器件，其電源的地線回路與數(shù)字地線回路隔離，防止數(shù)字部分的噪聲電流通過模擬地回路引入時產生噪聲電壓對模擬電路產生干擾。

圖2 二階有源巴特沃斯濾波電路

2．2 單片機與A/D轉換芯片接口電路

該系統(tǒng)選用TI公司的12位開關電容逐次逼近的A/D轉換芯片TLC2543，它具有12位的分辨率，轉換速度為25 μs，轉換精度為0．05%。由于PIC18F系列單片機不具備16位SPI口，為了不影響溫度檢測精度，采用軟件模擬16位SPI的時序操作。TLC2543與單片機PIC18F258的連接圖如圖3所示。TLC2543的I/O時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選分別由PIC單片機并行雙向I/O口引腳RC3、RC5、RA5提供。TLC2543的轉換結果通過引腳RC4接收。

圖3 TLC2543與PIC18F258單片機連接圖

2．3 CAN總線接口

CAN總線是國際標準現(xiàn)場總線，其信號通過雙絞線傳輸，總線上其中一個節(jié)點的錯誤不影響其他節(jié)點的正常通信，具有較強的抗干擾能力。PIC18F258內部集成了CAN協(xié)議控制器，該系統(tǒng)選用82C250芯片作總線驅動器為CAN控制器和總線接口提供差動發(fā)送和差動接收功能。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，PIC18F258的CANTX和 CANRX通過高速光隔 TLP113與82C250的TXD和RXD相連，且光隔兩邊的電源完全隔離。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信電路

3 氣道溫度檢測軟件設計

3．1 主程序

軟件部分主要包括主程序、A/D轉換及軟件濾波3個程序。其中主程序負責系統(tǒng)初始化、I/O口及變量初始化、CAN初始化，以及監(jiān)聽數(shù)據(jù)收發(fā)。熱電轉換控制系統(tǒng)采用了分布式控制思想，溫度檢測系統(tǒng)是汽車尾氣余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，屬從機。除了建立硬件電路基礎外，還需要定義系統(tǒng)的軟件通信協(xié)議。協(xié)議規(guī)定如下:主、從雙方波特率均設置為15 200 b/s，主從雙方初始狀態(tài)均設置為CAN接收中斷方式。從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。系統(tǒng)溫度檢測模塊主程序流程圖如圖5所示。

3．2 A/D 轉換

在TLC2543與單片機每次傳送周期傳送的數(shù)據(jù)是上次A/D轉換的結果。傳統(tǒng)方法是每個通道必須讀兩次，第二次的轉換結果才是所需的模擬輸入通道和A/D方式的有效轉換數(shù)據(jù)。然而，在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量較大且實時性要求較高，該系統(tǒng)采用循環(huán)讀取的方法，即每個通道只讀一次，循環(huán)讀取可得到每個模擬通道的有效轉換結果。A/D轉換流程如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 A/D轉換流程圖

3．3 軟件濾波

程序通過一定的算法來減小干擾信號在有用信號中的比例，提取最逼近控制信號真值數(shù)據(jù)的方法，稱為軟件濾波法［9－10］。在硬件二階巴特沃斯有源濾波抗干擾措施的基礎上，采取軟件濾波設計以補充和完善系統(tǒng)穩(wěn)定性。該程序采用中值濾波算法來減少隨機干擾對采樣結果的影響。即對每個A/D通道轉換5次得到5個轉換結果，再采用冒泡排序得到中間值作為該通道的有效轉換結果。

4 管道溫度分布實驗結果分析

在該溫度檢測系統(tǒng)的基礎上對擬定的氣道進行實驗檢測。測溫源分布如圖7所示。用兩個溫度檢測板進行測量。發(fā)動機在轉速2 000 r/min下運行約10 min，達到正常工作狀態(tài)。通過上位機顯示可觀察到實驗氣道在此時的溫度分布，其界面如圖8所示。圖9為紅外熱像儀掃描的氣道紅外熱像圖。通過對比圖8與圖9，可見，溫度檢測系統(tǒng)與紅外熱像儀掃描結果一致，該溫度檢測系統(tǒng)能為汽車尾氣熱電轉換系統(tǒng)的建立提供重要依據(jù)。

圖7 管道測溫源分布圖

圖8 氣道溫度檢測上位機結果顯示界面圖

圖9 氣道紅外熱像圖

5 結論

筆者針對汽車尾氣熱電轉換系統(tǒng)氣道所提出的溫度檢測系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了精度高及多點測量，還便于數(shù)據(jù)的存儲顯示。硬件二階巴特沃斯有源濾波與軟件中值濾波相結合提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實驗表明，該系統(tǒng)準確性高，可靠性強。可對不同內部結構的氣道溫度分布進行檢測，根據(jù)上位機顯示存儲的數(shù)據(jù)進行分析研究，可為設計高效率的熱電轉換系統(tǒng)提供依據(jù)。

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