劉偉 王德福

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院北京 100191）

基于STM8的熱膜式流量計(jì)信號(hào)處理和自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)

劉偉 王德福

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院北京 100191）

熱膜式空氣流量計(jì)具有尺寸小、靈敏性好、可靠性高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。它采用熱膜傳感單元與外圍電路協(xié)同工作的模式。采用stm8l151單片機(jī)為核心的數(shù)字化電路能夠很好的控制熱膜上加熱器的工作溫度，將熱膜產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。配合采用LabVIEW編制的上位機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的快速自動(dòng)標(biāo)定。

熱膜 流量計(jì) STM8 LabVIEW 人機(jī)界面

1 引言

目前應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的熱式空氣流量計(jì)傳感單元主要以熱膜為主[1-4].發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)氣管內(nèi)的流動(dòng)速度范圍0-1000kg/h，尤其是在進(jìn)氣量較大時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，氣流沿進(jìn)氣管道做非穩(wěn)定流動(dòng)，進(jìn)氣管任一截面處流速和壓力都是周期性脈動(dòng)變化的。熱膜式空氣流量計(jì)可以直接測(cè)量進(jìn)氣質(zhì)量流量，具有尺寸小、靈敏性好、可靠性高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。如圖1，采用MEMS工藝的熱膜由氧化硅和氮化硅組成，總體厚度不超過(guò)幾微米，熱膜上集成多個(gè)金屬鉑制成的電阻器和加熱器。這些鉑電阻的線(xiàn)條寬度一般只有5微米。除了熱膜傳感單元，還需要有一些常規(guī)元器件組成的外圍電路，對(duì)加熱器的加熱功率和溫度進(jìn)行控制，將熱膜產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，然后傳輸?shù)狡?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元?？諝饬髁坑?jì)的正常工作，需要外圍傳感電路的支持。外圍傳感電路的作用：一是控制加熱器的加熱溫度，在工作中一直保持其溫度高于周?chē)鷾囟龋車(chē)鷾囟仁怯稍趥鞲袉卧獰崮ひ酝獾碾娮杵鱽?lái)探測(cè)的。在20℃的環(huán)境溫度下，高出的溫度大約為200K。當(dāng)周?chē)鷾囟茸兓瘯r(shí)，高出的溫度基本不變；另外，外圍電路要把熱膜上能夠反映膜表面溫度隨空氣質(zhì)量流量變化的4個(gè)成對(duì)鉑電阻（Rm1,Rm2,Rc1,Rc2）組成的惠斯通電橋輸出的電勢(shì)差信號(hào)進(jìn)行采集，濾波和放大。

本研究中，采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8L151單片為控制單元，設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字化測(cè)量方案，先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)信號(hào)的增益選擇，初始信號(hào)誤差修正，以及并對(duì)加熱器的加熱溫度的精確控制都可以快速的完成。并且配合采用LabVIEW編制的上位機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的快速自動(dòng)標(biāo)定。

2 流量計(jì)混合電路設(shè)計(jì)

熱膜式空氣流量計(jì)混合電路主要由熱膜傳感單元，外圍傳感器信號(hào)處理電路和輸入輸出端口組成。傳感器信號(hào)處理電路又可分為模擬型和數(shù)字型。

圖1 測(cè)量空氣流量的熱膜傳感單元電氣布局

2.1 模擬型電路

模擬型電路的工作原理如圖2所示。

圖2 熱膜式流量計(jì)模擬電路示意圖

模擬型傳感器信號(hào)處理電路雖然具有信號(hào)可靠，速度快等優(yōu)點(diǎn)。但也存在以下缺點(diǎn)：

（1）需要手動(dòng)調(diào)節(jié)多個(gè)電位器。其中Rp1與Rp2分別為用于調(diào)節(jié)加熱器溫度和惠斯通電橋初始誤差的電位器（或者是厚膜電路中的可用激光調(diào)節(jié)阻值的碳膜電阻）；

（2）自適應(yīng)能力差。當(dāng)周?chē)ぷ鳁l件或器件老化，特別是環(huán)境溫度變化時(shí)，溫度補(bǔ)償能力有限；

（3）只能提供模擬量輸出。

2.2 數(shù)字型電路

為解決模擬電路存在的問(wèn)題，提出了數(shù)字化測(cè)量方案，首先用數(shù)字電位器X9C102代替模擬電位器或者碳膜電阻，可實(shí)現(xiàn)電位器的自動(dòng)調(diào)節(jié)，結(jié)合上位機(jī)軟件可自動(dòng)完成靜態(tài)標(biāo)定，然后用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、增益設(shè)定、加熱控制，信號(hào)偏置和輸出等功能，該方案中電橋模擬電壓經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用內(nèi)部MAP圖結(jié)合外部標(biāo)定，確定增益倍率和偏置電壓，再經(jīng)單片機(jī)的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）輸出模擬電壓信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。

微處理器在數(shù)字化外圍傳感電路中處于核心地位，鉑電阻器Rm1,Rm2,Rc1,Rc2位于熱膜傳感單元加熱器的上游和下游，且布置在惠斯通電橋中，它給出約200mV的基本信號(hào)。電橋由一個(gè)5V的參考電壓供電。傳感器完成對(duì)空氣質(zhì)量流量信息，也就是惠斯通電橋電壓的采集，經(jīng)過(guò)ADC處理后，經(jīng)過(guò)識(shí)別，計(jì)算出合適的增益和偏執(zhí)電壓，計(jì)算中需要用到單片機(jī)中存儲(chǔ)的糾偏圖，保證最后的輸出不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化而與實(shí)際的質(zhì)量流量產(chǎn)生誤差。再把信號(hào)通過(guò)DAC輸出為模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬雙信號(hào)輸出能力。

本設(shè)計(jì)采用了意法半導(dǎo)體公司的超低功耗8位微處理器STM8L151[5]。選型主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）工作電壓范圍寬：1.8V～3.6V。

（3）工作溫度范圍：-40℃到+85℃,可以適應(yīng)各種惡劣條件下的工作。

（4）內(nèi)部功能豐富：內(nèi)部集成SPI功能，便于……，內(nèi)部集成EEPROM及LCD功能，便于功能的擴(kuò)展。

（5）性?xún)r(jià)比：與MSP430系列單片機(jī)相比，STM8L系列單片機(jī)具有更低的價(jià)格，更高的性?xún)r(jià)比。

圖3 熱膜式流量計(jì)數(shù)字電路

3 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)

數(shù)字化電路的設(shè)計(jì)為自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了可能，我們可以將數(shù)字化電路的信號(hào)通過(guò)通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)一些必要的但數(shù)字化電路無(wú)法提供的參數(shù)和變量（如環(huán)境溫度，OEM輸出電壓，產(chǎn)品的最終輸出電壓等）通過(guò)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再配合自動(dòng)化操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的標(biāo)定。

熱膜式流量計(jì)可通過(guò)如下步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)標(biāo)定：

（1）靜態(tài)調(diào)節(jié)；

通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器Rp1對(duì)加熱器溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器Rp2對(duì)20℃時(shí)且沒(méi)有氣流的輸出信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。

首先測(cè)量環(huán)境溫度，查表得該溫度對(duì)應(yīng)的比較器正端電壓（目標(biāo)電壓），并發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)循環(huán)測(cè)量比較器正端實(shí)際電壓，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器改變正端電壓，使目標(biāo)電壓和實(shí)際電壓的差小于允許值，調(diào)節(jié)結(jié)束，保存當(dāng)前的電位器阻值。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；

圖4 自動(dòng)化氣道實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

通過(guò)自動(dòng)化氣道實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖4所示，羅茨風(fēng)機(jī)提供穩(wěn)定氣源，氣體流量可精確控制。在流量計(jì)需用流量測(cè)量量程范圍內(nèi)，按照氣流流量由小到大調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定在若干流量測(cè)量設(shè)定點(diǎn)上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)將所需參數(shù)（包括產(chǎn)品與OEM的輸出電壓值）采集到上位機(jī)，進(jìn)行分析。依次重復(fù)以上工作，直到得到2條相似的電壓輸出曲線(xiàn)，再按照最小二乘法原理，將產(chǎn)品電壓輸出曲線(xiàn)與OEM曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合結(jié)果對(duì)電路中的儀表放大器的發(fā)大倍率進(jìn)行修改，使2條曲線(xiàn)幾乎完全重合，完成整個(gè)產(chǎn)品標(biāo)定過(guò)程，如圖5所示。

圖5 最終輸出電壓標(biāo)定曲線(xiàn)

本系統(tǒng)選用LabVIEW編寫(xiě)自動(dòng)化標(biāo)定軟件，LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器有限公司最核心的軟件產(chǎn)品，它是一種編程語(yǔ)言，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問(wèn)題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新[6][7]。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定過(guò)程如圖6、圖7所示，首先設(shè)置一個(gè)初始的增益，然后單片機(jī)進(jìn)入動(dòng)態(tài)標(biāo)定的狀態(tài)，標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)始控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，改變流量，單片機(jī)采集每個(gè)流量下的輸出電壓，上位機(jī)通過(guò)采集卡采集OEM的輸出電壓，得到兩組值，兩組值進(jìn)行比較得到一個(gè)方差，改變?cè)鲆妫◤淖钚≡鲆娴阶畲笤鲆娑既〉剑┑玫搅硪粋€(gè)方差，方差最小的時(shí)候?qū)?yīng)的阻值即最佳增益，更新MAP，標(biāo)定結(jié)束。

圖6 標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)路程

圖7 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)人機(jī)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了熱膜式流量計(jì)的工作原理和信號(hào)處理方法，指出了模擬型信號(hào)處理電路的缺點(diǎn)并提出一種數(shù)字化測(cè)量方案，該方案基于具有集成度高、高精度ADC、高精度DAC等特點(diǎn)的STM8L151單片機(jī)作為控制單元，可滿(mǎn)足流量計(jì)信號(hào)處理和輸出的要求，結(jié)合使用數(shù)字電位器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定，因此具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償效果好等特點(diǎn)。使用LabVIEW編寫(xiě)了自動(dòng)化標(biāo)定軟件，提出了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定流程。綜上所述：

（1）提出的數(shù)字化電路方案克服了模擬電路自身存在的缺點(diǎn)，是今后熱膜式流量計(jì)信號(hào)處理的趨勢(shì)。

（2）提出一種基于數(shù)字化電路的自動(dòng)化標(biāo)定方案，該方案大大簡(jiǎn)化了標(biāo)定過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

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[7]雷振山.?LabVIEW?8.2基礎(chǔ)教程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社, 2008.

Hot-film Air Flow Sensor

LIU Wei,WANG De-fu
(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The advantages of hot-film air flow sensor are small size,high sensitivity,high safely and reliability,short response time, which has a hybrid?electric circuit structure.The core of external circuit is STM8L151.The single chip controls the temperature of heater efficiently and filters and amplifies the signals which on the hot-film.?The computer?interface made on LabVIEW,make the calibration fast and automatically.

hot-film;air flow sensor;STM8;LabVIEW;human-computer interface

TP368.1

A

1008-1739(2014)06-66-4

定稿日期：2014-02-26