王 昕 何 鑫 范正吉 景金榮 洪應(yīng)平?

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，100076 北京；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在航空航天等領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)作為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的新興武器，在執(zhí)行任務(wù)方面有著出色的表現(xiàn)。隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，執(zhí)行任務(wù)時(shí)的環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜[1]。當(dāng)無(wú)人機(jī)在高海拔飛行時(shí)，容易受到低溫環(huán)境影響，如果一直保持同樣的飛行高度，內(nèi)部電路產(chǎn)生故障，影響無(wú)人機(jī)性能，降低無(wú)人機(jī)的使用壽命[5]。為了保證良好的飛行狀態(tài)，需要采用溫控系統(tǒng)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)及內(nèi)部電路進(jìn)行加溫措施，以便飛控系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整，避免發(fā)生事故[8]。

針對(duì)上述無(wú)人機(jī)在運(yùn)行過(guò)程外部環(huán)境溫度過(guò)低影響飛機(jī)控制的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于STM32 的飛控設(shè)備溫控系統(tǒng)和殼體，用于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中采用溫控系統(tǒng)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)及內(nèi)部電路進(jìn)行加溫措施以保護(hù)飛控計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)用于飛行高度大于1 萬(wàn)米的高空投放無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)的溫度控制，保證高海拔下無(wú)人機(jī)內(nèi)部飛控計(jì)算機(jī)能夠在工作－40 ℃以上正常溫度范圍內(nèi)。為機(jī)載溫度監(jiān)控提供了一個(gè)可靠的系統(tǒng)，且功耗比較低，具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

溫控設(shè)備供電電壓為28 V，帶有外殼和安裝支架，通過(guò)連接器與飛控計(jì)算機(jī)、機(jī)載電源、柔性薄膜型加熱器(含測(cè)溫傳感器)連接；溫控設(shè)備的控制器體積不超過(guò)130 mm×100 mm×65 mm，溫控系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，通過(guò)合理分布測(cè)溫點(diǎn)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)溫度進(jìn)行采集；通過(guò)RS－485 接口與外界飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，在溫控系統(tǒng)加溫過(guò)程中，應(yīng)確保飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有點(diǎn)的溫度范圍在－40 ℃以上，且整體溫控的功耗小于300 W。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)要求，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 下所示。溫控設(shè)備分為三部分:多路測(cè)溫模塊(圖中所示的測(cè)溫點(diǎn))、柔性薄膜加熱片以及溫控系統(tǒng)控制器。多路測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)對(duì)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集回傳給控制器；柔性薄膜加熱器負(fù)責(zé)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)外殼進(jìn)行加熱以保持飛控計(jì)算機(jī)電子設(shè)備在正常工作范圍內(nèi)；溫控系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)下發(fā)溫度采集指令、加熱指令以及與飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，整體工作結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖1 溫控系統(tǒng)組成圖

圖2 溫控系統(tǒng)控制器工作結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器選型以及采集調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

本文選擇鉑電阻作為溫度傳感器。該溫度傳感器的測(cè)量原理是基于鉑絲電阻的變化來(lái)測(cè)溫。鉑絲和連接導(dǎo)線的總阻值構(gòu)成傳感器的總阻值。一般通過(guò)不同接法來(lái)減小連接導(dǎo)線造成的測(cè)量誤差。常見(jiàn)的接法有二線制、三線制和四線制。二線制接法要求連接導(dǎo)線短且只適用于測(cè)量精度不高的場(chǎng)合；三線制接法引入了電橋，大大減小了附加電阻帶來(lái)的誤差；四線制接法在兩端各接入兩根導(dǎo)線，這種接法可完全消除引線電阻的影響，適用于高精度的溫度測(cè)量。最終選用測(cè)量范圍為－70 ℃～＋500 ℃四線制賀利式PT1000 鉑電阻，實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 PT1000 溫度傳感器

調(diào)理電路原理圖如圖4 所示。調(diào)理電路中主要分為3 部分:整流電橋、差分放大以及電壓跟隨電路。整流電橋負(fù)責(zé)將鉑電阻阻值PT1 隨溫度發(fā)生變化時(shí)的電壓輸出進(jìn)入差分放大器兩端，差分放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大，整個(gè)放大倍數(shù)可由下式計(jì)算所得。從差分放大電路出來(lái)的電壓再進(jìn)入電壓跟隨器隔離，再將輸出的值SENSOR0 送到AD 進(jìn)行AD采集，此處的電壓跟隨器采用德州儀器(TI)的OPA735，OPA735 最顯著的特性就是超低漂移，最大漂移僅為0.05 μV/℃。

圖4 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在0.005 ℃步中要求的溫度范圍為0 ℃～180℃，對(duì)應(yīng)36 001 步。0.005 ℃是每個(gè)溫度傳感器可接受的分辨率，因此，對(duì)于傳感器的分辨率是實(shí)現(xiàn)的以位為單位，該值為15.136 位。在實(shí)踐中，所需的位數(shù)更高。因此，需要具有至少16 位分辨率的ADC；這里選擇的是滿足上述要求的24 位ADCADS122U04。ADC 采集電路的設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供的典型電路圖設(shè)計(jì)。

2.2 加熱片的選擇與設(shè)計(jì)

加熱片使用了薄膜加熱片，可以直接粘貼在外殼上。外形采用定制結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，單位均為mm。方便與外殼貼合。為了讓加熱器和溫度傳感器在飛行的過(guò)程中不會(huì)掉落，使用了航天專用灌封膠灌封。

圖5 定制加熱片

加熱片的安裝數(shù)量共為11 個(gè)，分布為:從外殼接插件方向看去，左右兩邊各4 片，后面3 片，頂端以及下端沒(méi)有安裝，對(duì)加熱片安裝建議應(yīng)一次灌封，在沒(méi)有灌封情況下，安裝方式如圖6 所示。注意加熱片正反面都需要導(dǎo)熱硅膠散熱，下方的導(dǎo)熱硅膠1 的厚度不能過(guò)厚，建議1 mm。導(dǎo)熱硅膠材質(zhì)一般質(zhì)地較軟，應(yīng)確保上方有墊片固定。

圖6 加熱片安裝方式

2.3 溫控系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)體積與工作溫度要求，主控芯片采用的是ST 公司的F4 系列芯片，具體型號(hào)為STM32F401CEU6，該芯片為32 位微處理器，Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率為84 MHz，芯片ROM 和RAM 分別為512 kbyte 與96 kbyte，工作溫度工范圍為－40 ℃～＋105 ℃，滿足該系統(tǒng)要求。

2.4 外殼設(shè)計(jì)

為方便溫度控制器安裝，在設(shè)計(jì)外殼時(shí)采用了法蘭結(jié)構(gòu)，安裝孔直徑大小為4 mm。外殼結(jié)構(gòu)整體大小為130 mm×100 mm×65 mm(長(zhǎng)?寬?高)。分為殼體和蓋兩個(gè)部分，殼高63 mm，蓋厚2 mm，殼體與蓋采用M3 沉頭螺母連接。殼體與蓋材料都為鋁，如圖7 所示。

圖7 溫度控制器外殼

加熱片使用了薄膜加熱片，可以直接粘貼在外殼上。外形采用定制結(jié)構(gòu)，方便與外殼貼合。為了讓加熱器和溫度傳感器在飛行的過(guò)程中不會(huì)掉落，使用了航天用灌封膠灌封。薄膜加熱器與溫度傳感器的安裝分別如圖8 所示，溫度傳感器位于加熱片下方，用來(lái)測(cè)殼體的溫度，實(shí)物圖如圖9 所示。箱內(nèi)溫度傳感器與殼體內(nèi)傳感器安裝方式都為懸空安裝，所測(cè)量溫度為空氣溫度。殼內(nèi)安裝方式如圖10 所示。

圖8 薄膜加熱片安裝圖

圖9 溫控實(shí)物圖

圖10 殼內(nèi)溫度傳感器安裝方式

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式

溫控設(shè)備工作方式為:飛機(jī)上電后飛控機(jī)發(fā)送查詢指令，實(shí)時(shí)采集多路溫度測(cè)量采集點(diǎn)溫度(測(cè)量量程－70 ℃～100 ℃)，4 路加熱溫控控制點(diǎn)(加溫功率300 W)；地面站發(fā)送溫控加熱開(kāi)，溫控設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)加熱，判斷當(dāng)前溫度是否處于加熱閾值范圍內(nèi)，在范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，否則不進(jìn)行加熱；加熱閾值通過(guò)燒寫(xiě)口對(duì)加溫閾值上下限進(jìn)行更改。

3.2 算法設(shè)計(jì)

溫度控制算法采用的是開(kāi)關(guān)控制和PID 控制相結(jié)合的方式。假設(shè)殼內(nèi)溫度為Tin，溫度預(yù)警值為Tth，PID調(diào)控溫度范圍為Ts，則當(dāng)Tin－Tth<－Ts時(shí)，系統(tǒng)全速加熱，當(dāng)－Ts≤Tin－Tth≤0 時(shí)，使用PID 調(diào)控。以保證系統(tǒng)對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)精度。控制流程如圖11 所示。初始溫度參數(shù)設(shè)置為:Ts＝2 ℃，Tth＝－5 ℃。

圖11 溫控控制算法流程圖

3.3 通信協(xié)議

485 總線通信同時(shí)可以測(cè)溫和控溫，控溫分為手動(dòng)加熱模式和自動(dòng)加熱模式，通信波特率115 200，通訊周期40 ms，相關(guān)通信協(xié)議如表1 所示。加熱閾值通過(guò)485 總線通信對(duì)加溫閾值上下限進(jìn)行更改，波特率115 200，通訊周期40 ms，查詢回報(bào)。

表1 查詢指令幀

4 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

4.1 0 ℃初始溫度測(cè)試

在該測(cè)試中，先將被測(cè)設(shè)備放在高低溫快速變化實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)置目標(biāo)溫度為0 ℃。當(dāng)殼體內(nèi)溫度到達(dá)0 ℃是開(kāi)始測(cè)試。

測(cè)試初始溫度為0 ℃，目標(biāo)溫度為－40 ℃，溫度變化率設(shè)置為10 ℃/min。溫度控制器溫度上報(bào)周期為1 s。測(cè)試曲線如圖12 所示。功耗大小如圖13 所示。

圖12 測(cè)試1 溫度變化曲線

圖13 溫度控制器功耗

在圖12 中，橫軸為時(shí)間單位為秒，縱軸為溫度，單位為℃。實(shí)心圓點(diǎn)線為試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，正方形點(diǎn)線與三角形點(diǎn)線分別為左右兩邊殼體上溫度傳感器測(cè)得的溫度，空心圓點(diǎn)為殼體內(nèi)溫度。由圖中的曲線可以看出，當(dāng)外界溫度為－40 ℃時(shí)，溫度控制器可以穩(wěn)定保持殼內(nèi)溫度在－14 ℃左右。由圖12 數(shù)據(jù)可計(jì)算得溫度控制器功耗此時(shí)大小為126.399 W，達(dá)到設(shè)計(jì)功率。升溫能力達(dá)到了溫度控制器性能要求。

4.2 －40 ℃初始溫度測(cè)試

在該測(cè)試中，先將被測(cè)設(shè)備放在高低溫快速變化實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，在試驗(yàn)箱溫度為－40 ℃的情況下，設(shè)置試驗(yàn)箱的目標(biāo)溫度為－50 ℃。其結(jié)果如圖14 所示。

圖14 測(cè)試2 溫度變化曲線

橫軸為時(shí)間單位為秒，縱軸為溫度，單位為℃。菱形點(diǎn)線為試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，五角星線與圓圈點(diǎn)線分別為左右兩邊殼體上溫度傳感器測(cè)得的溫度，三角形點(diǎn)線為殼體內(nèi)溫度。由圖14 可得，當(dāng)外界溫度達(dá)到－50 ℃時(shí)，殼內(nèi)溫度可以保持在－24 ℃左右。滿足溫控升溫要求。

5 結(jié)論

本文提出一種無(wú)人機(jī)機(jī)載溫控系統(tǒng)，成功利用STM32 單片機(jī)進(jìn)行溫度采集，同時(shí)使用加熱器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度加熱，能夠在高空低溫環(huán)境下，對(duì)無(wú)人機(jī)飛控環(huán)境溫度進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)模擬環(huán)境測(cè)試，能滿足無(wú)人機(jī)機(jī)載所需要的功耗和功能要求。