发动机冷却液温度传感器测控平台设计_图文

1、PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol35No4April 2014湖北省教育厅科学技术研究基金资助项目(编号:B2013083修改稿收到日期:2013-09-25第一作者程登良(1977-,男,2005年毕业于武汉科技大学机械电子专业,获硕士学位,讲师;主要研究方向为汽车电子相关技术发动机冷却液温度传感器测控平台设计Design of the Measurement and Control Platform of the Temperature Sensor for Engine Coolant程登良蒋伟荣黄志文张凯王卫华(湖北汽车工业学院电气与信息工程

2、学院,湖北十堰442002摘要:为满足汽车传感技术实践教学的要求,设计了一种新的发动机冷却液温度传感器测控平台该平台主要包括DSP 系统板温度传感器温度工况模拟装置水温仪表上位机及外围电路介绍分析了装置选型和硬件设计过程,阐述了温度传感器标定及系统测控流程测试结果表明,温度传感器信号测量准确可靠,模拟温度工况控制快速平稳该实验台为试验者进行温度传感器参数测量与标定仪表技术研究等提供了良好的实践平台关键词:汽车传感技术温度传感器DSP水温仪表参数标定LabVIEW 中图分类号:TP216+.1文献标志码:AAbstract :To meet the requirements of practic

3、al teaching for automotive sensing technology ,the novel measurement and control platform of the temperature sensor for engine coolant has been designed.The platform mainly consists of DSP systematic board ,temperature sensor ,simulation device of temperature ,water temperature gauge ,host computer

4、and peripheral circuit.The model selection for the devices is introduced ,the hardware design procedures are analysed ,and the flowcharts of calibration of temperature sensor and measurement and control of system aredescribed.The test results show that the measurement of temperature sensor signal is

5、 accurate and reliable ;the simulation condition control for temperature is fast and steady.The experimental bench is a good practical platform for experimenters to work on parameter measurement and calibration of temperature sensor ,and provides excellent practical platform for instrument technolog

6、ies researching.Keywords :Automotive sensing technologyTemperature sensorDSPWater temperature instrumentParameter calibrationLabVIEW0引言汽车传感技术 作为汽车电子专业的核心专业基础课程,在近几年的实践教学环节却一直面临着实验设备匮乏的现状目前,市场上的传感器实验台不能有针对性地满足汽车传感技术方面的实践教学要求1-4文献5提出了汽车发动机热敏电阻型水温传感器性能测试仪设计方案该测试仪结构较复杂,体积不够小巧,加热开环控制,不便于精确控温及作为测试和控制开发的平台

7、在多年科研和教学的基础上,经过几轮方案的设计和验证,开发出了相关系列的汽车传感器实验平台,使用效果良好本文将具体介绍 发动机冷却液温度传感器测控平台 的设计和实现1系统整体设计系统主体由下位机DSP 系统板驱动电路发动机冷却液温度工况模拟装置发动机冷却液温度传感器(俗称水温传感器调理电路(比例缩放电路测量端口温度计汽车仪表的水温表以及LabVIEW 开发的上位PC 机人机界面组成其中,发动机冷却水温模拟装置采用内嵌加热棒的铜套实现,选择片内外设丰富的TI 公司TMS320LF2407DSP为主控芯片系统工作原理如下上位PC 机人机界面与下位机DSP 系统板通过串口进行双向通信上位机接收下位机传

8、来的温度测量数据后同步进行显示,同时能设定试验者所期望的温度并发送给下位机DSP 系统板水温传感器通过调理电路将当前实际温度实时反馈给DSP 系统板与上位机设定温度比较后,经过软件控制算法,发出相应的PWM 波形,由驱动电路驱动发动机冷却水温工况模拟装置,使得设定温度和实际温度趋向一致当前温度传感器的参数值可以通过测量端口用万用表实时测量,并结合玻璃温度计汽车仪表的水温表以及上位PC 机LabVIEW 开发的虚拟水温表进行多位一体的显示43自动化仪表“第35卷第4期2014年4月系统工作原理图如图1所示图1中,水温传感器信号分别送往比例缩放电路的输入接口SW-IN供试验者测试的测量端口SW-C

9、 以及汽车水温仪表的端口B 15(B 15为仪表厂家所给电气原理图的编号 图1系统工作原理图Fig.1Operational principle of the system2器件选型2.1仪表及温度传感器选型(1汽车水温仪表选型综合考虑各因素,选用全数字A01型东风小霸王轻型车组合仪表6其中水温表电气原理图如图2所示 图2水温表电气原理图Fig.2Electrical diagram of water temperature gauge水温传感器的信号经B 15送往水温仪表内部实时进行处理和显示如图1所示,B 15端对应的是与温度相关的电压信号,可直接取用后经调理电路送往DSP进行测量处理(2

10、发动机冷却液温度传感器选型NTC 型热敏电阻具有很高的负温度系数,适用于-100300之间的温度测量,广泛应用于点温度表面温度和温度场的测量7-8为了与A01型仪表汽车仪表配套,系统采用了东风襄樊仪表有限公司的NTC 型热敏电阻式冷却液温度传感器(3825A01-010型,水温表内部执行结构为步进电机水温仪表及传感器参数如表1所示表1水温表及传感器参数Tab.1Water temperature gauge and parameters of sensor量程/分度值/传感器阻值/允许误差/4012060287.430.08069.14.510038.54.512022.73.02.2温度工况

11、模拟装置选型本文采用内置加热棒的铜棒实现冷却液温度模拟铜棒为储热棒,一端钻孔后插入加热棒进行温度调控,另一端攻锥形丝旋入温度传感器进行温度观测靠近温度传感器部位钻有小圆孔,便于直插玻璃温度计进行实际温度观测综合考虑尺寸功率等因素,本文选用功率为110W尺寸为8mm50mm 的加热棒3硬件设计系统外围硬件电路由传感器调理电路和加热棒驱动电路组成,如图3所示 图3系统硬件电路图Fig.3Circuit of system hardware53(1冷却液温度传感器调理电路受DSP供电电压限制,内部A/D参考电压为3.3V,所以温度信号电压需要先进行比例缩放本文通过外部输入试验来确定电压范围,即在仪表

12、的B15和B1端接入一个滑动电阻,仪表独立供电参数测量结果如表2所示表2外接电阻测量结果Tab.2Measurement results of external resistanceT/R/U/V 5.00201074 4.5340525 3.0060254 2.3880130 1.32100700.80120420.52从表2可以看出,当电阻为无穷大(即断开时,测得分压为5V因此,经过比例运算,得到3V的信号电压,将该电压送往DSP的ADCIN15口,以确保A/D口的电压范围在03V之间ADCIN15口并联小电容能滤除干扰杂波为方便测试温度传感器电阻,在信号输出端串联一个自锁按钮开关当开关断

13、开时,测量电阻;当开关闭合时,进行在线闭环温度调控(2加热棒驱动电路比较实时测量温度和设定温度后,利用DSP控制算法通过IOPE6实时生成相应的PWM波形,以驱动加热棒PWM波形首先经两级反相器同相驱动,然后送往4N25型开关光耦U10进行隔离驱动,以控制IRF540N型MOS管Q10的栅极,使JGX-5F型固态继电器与地的通路进行通断控制,从而控制加热棒与220V 交流电的通断反向并联的硅二极管D10为续流二极管,当固态继电器突然断开时,自感电势能量通过D10释放,避免击穿MOS管4软件设计4.1温度传感器标定温度传感器的准确标定是后续温度精确控制的前提标定步骤如下(1A/D误差校正DSP2

14、407内置ADC转换精度为10位实际使用中如果直接用其A/D进行转换,则由于受实验台其他装置的电磁干扰等影响,A/D转换精度并不理想ADC误差主要包括失调误差和增益误差根据TI公司手册,采用校准模式可以计算ADC模块的零中值和最大值的偏置误差,但在实际应用中该模式具有一定的局限性为此,采用中值滤波的方法进行A/D转换值的处理为保证足够的采样精度,对某点的过采样数要比较多对于中值滤波涉及的数值排序问题,采用效率较高的希尔排序法解决排序后再进行中值平均滤波A/D值与实际测量值仍然有一定的差异,该误差即为上述失调误差和增益误差的体现为此,标准输入一组电压U i,得到对应的A/D值D i,建立U i=

15、f(D i的分段线性拟合公式与相关文献8中通过实际值与理论值得到校正增益和校正失调的方法相比,该方式更加简洁实用,避免了D/A换算的理论公式,同时也避免了参考电压测量不准带来的二次换算误差(2温度-电压关系标定为提高标定速度,采取两步标定的方案在开环手动调压输入情况下,系统温度初步达到平衡后即记录对应的温度T信号电压值U,得到初步标定关系式T=g1(U,A/D口电压U D=0.6V,所以初步标定关系式为T=g1(U D/0.6在闭环控制系统中,将利用该关系式换算得到的测量温度T与设定温度T S进行比较,实现闭环调节当换算测量温度T与设定温度T S一致系统温度达到稳态后,观测玻璃温度计,记录实际

16、温度T b以及当前信号电压U继续利用快速稳定的反馈调节,得到系列测量值,并建立新的标定关系式T b=g2(U D/0.6T b即为二次标定后A/D转换电压所换算的正确测量温度T,则T= g2(U D/0.6该方案的优点是标定效率高精度准,第二次标定后基本不需要再反复进行系数修正,但其前提是闭环系统的控制策略良好稳定二次标定时的系列测量值如表3所示表3二次标定系列测量值Tab.3Series of measured values for secondary calibration设定温度T S/换算测量温度T/玻璃温度计T b/信号转换电压U/VA/D口电压U D/V 202028.0 3.56

17、0 2.136303037.0 3.210 1.926404047.0 2.810 1.686505058.0 2.360 1.416606066.5 1.960 1.176707078.0 1.6020.961808086.5 1.3250.795909096.0 1.0760.646 100100107.00.8620.517 110110118.00.6750.405 120120133.50.5100.30663PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol35No4April2014自动化仪表“第35卷第4期2014年4月采用最小二乘法原理,经4次多项式

18、拟合,得到T b -U D 亦即二次标定后T-U D 的拟合关系式为:T =14.73U D4-92.18U D3+210.9U D2-250.1U D +191.8对应的拟合曲线如图4所示 图4T-U D 拟合曲线Fig.4T-U D fitting curve 4.2测控流程温度测控流程如图5所示 图5温度测控流程图Fig.5Flowchart of temperature measurement and control由图3所示驱动电路可知,加热棒与220V 电源的通断由固态继电器JGX-5F 实现,其内部为双向可控硅结构由于可控硅属半控型器件,开通后只能在工作电压接近反向时才完全截止9

19、-10若要精确地输出控制量,必须增加工作电压220V 的过零检测,配合精确的导通角输入才能达到此目的本文采用了更加简洁易行的方案,即以模糊控制思想为基础的控制策略,从而节省了硬件资源大致思路是:双向可控硅在1s 内正负导通共100次,即1s 内有0100个波头可以进行自由支配PWM 输出周期为1s 的波形,占空比为m%,其中m 为1s 内预期控制导通的波头数除非PWM 上升沿恰好在220V 交流电的过零点附近,否则导通的波头数为(m +1虽然最多可能有1个波头的误差,但是模糊控制的鲁棒性可以使其影响忽略不计首先,温度区间模糊化为8个区间,开环送占空比为m i %的PWM 波形,得到每个温度区间大致需要的波头数m i ,此即平衡点的粗略估计值然后,以模糊控制思想为基础,并结合逐次逼近预测控制的策略,达到快速稳定精确的控制效果11-125试验结果采用LabVIEW 开发的上位机实验界面,通过对话框或旋钮输入设定温度,试验过程中能直观看到温度响应记录曲线和温度设定曲线的吻合程度虚拟温度计也可直观显示当前温度值,并对照汽车水温仪表温度计观测模拟水温试验者通过测量端子测量稳态时水温传感器的信号电压和电阻值,并结合测量温度进行标定多种测量方式保证了测量的可靠性结果表明,通过DSP 的控制调节,实验台能够较