小型无人机发动机温度监控系统设计

0 引言

近年来，无人机技术蓬勃发展，应用领域也不断拓展，各种无人机层出不穷。其中，油动无人机以载重量大、续航时间长等优点受到诸多行业用户的青睐。发动机工作状态影响着油动无人机的载重能力、飞行质量以及无人机的可靠性和安全性。发动机状态调校不合适，无法达到最大功率输出，问题严重时还可能会超温烧蚀缸体及活塞，或者爆震影响正常飞行损坏结构件。监控发动机工作状态的手段主要是测量缸头及排气温度、发动机转速等，水冷发动机还可以监测冷却液温度[1]。在飞行中，对发动机损害最大的因素就是发动机超温，因此要严格控制发动机缸头及排气在正常范围内。

热电偶测温范围宽，而且体积小结构简单便于维护，热端可与被测物体有良好热接触，因而测温准确度较高。与其他测温手段相比，更适合用于发动机缸头温度及排气温度的测量。

针对无人机发动机调试及飞行时监控发动机缸头及排气温度的需求，参考蚊子超轻型直升机温度仪表电路，设计了以K型热电偶为测温元件，经过信号调理及采样计算，通过485总线以Modbus协议发送温度数据，供无人机飞控系统采集并下传到地面站显示以实现无人机发动机温度实时监控的温度监控系统。

1 系统结构及原理

为配合我单位蚊子直升机无人化改装的调试需求，对所设计温度监控系统有如下的参数要求：

1)传感器类型：K型热电偶(热端接地)；

2)传感器路数：4路(2路缸头温度，2路排气温度)；

3)测温范围：-20～+800 ℃；

4)允许误差：±5 ℃ (常用工作温度范围内)；

5)供电电压：12、或24 V；

6)输出形式：RS485总线 查询方式输出；

7)采集速率：≥2 Hz。

为了实时监控无人机发动机的温度变化，方便传感器的安装，采用蚊子直升机原机自带的接地型K型热电偶作测量。这类热电偶通过将焊点焊接到金属护套或者固定件上获得更有效的热传递，对温度变化的响应速度更快。与绝缘型的热电偶相比，金属与金属的接触会产生更短的热通路，检测滞后量小的同时，减小干扰，提高测量可靠性和精度。

但热端接地的热电偶安装后与发动机缸头或排气管接触，形成了热端接地。如果采集端也接地，就会由于两接地点存在微弱电势差而形成“接地回路”。因为所有金属体与热电偶热端都存在电势差，这种电势差作用于热电偶信号线上，将会引起较大的共模干扰[2]。此外，发动机火花塞放电产生的电磁脉冲干扰，机载数传电台和图传链路的射频干扰，都会影响到热电偶信号的正常采集。

为了抑制共模干扰，可采用具有较高输入阻抗且以差分形式输入的仪表放大电路做信号调理[3]。拟采用集成仪表器AD620搭建差分放大电路实现对热电偶信号的调理。其他集成化的温度采集方案，如MAX31855，MAX6675等采集芯片虽然使用更方便，精度也较高，但由于其内部断偶检测电路等的影响，采集热端接地的热电偶时，会因共模干扰抑制效果差而使数据跳变无法正常使用。

温度监控系统组成如图1所示。热电偶传感器信号进入系统后，首先经过通道切换电路，选通单通道进行采集。因为温度是缓变量不可能突变，因此逐通道采集并不会影响观测。选通的某通道电压经仪表放器构成的信号调理电路放大后由微控制器片上A/D采集。微控制器同时采集冷端温度，对采集到的热电偶电压进行补偿计算最终得到热电偶传感器温度数据，并将数据以Modbus协议发送到485总线。为了与其他传感器共用485总线，采用查询方式发送数据。数据包加CRC16校验，避免传输过程出现数据错误影响观测。

图1 温度监控系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 通道切换电路

温度监控系统通道切换电路如图2所示。

图2 通道切换电路

采用模拟开关CD4052作通道切换。CD4052是双四路模拟开关，具有较低的导通阻抗和截止漏电流。芯片10脚和9脚为地址端，根据地址选通一路信号进入后续调理放大电路。串联的R5、R17与输出端的C2、C3构成RC虑波电路。由于差分电路RC电路参数的不匹配会降低信号调理电路的共模抑制比，因此选用±0.1%高精度低温漂电阻。R4、R16等下拉电阻在发生断偶故障时拉低输入电平。

2.2 信号调理电路

信号调理电路如图3所示。采用集成仪表运算放大器AD620搭建。差分方式输入，±5 V双电源供电。与采用通用运放搭建仪表放大电路相比，采用集成仪表运算放大器可以在保证共模抑制比的前提下减少外围高精度元件的需求数量[4]。在图3中，仅R15需选用精度±0.1%温度系数±10 ppm/ ℃的高精度低温漂电阻，其余电阻选用±1%精度即可。由于STM32片上AD无法采集负电压，需将输入信号抬升以保证正常工作温度范围内信号调理电路不会输出负电压。AD620的5脚为基准引脚，该引脚电位可定义零输出电压。在使用中，5脚接STM32片上DA的输出，由STM32来提供所需0.5 V偏置电压。

图3 信号调理电路

信号调理电路增益[5]：

G= 49.4kΩ/R15+1=73.65

在仪表正常测量温度范围-20～+800 ℃内热电偶输出电压范围约为-0.78～+33.27 mV，经过放大电路后输出电压范围为0.44～2.95 V，符合STM32片上A/D输入范围。

信号调理电路中由电阻引起的误差为：

±0.16%

仪表放大器AD620引起的误差为：

δ2=±0.7%

总的调理电路误差[6]为：

在软件调试时，需要对信号调理电路进行测量，并利用实际测得的数据拟合出电路电压放大倍数及直流偏置量写入程序进行计算[7]。

2.3 控制器及接口电路

信号调理电路输出电压直接送控制器片上A/D进行采集。控制器采用32位ARM微控制器STM32F103RET6，该控制器有512 KB ROM和64 KB RAM，最高工作频率72 MHz，片上集成了16×12 bit A/D、3路USART、2路UART以及其他外设，适用于嵌入式控制场合。485接口电平转换采用MAX3485，3.3 V供电与控制器兼容。温度补偿采用单总线温度传感器DS18B20采集冷端温度[8]。为了提高温度补偿的精度，可以将采集冷端温度的DS18B20传感器从板上引出安装在热电偶传感器与普通导线对接的接头附近。

2.4 电源电路

外部供电VIN为10～30 V，经DC-DC模块TPS5430DDAR降压到5.5 V，如图4所示。

图4 DC-DC电源电路

TPS5430是一个高输出电流PWM转换器，最大输出电流3 A，片上集成了低阻抗高侧N沟道 MOSFET，开关频率固定为500 kHz。通道切换和信号调理电路所需的+5 V由LDO芯片HT7550提供，并经截止频率约7.8 kHz的π形滤波器滤除电源噪声。控制器及接口电路所需的3.3 V电源由LDO HT7533提供。控制器模拟部分供电VDDA由3.3 V电源经截止频率约为78.2 kHz的π形滤波器滤波后提供。反相器74HC14D搭建成的震荡电路配合D2，D3及C12构成电荷泵，对5.5 V进行反向，以提供通道切换及信号调理电路所需的-5 V电源。LDO及负电源电路如图5所示。

图5 LDO和负电源电路

3 系统软件设计

软件功能较为简单，而且温度参数为缓变量，对于实时性的要求不是很高，因此采用单循环程序结构，逐通道采集、计算。通信部分采用中断方式接收和发送，使通讯响应更为迅速。

3.1 主程序设计

主程序流程如图6所示。上电后先配置IO口、串口、A/D、D/A等，D/A输出直流偏偏置量提供给仪表放大器，然后初始化温度传感器DS18B20和看门狗最后进入主循环，依次采集冷端温度及各通道温度，并执行喂狗操作。

图6 主程序流程图

单总线温度传感器DS18B20为串行通信器件，读取数据时对于时序要求较严格。当DS18B20读取数据时被串口中断打断，将造成读取到的数据错误，影响温度补偿[9]。简单的解决办法是在读取DS18B20时暂时关闭串口中断。或利用定时器中断控制DS18B20的读写时序，并配置定时器中断优先级高于串口中断。

3.2 串口中断子程序

串口中断子程序流程如图7所示，进入中断处理子程序后，首先判断中断类型。如果是接收中断，判断接收到的指令是否正确，指令正确则切换485总线为发送状态，准备好温度数据并且计算CRC16校验值，打开发送中断开始发送数据。如果是发送中断需要根据发送数据个数判断是否发送完毕，未发送完毕就把一字节待发送数据拷贝到控制器的发送缓冲，发送完毕则关闭发送中断并把485总线切换到接收状态。

图7 串口中断子程序流程图

485串口通讯采用Modbus RTU协议，查询方式输出，以便于与其他传感器或机载设备组成总线实现集中管理[10]。表1为采集指令的帧结构，表2为返回数据的帧结构。其中，返回的温度数据为16进制，高字节在前，数值转成10进制后除10即为温度值。

表1 采集指令帧结构

表2 返回数据桢结构

3.3 温度采集子程序

温度采集子程序流程如图8所示。切换通道后，延时50mS等待电压稳定，然后控制A/D 采集电压值，这里实际进行了多次采集并求平均以减小误差。然后根据信号调理电路的直流电压偏移量和电压放大倍数计算热电偶输出电压。得到热电偶输出电压后需要进行冷端补偿，具体方法是查找K型热电偶分度表求得冷端温度对应的补偿电压值，将热电偶电压加上补偿电压后再次用查表内插法查分度表求得热电偶温度。在程序流程中，切换通道后延时最占用时间，但由于虑波电路稳定需要时间，这又是必不可少的。经实验测定，延时50 ms即可以保证信号电压达到稳定又可保证主程序运行效率，满足2 Hz数据刷新率的要求。

图8 温度采集子程序流程图

4 实验结果与分析

4.1 实验步骤和方法

电路装配完成后，将热电偶输入端接毫伏电压源，用电压表测量信号调理电路输入及输出电压值，从-10～35 mV每间隔5 mV测量一组数据，测量完成后用线性曲线拟合，根据拟合得到的斜率和偏移量更正程序中的计算参数。蚊子直升机使用MZ202型两冲程双缸风冷发动机，缸头正常温度在148.8～204.4 ℃，警惕温度为204.4～260 ℃，最高温度为260 ℃，排气正常温度593.3～648.8 ℃，警惕温度为648.8～676.6 ℃，最高温度为676.6 ℃，超出最高温度发动机将会损坏。为提高测温精度减小调试工作量，也可以仅在常用的工作温度范围内进行校准。信号调理电路校准完成后与原机发动机温度仪表进行比对。

4.2 误差对比与分析

在正常工作温度范围内，缸头温度显示及误差如表3所示，排气温度显示及误差如表4所示。

表3 缸头温度及误差 ℃

表4 排气温度及误差 ℃

从表3可以看出,缸头温度在180～190 ℃范围内较为准确，两端温度偏差较大。表4排气温度整体偏差不大。这是由于使用手持式Fluke-17B型万用表校准信号调理电路，电压分辨力为0.1 mV，当输入电压较低时，量化误差影响较大。如使用高精度的台式万用表校准信号调理电路，应能进一步减小整体测量误差。综合表3、4来看，在蚊子直升机发动机正常工作温度范围内，相对于原机温度仪表的温度显示偏差为±3 ℃，与原机温度仪表一致性较好，符合设计参数要求，满足调试及飞行期间监测发动机温度的需求。

4.3 安装使用情况

实际使用时，安装位置应避开机舱内的电源、舵机控制盒等发热部件，远离舵机、数传图传电台等干扰源。热电偶传感器选用带屏蔽的铠装热电偶，屏蔽层在热端做好接地处理，采集端做好绝缘，保证屏蔽层单点接地[11]。温度监控系统采用金属外壳，做好接地处理以屏蔽干扰。经地面联调及飞行测试，温度监控系统显示稳定，抗干扰能力较强，与原机自带温度仪表误差较小，为发动机调校提供了可靠的依据，有效地保障了发动机安全稳定运行。

5 结束语

针对小型无人机发动机调试及飞行中需要实时监测发动机缸头及排气温度的需求，设计开发了基于K型热电偶的温度监控系统。该系统测量精度满足调试及监控需求，且工作稳定抗干扰能力强，投入使用后极大地方便了发动机工况调试，避免了因盲目调试造成发动机活塞烧蚀、拉缸等事故。该温度采集电路也可用于Rotax582、Rotax912/914等小型活塞航空发动机的温度采集。