航空飛機座艙溫度傳感器測試儀的研制探討

王守坤

摘 要 設計一臺基于單片機的飛機座艙溫度傳感器測試儀，通過分離式PID控制算法和半導體制冷制熱技術的應用，實現了恒溫的快速、精確控制。實驗表明，該儀器可以精確測量各恒溫點座艙溫度傳感器的電阻值，具有很高的實用價值。

關鍵詞 半導體制冷制熱；單片機；PID；測試儀

現代飛機因飛行高度高、氣溫低而廣泛采用密封增壓艙設計，在空調增壓控制中，座艙溫度是一個極重要的指標，且廣泛采用熱電耦式探溫元件，熱電偶精度直接影響座艙溫度的控制，因此在飛機定檢中經常需要對座艙溫度傳感器進行測試[1]。測試方法是依據飛機維護手冊，設定幾個溫度測量點，將溫度保持2分鐘后用萬用表測量傳感器電阻值。恒溫點一般采用人工熱水冷水比兌法或電加熱方式實現，這兩種方法工序煩瑣，且控制精度很難達到要求，增加人為因素的風險。

現設計一款基于單片機技術和半導體制冷制熱技術的溫度傳感器測試儀，有效提高溫度控制精度；通過全程的溫度控制，熱電偶電阻自動測量，測試結果自動輸出和U盤存儲，提高了檢測過程的可靠性和工作效率。

1 測試儀整體方案設計

該測試儀主要分四個部分。一是半導體制熱制冷阱設計，采用制冷制熱阱設計方法，將其安裝在阱的周圍，制熱時冷端發熱達到加熱的目的，制冷時，冷端吸收熱量使內部溫度降低，通過散熱片和風扇將吸收的熱量散出；二是儀器溫度控制系統設計，由89C51F020單片機為主體控制器、半導體制冷制熱功率電路和溫度檢測電路組成。溫度控制采用閉環控制方式，鉑電阻溫度傳感器檢測阱的實際溫度，單片機控制器進行分離式PID運算計算輸出量到功率輸出電路，通過輸出電流的大小和方向決定制冷制熱的溫度；三是溫度傳感器檢測電路，在溫度傳感器上施加穩定電壓，通過測量電流值，計算傳感器電阻值；四是人機交互部分，采用觸摸屏設計，可根據過熱電門型號選擇控制溫度和程序，對測試結果U盤存儲。

2 硬件電路設計

2.1 半導體制冷制熱阱

它是利用半導體材料的“賽貝克效應”和“珀耳帖效應”。基本原理為一塊N型和P型半導體材料聯結成電偶對，接通直流電流后，就產生能量轉移，電流由N型元件流向P型元件接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件接頭釋放熱量，成為熱端[2]。吸熱和放熱大小是通過電流大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定。半導體片內部由上百對電偶聯成的熱電堆，以達到增強制熱或制冷效果。系統設計制熱制冷部分采用阱式，制冷時熱端設計風扇強制風冷，實現快速制冷制熱目的。

設計半導體制冷制熱器的參數為：最大允許電流20A，最大電壓5V。現實測量中，可實現調節的溫度范圍為-10℃至80℃。

2.2 功率控制電路

電路設計以單片機為核心，接收溫度采集電路信號，經數字化積分分離PID運算后輸出控制電壓由SG3525芯片產生PWM波，控制BUCK電路的導通時間，從而控制施加在半導體制冷制熱片上的電流。設計中巧妙利用SG3525芯片的圖騰柱式結構輸出級，在供電引腳VC接一個300Ω電阻到+5V電源，將兩路輸出引腳OUTA和OUTB接地，在VC引腳出引出一個波形，則該波形占空比為0—100%可調的方波脈沖。通過設置死區調節電阻RD，將波形的最高占空比固定在90%。芯片的誤差放大器1腳與9腳短接，工作在跟隨狀態實現輸入與輸出隔離。

2.3 溫度采集電路

溫度采集單元傳感器采用鉑電阻Pt100。鉑電阻（Rt）采用三線制接法接入電橋，引線電阻和接觸電阻r1在供電線路中，因本身阻值小，可忽略不計，引線電阻和接觸電阻r2和r3分別接入相鄰橋臂，導線長度一致，r2和r3相等，消除引線電阻和接觸電阻對測量的影響。差分放大器采用INA128，放大倍數由R4確定。放大后的電路經信號濾波后輸入到模數采樣電路，由單片機根據采樣確定實時溫度。

2.4 人機交互接口

為給用戶提供更加友好的人機交互界面，采用操作簡便、穩定可靠的真彩TFT智能終端，該終端可采用UART串口與單片機通信。儀器同時設計USB存儲功能，主要實現將控制器數據存儲到U盤中，因89C51F020單片機沒有USB2.0通信規范和接口，設計基于串口RS-232串口通信的數據傳輸系統，采用USB118AD模塊實現了將數據存儲到U盤的功能。

3 軟件程序設計

3.1 溫度控制算法

此系統是大慣性的系統，且熱電偶對溫度的測量也有一定滯后效應，因此若過早或過晚的減小加熱電流會導致溫度達不到要求[3]。系統設計采用積分分離的PID算法，溫度給定值為U（n），溫度測量值為Ui（K），最大允許偏差為A，則積分分離式算法為

當

3.2 溫度傳感器測試程序

此儀器對座艙溫度傳感器的校驗完全依據飛機維護手冊，升降溫、恒溫控制、溫度傳感器電阻檢測完全由軟件實現。恒溫時間由單片機內部的時鐘定時器完成。測試流程如圖3。

通過上述方法成功研制了一臺航空飛機座艙溫度傳感器檢測儀。通過分離式PID算法實現了控制速度快、控制精度高的要求，其恒溫點溫度誤差≤±0.5℃，滿足飛機維護手冊的要求。通過半導體制冷制熱技術的應用，解決了傳統溫度測試儀器中依靠自然冷卻實現降溫的弊端，大大提升了工作效率。實驗表明該測試儀操作簡單、測量精度高，有效提升了維護測試效率。

參考文獻

[1] 魏建，陳振坤.飛機系統[M].北京.清華大學出版社，2016：131.

[2] 田新冉.半導體制冷技術在小型恒溫箱的應用[J].中國機械，2013， （7）：221-221.

[3] 李樹華，劉超英，董輝.數字PID自動溫度控制系統的設計及實現[J].內蒙古大學學報，1997，（28）：838-841.