小型無人機發動機溫度監控系統設計

胡寧博

為了實時監控小型油動無人機的發動機工作溫度，本文設計開發了基于K型熱電偶的溫度監控系統。該系統采用模擬開關CD4052作通道切換，選通的熱電偶信號經儀表放大電路放大調理，由STM32F103控制器片上A/D采集，經DSl8820數字溫度傳感器作冷端補償，最終以Modbus RTU協議將溫度值發送到485總線上。經調試校準，該溫度監控系統在蚊子輕型直升機的發動機正常工作溫度范圍內與原機溫度儀表相差±3℃，且工作穩定抗干擾能力較強，有效地保障了發動機安全穩定運行。

引言

近年來，無人機技術蓬勃發展，應用領域也不斷拓展，各種類型無人機層出不窮。其中，油動無人機以載重量大，續航時間長等優點受到諸多行業用戶的青睞。發動機工作狀態影響著油動無人機的載重能力、飛行質量以及無人機的可靠性和安全性。監控發動機工作狀態的手段主要是測量缸頭及排氣溫度。發動機轉速等，水冷發動機還可以監測冷卻液溫度。飛行中，對發動機損害最大的因素就是發動機超溫，因此要嚴格控制發動機缸頭及排氣在正常范圍內。

熱電偶測溫范圍寬，而且體積小結構簡單便于維護，熱端可與被測物體有良好熱接觸，因而測溫準確度較高。與其他測溫手段相比，更適合用于發動機缸頭溫度及排氣溫度的測量。

針對無人機發動機調試及飛行時監控發動機溫度的需求，我們參考蚊子直升機溫度儀表電路，設計了以K型熱電偶為測溫元件，經過信號調理及采樣計算，通過485總線以Modbus協議發送溫度數據，供無人機飛控系統采集并下傳到地面站以實現無人機發動機溫度實時監控的溫度監控系統。硬件電路設計

溫度監控系統硬件電路組成框圖如圖1所示。熱電偶傳感器信號進入系統后，首先經過通道切換電路，選通單通道進行采集。因為溫度不可能突變，因此逐通道采集并不會影響觀測。選通的某通道電壓經信號調理電路放大后由微控制器用片上A/D傳感器采集。微控制器同時采集冷端溫度，對采集到的熱電偶電壓進行補償計算最終得到熱電偶傳感器溫度數據，并將數據發送到485總線。

通道切換電路

溫度監控系統通道切換電路部分如圖2所示。

采用模擬開關CD4052作通道切換。CD4052是雙四路模擬開關，具有較低的導通阻抗和截止漏電流。芯片10腳和9腳為地址端，根據地址選通一路信號進入后續調理放大電路。串聯的R5、R17與輸出端的C1、C3構成RC慮波電路。R4、R16等下拉電阻在發生斷偶故障時拉低輸入電平。

信號調理電路

信號調理電路如圖3所示。采用四運放LMC660CM接成儀表運算放大器。其中U2A和U2D為同向差分輸入方式，同向差分輸入可以提高電路輸入阻抗，減小電路對微弱信號的衰減。差分輸入使電路僅放大差模信號，而對共模信號只起跟隨作用，從而提高輸入后級運放的共模抑制比CMRR。U2C與外圍元件組成差分放大電路，對信號進一步放大。差分放大器輸出信號經電阻分壓后送入U2B構成的電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，增強了信號調理電路的帶負載能力，減小A，D輸入阻抗對輸入信號的影響。與傳統儀表放大器用法相比，增加了R2、R29偏置電阻，引入了直流偏置。

假設運放U2A與U2D正輸入端電壓分別為U1、U2，輸出端電壓為Uol、U02，運放U2C正負端輸入電壓分別為Ui2、Uil。輸出端電壓為Uo。+5V電壓為VCC根據運放虛短路虛斷路原理得：

當電源電壓為5V時，偏置量為0.5V。該偏置量可以將一定范圍內的輸入負電壓信號抬升到正電壓輸出，方便后續A/D采集。熱電偶輸出電壓范圍為-6.358-+54.886mV對應溫度為-270%-+1372%，經過放大電路后輸出電壓范圍為81.64mV-4.111V。R12與R侶分壓后送單片機AD采集，D1為鉗位輸入A/D電壓的穩壓二極管，R32為消反射電阻。信號調理電路中，所需電阻均應采用高精度低溫漂電阻以減小誤差。在軟件調試時，要根據實際測得的電路放大倍數和直流偏置量進行計算。要進一步提高精度，可以采用集成儀表放大器。

控制器及接口電路

信號調理電路輸出電壓直接送控制器片上AID進行采集。控制器采用32位ARM微控制器STM32F103RET6，該控制器有512KB ROM和64KB RAM。最高工作頻率72MHz，片上集成了16×12bitAID、3路USART、2路UART以及其他外設，適用于嵌入式控制場合。485接口電平轉換采用MAX3485，3.3V供電與控制器兼容。溫度補償采用單總線溫度傳感器DSl8820采集冷端溫度。為了提高溫度補償的精度，可以將采集冷端溫度的18820傳感器從板上引出安裝在熱電偶傳感器與普通導線對接的接頭附近。

電源電路

圖4為溫度監控系統電源電路。外部供電10～30V，經DC—DC模塊TPS5430DDAR降壓到5.5V。TPS5430是一個高輸出電流PWM轉換器，最大輸出電流3A，片上集成了低阻抗高側N溝道MOSFET，開關頻率固定為500kHz。通道切換和信號調理電路所需的+5V由LDO芯片HT7550提供，并經截止頻率約78kHz的Tr形濾波器濾除電源噪聲。控制器及接口電路所需的3.3V電源由LDO HT7533提供。控制器模擬部分供電VDDA由3.3V電源經截止頻率約為78.2kHz的Tr形濾波器濾波后提供。反相器74HCl 4D搭建成的震蕩電路配合D2，D3及C12構成電荷泵，對5.5V進行反向提供通道切換及信號調理電路所需的5V電源。

軟件部分設計

軟件功能比較簡單，而且溫度參數為緩變量，對于實時性的要求不是很高，因此采用單循環程序結構，逐通道采集、計算。通信部分采用中斷方式接收和發送。使通訊響應更為迅速。

主程序設計

主程序流程圖如圖5所示。上電后先配置IO口、串口、A/D等。初始化溫度傳感器18820和看門狗然后進入主循環，依次采集冷端溫度及各通道溫度，最終執行喂狗操作。