一种车用排气温度采集系统
阅读说明：本技术 一种车用排气温度采集系统 (Exhaust temperature acquisition system for vehicle ) 是由 李曦 林伟勋 周宇浩 李怡 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种车用排气温度采集系统,属于汽车排气温度采集技术领域,包括置于待测排气环境的热电偶传感器和置于汽车冷端环境的电压采集电路、外部励磁电流源电路和微控制器；电压采集电路采集热电偶传感器产生的差动电压信号；外部励磁电流源电路测量冷端环境的冷端电压；微控制器将冷端电压信号换算后得到的冷端温度信号,进而转换为冷端补偿电压信号以对差动电压信号进行冷端补偿得到热电偶传感器的绝对电压信号,通过微控制器计算得到待测排气的实际温度。本发明通过对热电偶传感器的电压信号进行增益,经采集后得到热端与冷端的温度差,并通过测量冷端电阻进行温度补偿,得到实际的温度值,有效地提高了温度测量的精度。(The invention discloses an exhaust temperature acquisition system for a vehicle, which belongs to the technical field of automobile exhaust temperature acquisition and comprises a thermocouple sensor arranged in an exhaust environment to be detected, a voltage acquisition circuit arranged in an automobile cold end environment, an external excitation current source circuit and a microcontroller; the voltage acquisition circuit acquires a differential voltage signal generated by the thermocouple sensor; an external excitation current source circuit measures the cold end voltage of a cold end environment; the microcontroller converts the cold end temperature signal obtained after the cold end voltage signal conversion into a cold end compensation voltage signal so as to perform cold end compensation on the differential voltage signal to obtain an absolute voltage signal of the thermocouple sensor, and the actual temperature of the exhaust to be measured is obtained through calculation of the microcontroller. The invention gains the voltage signal of the thermocouple sensor, obtains the temperature difference between the hot end and the cold end after acquisition, and obtains the actual temperature value by measuring the cold end resistance for temperature compensation, thereby effectively improving the temperature measurement precision.)
技术领域
本发明属于汽车排气温度采集技术领域，更具体地，涉及一种车用排气温度采集系统。
背景技术
随着中国经济发展进入转型升级阶段，环保治理日益受到人们的重视。机动车辆的尾气排放是大气污染的主要原因之一，国家对机动车相关的排放标准进行了升级，加大了对机动车排放标准的检测力度，因此尾气处理是目前机动车行业必须面对的重要考验。机动车排气温度的测量和控制时尾气处理系统的重要一环，尾气温度测量用的耐高温温度传感器作为尾气处理系统的核心部件尤为重要。
受环境因素影响，排气温度传感器需要长期在高温环境下工作，同时要承受发动机的振动和车辆整体的震动，因此排气温度传感器需要同时兼具耐高温、优异的抗震性以及响应灵敏的特点。现有技术的排气温度传感器的测温元件都采用PT200电阻，测温元件PT200电阻放置在高温测量端，测量端与冷端通过耐高温且相互绝缘的引线机械或焊接连接，冷端连接与机动车控制相连的标准插件，机械或焊接连接存在结构稳定性差的缺点，长时间处于高温和振动环境下极易发生破坏，使得温度传感器的使用寿命降低。虽然现有技术尝试对次结构进行改进，但改进后的结构较为复杂，制造难度较大，成本较高，难以推广使用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车用排气温度采集系统，由此解决现有技术排气温度采集装置耐高温稳定性差、采集精度低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种车用排气温度采集系统，包括置于待测排气环境的热电偶传感器和置于汽车冷端环境的采集装置，所述热电偶传感器与所述采集装置通过导线连接；
所述采集装置包括电压采集电路、外部励磁电流源电路和微控制器；
所述电压采集电路分别与所述热电偶传感器和所述微控制器相连；所述外部励磁电流源电路连接于所述微控制器；
所述电压采集电路用于采集所述热电偶传感器产生的差动电压信号，并将所述差动电压信号经增益放大后的电压信号输入至所述微控制器；
所述外部励磁电流源电路用于提供恒定电流并测量冷端环境的冷端电压，并将所测冷端电压信号传输至所述微控制器；
所述微控制器用于将所述冷端电压信号换算后得到冷端温度信号，进而将所述冷端温度信号线性转换为冷端补偿电压信号以对所述热电偶传感器产生的差动电压信号进行冷端补偿得到所述热电偶传感器的绝对电压信号，通过所述微控制器计算出待测排气的实际温度。
优选地，所述微控制器包括A/D转换模块、SPI通信模块、数据处理模块和CAN通信模块；
所述A/D转换模块的输入端连接于所述外部励磁电流源电路，其输出端连接于所述数据处理模块的第一输入端；所述SPI通信模块的输入端连接于所述电压采集电路，其输出端连接于所述数据处理模块的第二输入端；所述数据处理模块的输出端连接于所述CAN通信模块的输入端；所述CAN通信模块的输出端连接于外部通信接收装置；
所述SPI通信模块用于设定电压可变增益电路的增益大小；所述A/D转化模块用于接收所述冷端电压信号并将其传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块用于计算排气的实时温度，并通过所述CAN通信模块将实时温度信息发送至上位机。
优选地，所述电压采集电路包括电压偏置电路、线性参考电源电路、电压可变增益电路和A/D采集电路；
所述电压偏置电路连接于所述热电偶传感器，所述电压偏置电路还通过所述电压可变增益电路连接于所述A/D采集电路，所述电压可变增益电路连接于所述微控制器，所述线性参考电源电路连接于所述A/D采集电路；
所述电压偏置电路用于为所述热电偶传感器产生的差动电压信号提供稳定的基准电位；所述线性参考电源电路电压用于为所述差动电压信号采集提供稳定的参考电压；所述电压可变增益电路用于放大所述差动电压信号，并将放大后的差动电压信号传输至所述A/D采集电路；所述A/D采集电路用于采集放大后的差动电压信号，并将其传输至所述微控制器。
优选地，所述电压偏置电路包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电阻R1和电阻R2；
所述电容器C2与所述电容器C3串联后与所述电容器C1并联，所述电阻R1串联于所述电阻R2；
所述热电偶传感器两端的电压信号V1和电压信号V2输入至所述电压偏置电路，电压信号V2与所述线性参考电源电路输出电压经过电阻R1和电阻R2分压后提供的电压偏置相连；所述电容器C1、电容器C2和电容器C3用于将所述电压信号V1和电压信号V2滤波后通入所述电压可变增益电路。
优选地，所述微控制器还用于根据差动电压的范围设定所述电压可变增益电路的增益大小，所述电压可变增益电路对电压信号V1和电压信号V2间的电压差进行放大后的电压信号被所述A/D转换电路采集。
优选地，所述A/D转换电路采集的电压值为
其中，GAIN为增益倍数，VREFP为线性参考电源电路的输出电压，VREFN为接地端电压。
优选地，所述线性参考电源电路的输出电压为4V。
优选地，所述外部励磁电流源电路包括恒流源、热敏电阻R4、电阻R3、电容器C4、电容器C5和电感L1；
所述热敏电阻R4并联于所述电容器C4，所述电容器C4并联于所述电容器C5；所述电阻R3和所述电感L1串联连接；
所述恒流源用于向所述热敏电阻R4提供恒定电流并产生冷端电压信号，所述冷端电压信号经由所述电阻R3、所述电容器C4、所述电容器C5和所述电感L1滤波后进入所述微控制器以计算冷端温度。
优选地，所述冷端温度的计算公式为：
其中，Rt为热敏电阻R4在当前温度的阻值，R为热敏电阻在常温下的标称阻值，B为热敏电阻的参数，T1为常温下的开尔文温度。
优选地，所述恒流源的输出电流为11μA。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过对热电偶传感器的电压信号进行增益，经采集后得到热端与冷端的温度差，并通过测量冷端电阻进行温度补偿，得到实际的温度值，有效地提高了温度测量的精度；
2、本发明采用的微控制器可提供SPI通信、CAN通信、高精度A/D转换能有效保证温度信号采集的准确性、与上位机通信的稳定性和冷端温度测量的精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的车用排气温度采集系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电压采集电路的示意图；
图3是本发明实施例提供的外部励磁电流源电路的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例提供的车用排气温度采集系统的结构示意图。如图1所示，本发明提出了一种车用排气温度采集系统，包括热电偶传感器和采集装置。其中所述热电偶传感器是置于待测排气的温度环境中，所述采集装置设置于汽车冷端的温度环境中，热电偶传感器通过导线与采集装置连接。
采集装置由电压采集电路、外部励磁电流源电路和微控制器组成。
具体的，所述微控制器由A/D转换模块、SPI通信模块、数据处理模块和CAN通信模块组成。所述A/D转换模块的输入端连接于所述外部励磁电流源电路，其输出端连接于所述数据处理模块的第一输入端；所述SPI通信模块的输入端连接于所述电压采集电路，其输出端连接于所述数据处理模块的第二输入端；所述数据处理模块的输出端连接于所述CAN通信模块的输入端；所述CAN通信模块的输出端连接于外部通信接收装置。
本发明中所述采集装置的工作原理：所述微控制器启动后，首先进行系统的初始化，根据热电偶传感器电压波动的具体范围，设置增益倍数，接着通过SPI通信模块读取热电偶传感器的电压信号，通过A/D转换模块读取通过外部励磁电流源电路的采样电阻的电压信号并对该信号进行运算获得冷端温度补偿电压，然后与热电偶传感器的电压信号数据进行相应的运算来获得实际需要测量的温度值，最后将温度数据通过CAN通信模块发送给上位机，以此为一个周期在微控制器内通过定时器重复运行。
更进一步的说明，如图1所示，所述电压采集电路由电压偏置电路、线性参考电源电路、电压可变增益电路和A/D采集电路组成。
具体的，所述电压偏置电路包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电阻R1和电阻R2，所述电容器C2与所述电容器C3串联后与所述电容器C1并联，所述电阻R1串联于所述电阻R2。
如图2所示的本发明实施例提供的电压采集电路的示意图。热电偶传感器的电压信号V1和V2输入到所述电压偏置电路中，其中V2与现行参考电源电路输出电压经过R1和R2分压后提供的电压偏置相连，电压信号V1和V2经过电容C1、C2、C3滤波后通入电压可变增益电路，根据实际信号大小的范围，微控制器通过SPI总线设定电压可变增益电路的增益大小。本实施例中，所述线性参考电源电路的输出电压为4V，由于采用4V的参考电源，所以增益时要使信号尽可能大，且最大不能超过参考电源电压。
优选地，所述电压可变增益电路的可增益档位有2、4、6、8、16、32、64、128。例如，热电偶传感器工作在0-30mV，则增益倍数设定为128，热电偶传感器若工作在0-60mV，则增益倍数设定为64。
电压可变增益电路对电压信号V1和V2间的电压差进行放大后形成电压信号V3，传递给16位的A/D转换电路进行采集，并通过SPI总线发送给所述微控制器。
A/D转换电路采集的电压值为：
其中，GAIN为增益倍数，VREFP为线性参考电源电路的输出电压，VREFN为接地端电压。
如图3所示的本发明实施例提供的外部励磁电流源电路的示意图。外部励磁电流源电路由恒流源、热敏电阻R4、电阻R3、电容器C4、电容器C5、电感L1和若干导线组成。所述热敏电阻R4并联于所述电容器C4，所述电容器C4并联于所述电容器C5；所述电阻R3和所述电感L1串联连接。
具体的，所述恒流源用于向所述热敏电阻R4提供恒定电流并产生冷端电压信号，所述冷端电压信号经由所述电阻R3、所述电容器C4、所述电容器C5和所述电感L1滤波后进入所述微控制器以计算冷端温度，计算公式为：
其中，Rt为热敏电阻R4在当前温度的阻值，R为热敏电阻在常温下的标称阻值，B为热敏电阻的参数，T1为常温下的开尔文温度。
更进一步的说明，本发明中数据处理模块的计算过程为：热电偶传感器的差动电压为V1-V2，这是相对于温度差Thot-Tcold。Thot为测量端温度，它位于被测排气环境中。Tcold称为冷端温度，它位于测量系统环境中。因为热电偶传感器只能测量一个温度差，不能测量绝对温度。为了确定所测环境的绝对温度，因此需要进行冷端补偿。得到Tcold后，用一个标准的热电偶查找表来求它的等效冷端电压。接下来，测量差动热电偶电压V1-V2，并添加等效冷端电压。最后，使用标准热电偶查找表将产生的电压转换为温度。以上所有处理均在所述数据处理模块内执行。
本发明的一个实施例中，Tcold＝20℃，所述热电偶传感器为K型热电偶传感器。根据K型热电偶表得出的冷端等效电压为0.798mV。接下来，将测得的差动热电偶电压V1-V2加到冷端等效电压中。测得热电偶电压为4.096mV，则总电压为0.798mV+4.096mV＝4.894mV。然后根据K型热电偶表将产生的电压转换为温度，上述处理在所述微控制器内完成。
更进一步的说明，基于本发明的设计，电压采集电路对热电偶传感器的电压进行测量时，能够根据采集信号的大小，人为设定对信号的增益放大倍数，使其接近最大量程，提高读取精度。通过对冷端电阻的电压信号进行温度补偿，有效地提高了温度测量的精度，另外本发明采用的DC-DC电源模块同时兼容24V/12V供电电源，因此，基于本发明的车用排气温度采集系统能够应用在更多场合，并且觉有良好的检测精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。