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为了实时监控小型油动无人机的发动机工作温度，本文设计开发了基于K型热电偶的温度监控系统。该系统采用模拟开关CD4052作通道切换，选通的热电偶信号经仪表放大电路放大调理，由STM32F103控制器片上A/D采集，经DSl8820数字温度传感器作冷端补偿，最终以Modbus RTU协议将温度值发送到485总线上。经调试校准，该温度监控系统在蚊子轻型直升机的发动机正常工作温度范围内与原机温度仪表相差±3℃，且工作稳定抗干扰能力较强，有效地保障了发动机安全稳定运行。
引言
近年来，无人机技术蓬勃发展，应用领域也不断拓展，各种类型无人机层出不穷。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。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。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温度的需求，我们参考蚊子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以实现无人机发动机温度实时监控的温度监控系统。硬件电路设计
温度监控系统硬件电路组成框图如图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信号调理电路放大后由微控制器用片上A/D传感器采集。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，并将数据发送到485总线。
通道切换电路
温度监控系统通道切换电路部分如图2所示。
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C1、C3构成RC虑波电路。R4、R16等下拉电阻在发生断偶故障时拉低输入电平。
信号调理电路
信号调理电路如图3所示。采用四运放LMC660CM接成仪表运算放大器。其中U2A和U2D为同向差分输入方式，同向差分输入可以提高电路输入阻抗，减小电路对微弱信号的衰减。差分输入使电路仅放大差模信号，而对共模信号只起跟随作用，从而提高输入后级运放的共模抑制比CMRR。U2C与外围元件组成差分放大电路，对信号进一步放大。差分放大器输出信号经电阻分压后送入U2B构成的电压跟随器。电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，增强了信号调理电路的带负载能力，减小A，D输入阻抗对输入信号的影响。与传统仪表放大器用法相比，增加了R2、R29偏置电阻，引入了直流偏置。
假设运放U2A与U2D正输入端电压分别为U1、U2，输出端电压为Uol、U02，运放U2C正负端输入电压分别为Ui2、Uil。输出端电压为Uo。+5V电压为VCC根据运放虚短路虚断路原理得：
当电源电压为5V时，偏置量为0.5V。该偏置量可以将一定范围内的输入负电压信号抬升到正电压输出，方便后续A/D采集。热电偶输出电压范围为-6.358-+54.886mV对应温度为-270%-+1372%，经过放大电路后输出电压范围为81.64mV-4.111V。R12与R侣分压后送单片机AD采集，D1为钳位输入A/D电压的稳压二极管，R32为消反射电阻。信号调理电路中，所需电阻均应采用高精度低温漂电阻以减小误差。在软件调试时，要根据实际测得的电路放大倍数和直流偏置量进行计算。要进一步提高精度，可以采用集成仪表放大器。
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AID进行采集。控制器采用32位ARM微控制器STM32F103RET6，该控制器有512KB ROM和64KB RAM。最高工作频率72MHz，片上集成了16×12bitAID、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MAX3485，3.3V供电与控制器兼容。温度补偿采用单总线温度传感器DSl8820采集冷端温度。为了提高温度补偿的精度，可以将采集冷端温度的18820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。
电源电路
图4为温度监控系统电源电路。外部供电10～30V，经DC—DC模块TPS5430DDAR降压到5.5V。TPS5430是一个高输出电流PWM转换器，最大输出电流3A，片上集成了低阻抗高侧N沟道MOSFET，开关频率固定为500kHz。通道切换和信号调理电路所需的+5V由LDO芯片HT7550提供，并经截止频率约78kHz的Tr形滤波器滤除电源噪声。控制器及接口电路所需的3.3V电源由LDO HT7533提供。控制器模拟部分供电VDDA由3.3V电源经截止频率约为78.2kHz的Tr形滤波器滤波后提供。反相器74HCl 4D搭建成的震荡电路配合D2，D3及C12构成电荷泵，对5.5V进行反向提供通道切换及信号调理电路所需的5V电源。
软件部分设计
软件功能比较简单，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。使通訊响应更为迅速。
主程序设计
主程序流程图如图5所示。上电后先配置IO口、串口、A/D等。初始化温度传感器18820和看门狗然后进入主循环，依次采集冷端温度及各通道温度，最终执行喂狗操作。 单总线温度传感器18820为串行通信器件，读取数据时对于时序要求较严格。当18820在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。简单的解决办法是在读取18820时暂时关闭串口中断，或利用定时器控制18820的读写时序，并且配置定时器中断优先级高于串口中断。为了简单易行，采用读写传感器数据时关闭串口中断的方法。
串口中断子程序
串口中断子程序流程图见图6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CRCl 6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。
485串口通讯采用Modbus RTU协议，表1为采集指令的结构，表2为返回数据的结构。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。
温度采集子程序
温度采集子程序流程图如图7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。调试与应用
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-10mV-45mY每间隔5mY测量一组数据，测量完成后用曲线拟合，根据拟合得到的斜率和偏移量更正程序中的计算参数。蚊子直升机使的MZ202发动机，缸头正常温度在1488-204.4°C，警惕温度为204.4-260°C，最高温度为260°C，排气正常温度593.3-648.8°C，警惕温度为648.8-676.6°C，最高温度为676.6°C，超出最高温度发动机将会损坏。为提高精度减小调试工作量，也可以在常用工作范围内进行校准。校准完成后与原机温度仪表进行比较，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。
经测定，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°C。
实际使用时，安装位置避开机舱内的电源、舵机控制盒等发热部件，远离舵机、数传图传电台等射频干扰源。热电偶传感器选用带屏蔽的铠装热电偶，屏蔽层做好接地处理。温度监控系统的外壳也做好接地处理以屏蔽干扰。经实际飞行測试，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，有效地保障了发动机安全稳定运行。
引言
近年来，无人机技术蓬勃发展，应用领域也不断拓展，各种类型无人机层出不穷。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。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。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温度的需求，我们参考蚊子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以实现无人机发动机温度实时监控的温度监控系统。硬件电路设计
温度监控系统硬件电路组成框图如图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信号调理电路放大后由微控制器用片上A/D传感器采集。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，并将数据发送到485总线。
通道切换电路
温度监控系统通道切换电路部分如图2所示。
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C1、C3构成RC虑波电路。R4、R16等下拉电阻在发生断偶故障时拉低输入电平。
信号调理电路
信号调理电路如图3所示。采用四运放LMC660CM接成仪表运算放大器。其中U2A和U2D为同向差分输入方式，同向差分输入可以提高电路输入阻抗，减小电路对微弱信号的衰减。差分输入使电路仅放大差模信号，而对共模信号只起跟随作用，从而提高输入后级运放的共模抑制比CMRR。U2C与外围元件组成差分放大电路，对信号进一步放大。差分放大器输出信号经电阻分压后送入U2B构成的电压跟随器。电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，增强了信号调理电路的带负载能力，减小A，D输入阻抗对输入信号的影响。与传统仪表放大器用法相比，增加了R2、R29偏置电阻，引入了直流偏置。
假设运放U2A与U2D正输入端电压分别为U1、U2，输出端电压为Uol、U02，运放U2C正负端输入电压分别为Ui2、Uil。输出端电压为Uo。+5V电压为VCC根据运放虚短路虚断路原理得：
当电源电压为5V时，偏置量为0.5V。该偏置量可以将一定范围内的输入负电压信号抬升到正电压输出，方便后续A/D采集。热电偶输出电压范围为-6.358-+54.886mV对应温度为-270%-+1372%，经过放大电路后输出电压范围为81.64mV-4.111V。R12与R侣分压后送单片机AD采集，D1为钳位输入A/D电压的稳压二极管，R32为消反射电阻。信号调理电路中，所需电阻均应采用高精度低温漂电阻以减小误差。在软件调试时，要根据实际测得的电路放大倍数和直流偏置量进行计算。要进一步提高精度，可以采用集成仪表放大器。
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AID进行采集。控制器采用32位ARM微控制器STM32F103RET6，该控制器有512KB ROM和64KB RAM。最高工作频率72MHz，片上集成了16×12bitAID、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MAX3485，3.3V供电与控制器兼容。温度补偿采用单总线温度传感器DSl8820采集冷端温度。为了提高温度补偿的精度，可以将采集冷端温度的18820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。
电源电路
图4为温度监控系统电源电路。外部供电10～30V，经DC—DC模块TPS5430DDAR降压到5.5V。TPS5430是一个高输出电流PWM转换器，最大输出电流3A，片上集成了低阻抗高侧N沟道MOSFET，开关频率固定为500kHz。通道切换和信号调理电路所需的+5V由LDO芯片HT7550提供，并经截止频率约78kHz的Tr形滤波器滤除电源噪声。控制器及接口电路所需的3.3V电源由LDO HT7533提供。控制器模拟部分供电VDDA由3.3V电源经截止频率约为78.2kHz的Tr形滤波器滤波后提供。反相器74HCl 4D搭建成的震荡电路配合D2，D3及C12构成电荷泵，对5.5V进行反向提供通道切换及信号调理电路所需的5V电源。
软件部分设计
软件功能比较简单，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。使通訊响应更为迅速。
主程序设计
主程序流程图如图5所示。上电后先配置IO口、串口、A/D等。初始化温度传感器18820和看门狗然后进入主循环，依次采集冷端温度及各通道温度，最终执行喂狗操作。 单总线温度传感器18820为串行通信器件，读取数据时对于时序要求较严格。当18820在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。简单的解决办法是在读取18820时暂时关闭串口中断，或利用定时器控制18820的读写时序，并且配置定时器中断优先级高于串口中断。为了简单易行，采用读写传感器数据时关闭串口中断的方法。
串口中断子程序
串口中断子程序流程图见图6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CRCl 6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。
485串口通讯采用Modbus RTU协议，表1为采集指令的结构，表2为返回数据的结构。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。
温度采集子程序
温度采集子程序流程图如图7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。调试与应用
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-10mV-45mY每间隔5mY测量一组数据，测量完成后用曲线拟合，根据拟合得到的斜率和偏移量更正程序中的计算参数。蚊子直升机使的MZ202发动机，缸头正常温度在1488-204.4°C，警惕温度为204.4-260°C，最高温度为260°C，排气正常温度593.3-648.8°C，警惕温度为648.8-676.6°C，最高温度为676.6°C，超出最高温度发动机将会损坏。为提高精度减小调试工作量，也可以在常用工作范围内进行校准。校准完成后与原机温度仪表进行比较，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。
经测定，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°C。
实际使用时，安装位置避开机舱内的电源、舵机控制盒等发热部件，远离舵机、数传图传电台等射频干扰源。热电偶传感器选用带屏蔽的铠装热电偶，屏蔽层做好接地处理。温度监控系统的外壳也做好接地处理以屏蔽干扰。经实际飞行測试，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，有效地保障了发动机安全稳定运行。