汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)畢業(yè)論文

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學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：2010 年 6 月 9 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、保密囗，在 10 年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√” ）作者簽名：2010 年 6 月 9 日導(dǎo)師簽名：2010 年 6 月 9 日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)老師 工作單位 自動(dòng)化學(xué)院 設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容： 了解汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電壓巡檢模塊，可檢測 16 路 0~5V 電壓信號(hào)，精度要求 10mV，分辨率達(dá)到 10 位，采用 CAN 總線與主控制器通訊。要求完成的主要任務(wù)：（1）熟悉余熱發(fā)電的工作原理；（2）熟悉單片機(jī)編程方法；（3）設(shè)計(jì)電壓巡檢電路。測量 16 路電壓，電壓測量范圍為 0~5V，電壓檢測的精度為 10 位；CAN 傳輸速率為 250Kbps，外部晶振為 16MHZ，通訊距離 1000 米。（4）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，字?jǐn)?shù) 15000 以上；（5）英文翻譯 2 萬字符（其中漢字 5000 字）。畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙：畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙布局應(yīng)均稱、運(yùn)用的線條粗細(xì)要合理，尺寸要詳盡準(zhǔn)確，表達(dá)設(shè)計(jì)意圖時(shí)要符合行業(yè)規(guī)范。參考資料[1] 劉紅麗,張菊秀.傳感與檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.6.[2] 劉和平.PIC16F87X 單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2002.4.[3] 劉國先.PIC 單片機(jī)原理與接口技術(shù) [M].北京:電子工業(yè)出版社 ,2004.11.[4] 馬棲秦,徐正中.自動(dòng)檢測技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[5] 張征,曾美琴,司廣樹.溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用[J].能源技術(shù),2004,25(3):120-123.指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名 院長簽名(章) 武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告1、目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）隨著我國汽車數(shù)量的增加，汽車尾氣排放量日益增多，對(duì)石油等不可再生資源消耗量增大，我國已躍居世界石油能源消耗第二大國，同時(shí)近年來國際石油供需日益緊張，油價(jià)不斷上漲。在面臨能源危機(jī)的形式下，我們要發(fā)展新型能源，但是現(xiàn)在新型能源的發(fā)展還處在起步階段，發(fā)展很不完善，因此在傳統(tǒng)能源消耗的途徑下，提高能源利用率是一條節(jié)約能源的很好的途徑，所以從節(jié)能減排的角度來說必須將傳統(tǒng)汽車燃料利用率提高。從而利用汽車尾氣發(fā)電是解決節(jié)能問題的最佳實(shí)現(xiàn)途徑。傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)除了要驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)之外，還有一部分能量用來發(fā)電，供給汽車上其他用電設(shè)備。但是當(dāng)用尾氣發(fā)電后，就可以將發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電裝置去掉，這將大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，將更多的能量轉(zhuǎn)入到驅(qū)動(dòng)汽車上，同時(shí)汽車上其他用電設(shè)備的電能由尾氣發(fā)電供給。汽車尾氣發(fā)電系統(tǒng)的電壓巡檢作為尾氣發(fā)電系統(tǒng)電壓檢測的關(guān)鍵設(shè)備，隨著尾氣發(fā)電的發(fā)展，正發(fā)揮著越來越重要的作用。熱電模塊的單片、單組電壓巡檢不僅在尾氣發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)階段起著十分重要的作用，即使在投入使用后對(duì)熱電模塊的維護(hù)也是不可或缺的。目前國內(nèi)外很多團(tuán)體和個(gè)人在研究利用汽車尾氣發(fā)電，大多采用如下幾種方方法：1) 、雙刀繼電器法，每個(gè)蓄電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)相連接。繼電器都不動(dòng)作時(shí)，所有蓄電池均與巡檢電路斷開。當(dāng)進(jìn)行電壓檢測時(shí)，由控制器依次使繼電器閉合，使對(duì)應(yīng)的蓄電池的陰極接入檢測電路地，陽極經(jīng)緩沖器進(jìn)入 A/ D 轉(zhuǎn)換器。2） 、懸浮地測量法，利用模擬開關(guān)對(duì)被測量的蓄電池進(jìn)行切換，兩片模擬開關(guān)采用差動(dòng)式連接，模擬開關(guān)工作電源均由所測量的蓄電池所提供。這樣就解決了蓄電池的電位高于芯片電壓的問題。通過單片機(jī)對(duì)蓄電池切換，兩片模擬開關(guān)的輸出分別就是被選中的蓄電池的正端和負(fù)端電壓，為了使蓄電池電壓不影響巡檢系統(tǒng)的工作，采用光電耦合器構(gòu)成懸浮采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采樣電路與單片機(jī)之間的光電隔離。3） 、運(yùn)放采樣電路，采樣電路是一個(gè)由電阻和運(yùn)算放大器組成的線性差動(dòng)運(yùn)算電路。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性通過選取適當(dāng)電阻，可以將蓄電池電壓變換為單片機(jī)和 A/ D 的輸入范圍內(nèi)。現(xiàn)在國內(nèi)有很多電壓巡檢系統(tǒng)，如江蘇金帆電源科技有限公司的電池電壓巡檢系統(tǒng)、江蘇大唐科源電氣公司的電壓巡檢技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)、武漢理工大學(xué)的光伏電池板巡檢系統(tǒng)和燃料電池單片電壓巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障診斷研究、上海交通大學(xué)的串聯(lián)蓄電池組電壓巡檢模塊的設(shè)計(jì)、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的單片電壓巡檢及在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用等。國外有很多公司開發(fā)了多種燃料電池的電壓巡檢系統(tǒng)，例如美國的 NI 公司、加拿大 Greenlight 公司、日本的 Honda公司，在這些公司中最引人注目的是美國的 NI 公司，它推出了一些軟硬件測試產(chǎn)品，能夠兼容多種電池，測得幾乎所有涉及指標(biāo)。總體來說電壓巡檢系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的日趨成熟，并且方式趨于多元化。本文針對(duì)汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱電模塊的電壓監(jiān)控技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)了電壓巡檢模塊。該模塊既可以在尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)階段對(duì)熱電模塊工作情況進(jìn)行監(jiān)控，也可以在尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)投入使用后對(duì)熱電模塊進(jìn)行維護(hù)，因此，電壓巡檢模塊對(duì)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案基本內(nèi)容：畢業(yè)設(shè)計(jì)的電壓巡檢主要是在線測量熱電模塊兩端的電壓。由于尾氣從管道經(jīng)過時(shí)溫度會(huì)相應(yīng)下降，從而貼在管壁上的熱電模塊兩面溫差會(huì)相應(yīng)下降，因此與氣體流動(dòng)方向垂直的一排熱電模塊是等電壓的，將它們并聯(lián)；與氣體流動(dòng)方向相同的每一組的熱電模塊的電壓隨著溫差的減小而下降，將這樣的熱電模塊組串聯(lián)。每一片熱電模塊在溫差 300℃的情況下電壓大約在 3V 左右，多片等電壓的熱電模塊并聯(lián)，同時(shí)多組不等電壓的熱電模塊組串聯(lián)，共同構(gòu)成給汽車供電的電源。所要測量的電壓是每一組并聯(lián)熱電模塊的電壓，讀取模擬電壓值后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。同時(shí)由于多組熱電模塊組串聯(lián)，電壓將超過一般測電壓芯片的電壓最大承受范圍，因此這是電壓巡檢電路設(shè)計(jì)中要解決的重要問題。所以可采用可以抑制高共模電壓的集成易用放大器來測量。技術(shù)方案：1) 了解余熱發(fā)電的由來，介紹余熱發(fā)電的原理及發(fā)展前景。2) 設(shè)計(jì)測量一路熱電模塊電壓檢測的方案。3) 設(shè)計(jì)一路熱電模塊電壓巡檢電路。4) 根據(jù)一路熱電模塊電壓檢測的原理可以得到整體檢測電路。3、進(jìn)度安排第 1～2 周： 畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告；第 3～4 周： 翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報(bào)告；第 5 周： 確定最終方案，并進(jìn)行可行性分析；第 6～8 周： 硬件設(shè)計(jì)及程序代碼得編制；第 9 周： 中期檢查；第 10～11 周： 綜合調(diào)試，根據(jù)結(jié)果完善系統(tǒng)；第 12～14 周： 完成論文撰寫；第 15 周： 論文答辯；第 16 周： 論文裝訂。4、指導(dǎo)教師意見蔡佳楠同學(xué)調(diào)研比較充分，研究內(nèi)容充實(shí)，技術(shù)方案明確可行，現(xiàn)已經(jīng)具備開始畢業(yè)設(shè)計(jì)的條件。該生能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，同意進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 目錄摘要 IABSTRACTII1 緒論 11.1 余熱發(fā)電研究意義 .11.2 電壓巡檢發(fā)展現(xiàn)狀 .21.3 本文主要研究內(nèi)容 .32 尾氣余熱發(fā)電原理 42.1 熱電模塊原理 .42.1.1 HZ-20 熱電模塊特點(diǎn) 52.1.2 HZ-20 熱電模塊電壓電流特性 62.2 汽車尾氣余熱發(fā)電方案設(shè)計(jì) .72.2.1 余熱發(fā)電汽車結(jié)構(gòu) 72.2.2 溫差發(fā)電器設(shè)計(jì) 72.2.3 余熱發(fā)電熱平衡與效率 83 電壓巡檢單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 103.1 信號(hào)處理單元 .123.1.1 信號(hào)處理單元電路設(shè)計(jì) 123.1.2 信號(hào)處理單元元件選擇 143.2 數(shù)據(jù)處理單元 .143.2.1 數(shù)據(jù)處理 143.2.1 數(shù)字處理單元的元件選擇 143.3 數(shù)據(jù)傳輸 .163.4 熱電模塊單元檢測電路 .174 電壓巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 194.1 電壓巡檢主程序設(shè)計(jì) .194.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 234.3 CAN 通信軟件設(shè)計(jì) .25結(jié)束語 .27致謝 .29參考文獻(xiàn) .30汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 附錄 1：程序代碼 32附錄 2：電壓巡檢電路原理圖 37汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 摘要隨著我國汽車數(shù)量的增長，城市汽車排放污染日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)汽車燃料的供需矛盾也更加突出。回收尾氣余熱發(fā)電可以有效節(jié)約能源，減少污染。電壓巡檢模塊是汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，本文針對(duì)汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱電模塊的電壓監(jiān)控技術(shù)展開研究。主要內(nèi)容如下：本文介紹了利用尾氣發(fā)電汽車的主要結(jié)構(gòu)，講述了尾氣余熱發(fā)電的原理。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電壓巡檢設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)每一路熱電模塊進(jìn)行電壓檢測的方案，該方案可以克服共模電壓干擾。將整個(gè)電壓巡檢系統(tǒng)分成電壓檢測單元和數(shù)據(jù)傳輸單元。根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，最終成功設(shè)計(jì)出了汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的電壓巡檢模塊，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 16 路熱電模塊的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的目的，并同時(shí)將檢測的結(jié)果通過 CAN總線與余熱發(fā)電的其他控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。關(guān)鍵詞：余熱發(fā)電 電壓巡檢 熱電模塊 PIC 單片機(jī)ABSTRACT汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) IWith the ever-rising number of the automobile in our country, the problem of the pollution from urban automobile exhaust is becoming more and more serious, and the traditional contradiction between the automotive fuel supply and demand has become more and more conspicuous. Turning waste heat from motor vehicles into power can save energy and reduce pollution. Voltage monitor module is a critical component of waste heat generating system, so this paper makes a research on voltage monitor technology of the thermoelectric module in waste heat generating system. The primary coverage is as follows:This paper introduces the main structure of automobiles that generating electricity by using waste heat of tail gas, and describes the principle of waste heat generating system. According to the design requirements, I have designed a scheme to measure the voltage of every thermoelectric module on this basis, and this design can conquer the disturbance of common mode voltage. The voltage monitor system is divided into two main parts: voltage-detecting unit and data transmission unit.According to the above scheme, I have successfully designed the voltage monitor module of waste heat generating system. It can measure the voltage of sixteen channel thermoelectric module in real time, and transfer the measurement result to other control unit of waste heat generating system by CAN bus. Key words： automotive exhaust waste heat power generation voltage measure thermoelectric module PIC MCU module 汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 01 緒論1.1 余熱發(fā)電研究意義在現(xiàn)代文明的今天，汽車已經(jīng)成為人類不可缺少的交通運(yùn)輸工具。自從 1886 年第一輛汽車誕生以來，它給人們的生活和工作帶來了極大的便利，也已經(jīng)發(fā)展成為近現(xiàn)代物質(zhì)文明的支柱之一。但是，我們也應(yīng)該看到，在汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展、汽車產(chǎn)量和保有量不斷增加的同時(shí)，汽車也帶來了大氣污染，即汽車尾氣污染。科學(xué)分析表明，汽車尾氣中含有上百種不同的化合物，其中的污染物有固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物等 [1]。一輛轎車一年排出的有害廢氣比自身重量大 3 倍。英國空氣潔凈和環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)曾發(fā)表研究報(bào)告稱，與交通事故遇難者相比，英國每年死于空氣污染的人要多出 10 倍。因此減少尾氣排放是我們當(dāng)前務(wù)必要解決的問題。以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，燃油中 60%左右的能量沒有得到有效的利用，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染 [2]。這令我們想到，在火力發(fā)電廠附近的居民區(qū)通常將發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱水用來供暖，將余熱有效利用。同樣道理我們也可以回收汽車尾氣的余熱，用余熱改善汽車本身的效率。傳統(tǒng)汽車燃油燃燒帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量主要有三個(gè)去向，一是用于驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；二是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供給汽車上其他用電設(shè)備；三是隨高溫氣體排放到空氣中。而第三種消耗了大部分的能量。于是想到如果將這大部分的熱量回收利用，將大大節(jié)約燃料，提高效率。熱量本身不能貯存，汽車本身也不需要供暖，因此最好的回收方式是將熱能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來，這部分電能可以給汽車上的用電設(shè)備供電。與此同時(shí)，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電裝置去掉，這將大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，將更多的能量轉(zhuǎn)入到驅(qū)動(dòng)汽車上。如果將這 60%的熱能僅回收 10%，即有 6%的燃油被節(jié)約。以我國 2008 年的汽車使用情況為例：2008 年一款海馬汽車百公里節(jié)油王的耗油量是 4.51 升，如果平均每輛汽車年行駛 20000 公里，則每年每輛汽車將消耗 902 升燃油。2008 年我國的汽車保有量是6289.3 萬輛，每年我國汽車耗油將達(dá)到 567.3 億升。如果節(jié)約其中的 6%，那么每年將節(jié)約 34 億升的燃油，這將是一筆不可忽視的能源。因此利用尾氣余熱發(fā)電將是節(jié)約能源的一個(gè)有效途徑，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)現(xiàn)這一目的之前我們要找到合適的能量轉(zhuǎn)換模塊，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 11.2 電壓巡檢發(fā)展現(xiàn)狀1823 年，賽貝克發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬導(dǎo)體接成閉合電路時(shí)，如果把它的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度不同的兩個(gè)環(huán)境中，則電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生 [1]。這一現(xiàn)象稱為塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，這樣的電路叫做溫差電偶，這種情況下產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢叫做溫差電動(dòng)勢。溫差電池就是利用溫度差異，使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。用半導(dǎo)體制成的溫差電池賽貝克效應(yīng)較強(qiáng)，熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率也較高，因此，可將多個(gè)這樣的電池組成溫差電堆，作為小功率電源。它的工作原理是，將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料 N 型和 P 型半導(dǎo)體的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開路并給以低溫時(shí)，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開路端形成電勢差；如果將許多對(duì) P 型和 N 型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。目前國內(nèi)外很多團(tuán)體和個(gè)人在研究利用汽車尾氣發(fā)電，大多采用如下幾種方方法：1） 、雙刀繼電器法，每個(gè)蓄電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)相連接。繼電器都不動(dòng)作時(shí)，所有蓄電池均與巡檢電路斷開。當(dāng)進(jìn)行電壓檢測時(shí)，由控制器依次使繼電器閉合，使對(duì)應(yīng)的蓄電池的陰極接入檢測電路地，陽極經(jīng)緩沖器進(jìn)入 A/ D 轉(zhuǎn)換器。2） 、懸浮地測量法，利用模擬開關(guān)對(duì)被測量的蓄電池進(jìn)行切換，兩片模擬開關(guān)采用差動(dòng)式連接，模擬開關(guān)工作電源均由所測量的蓄電池所提供。這樣就解決了蓄電池的電位高于芯片電壓的問題。通過單片機(jī)對(duì)蓄電池切換，兩片模擬開關(guān)的輸出分別就是被選中的蓄電池的正端和負(fù)端電壓，為了使蓄電池電壓不影響巡檢系統(tǒng)的工作，采用光電耦合器構(gòu)成懸浮采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采樣電路與單片機(jī)之間的光電隔離。3） 、運(yùn)放采樣電路，采樣電路是一個(gè)由電阻和運(yùn)算放大器組成的線性差動(dòng)運(yùn)算電路。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性通過選取適當(dāng)電阻，可以將蓄電池電壓變換為單片機(jī)和 A/ D 的輸入范圍內(nèi) [3]?，F(xiàn)在國內(nèi)有很多電壓巡檢系統(tǒng)，如江蘇金帆電源科技有限公司的電池電壓巡檢系統(tǒng)、江蘇大唐科源電氣公司的電壓巡檢技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)、武漢理工大學(xué)的光伏電池板巡檢系統(tǒng)和燃料電池單片電壓巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障診斷研究、上海交通大學(xué)的串聯(lián)蓄電池組電壓巡檢模塊的設(shè)計(jì)、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的單片電壓巡檢及在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用等。國外有很多公司開發(fā)了多種燃料電池的電壓巡檢系統(tǒng)，例如美國的 NI 公司、加拿大Greenlight 公司、日本的 Honda 公司，在這些公司中最引人注目的是美國的 NI 公司，它推出了一些軟硬件測試產(chǎn)品，能夠兼容多種電池，測得幾乎所有涉及指標(biāo) [1]?？傮w來說電壓巡檢系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的日趨成熟。近年來，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至幾千瓦之間。日本 Nissan 汽車公司研究中心研制了排氣溫差發(fā)電器，可以回收 11 %的熱量 [5]。美國 Hi 汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 2- Z 公司在能源部資助下進(jìn)行了柴油機(jī)載重車排氣余熱溫差發(fā)電的研究，并進(jìn)行了臺(tái)架和道路實(shí)驗(yàn)。安裝在柴油機(jī)車的熱電發(fā)電器，外形像一個(gè)立式的消聲器，在排氣管上用 72 塊 HZ - 14 模塊按圓周排列布置，冷端用水冷卻，形成了 250 ~ 270 ℃溫差，能提供2000W~ 4000W 的功率。另外，俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研究所進(jìn)行了高寒區(qū)載重發(fā)動(dòng)機(jī)直接發(fā)電的研究，能夠產(chǎn)生 600W 的電能 [6]。1.3 本文主要研究內(nèi)容我們目前使用的溫差電池也稱熱電模塊，常用的是 HZ-20 熱電模塊。它是基于鉍碲化物的半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì)熱端溫度 230℃，設(shè)計(jì)冷端溫度 30℃，最大連續(xù)溫度 250℃，最大溫差 400℃，功率 19 瓦，負(fù)載電壓 2.38 伏，最大開路電壓 5 伏，電流 8 安。當(dāng)其電壓與電流均達(dá)到最優(yōu)時(shí)，此時(shí)電壓值為 3 伏左右，這是熱電模塊最佳的工作點(diǎn) [5]。這樣每一片熱電模塊的發(fā)電電壓為 3 伏左右，不能夠?yàn)槠嚿系脑O(shè)備供電，因此要將他們串/并聯(lián)，使其電壓和功率達(dá)到汽車用電設(shè)備的要求。由于尾氣從管道經(jīng)過時(shí)溫度會(huì)相應(yīng)下降，從而貼在管壁上的熱電模塊兩面溫差會(huì)相應(yīng)下降，因此與氣體流動(dòng)方向垂直的一排熱電模塊是等電壓的，將它們并聯(lián)；與氣體流動(dòng)方向相同的每一組的熱電模塊的電壓隨著溫差的減小而下降，將這樣的熱電模塊組串聯(lián)。如此便構(gòu)成了一個(gè)大功率大電壓的熱電模塊組。這樣數(shù)百片熱電模塊構(gòu)成的熱電模塊組要使每一片都正常工作，并且輸出正確的電壓值才能保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此要實(shí)時(shí)對(duì)每片熱電模塊的電壓情況進(jìn)行監(jiān)控，這就要求必須有電壓巡檢系統(tǒng)。汽車尾氣發(fā)電熱電模塊的電壓巡檢作為尾氣發(fā)電系統(tǒng)電壓檢測的關(guān)鍵設(shè)備，隨著尾氣發(fā)電的發(fā)展，發(fā)揮著越來越重要的作用。熱電模塊的單片、單組電壓巡檢不僅在系統(tǒng)的研發(fā)階段起著十分重要的作用，即使在投入使用后對(duì)熱電模塊的維護(hù)也是不可或缺的。雖然檢測電壓的方法越來越多，但是在設(shè)計(jì)電壓巡檢系統(tǒng)時(shí)都會(huì)遇到同樣的一個(gè)問題就是每一片熱電模塊的電壓很小，在多組熱電模塊串聯(lián)后電壓將超過一般測電壓芯片的電壓最大承受范圍，因此這是電壓巡檢電路設(shè)計(jì)中一個(gè)難點(diǎn)問題。為解決這一問題，本文將以一路熱電模塊的電壓測量為例做詳細(xì)介紹。2 尾氣余熱發(fā)電原理汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛節(jié)能也越來越受關(guān)注。然而，以現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)估計(jì)，燃油中 60%左汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 3右的能量沒有得到有效的利用，絕大部分以余熱形式排放到大氣中，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染 [2]。因此，利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電是一個(gè)好的節(jié)能途徑。由于汽車的結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量小，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的利用相對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備余熱回收來說難度更大。20 世紀(jì) 70 年代以來，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的學(xué)者提出了采用溫差發(fā)電器來解決上述問題。TEG 依據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲等特點(diǎn)，在低品位熱能利用方面具有獨(dú)特的效果 [2]。把它安裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣管上，能夠?qū)?nèi)燃機(jī)運(yùn)行余熱直接轉(zhuǎn)換為電能。其中熱電轉(zhuǎn)換器件是余熱發(fā)電的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。2.1 熱電模塊原理熱電轉(zhuǎn)換器件是溫差發(fā)電的基本元件，它的功能是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，效率取決于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計(jì)制造水平。自 20 世紀(jì) 50 年代前蘇聯(lián)科學(xué)院的 Ioffe院士提出了半導(dǎo)體熱電原理以來，用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料，如用于低溫（300℃以下）熱電材料 Bi2Te3 及其固溶體合金、中溫（ 300℃~600℃）熱電材料 PbTe-SnTe、高溫（600℃~1000℃）熱電材料 SiGe、MnTe、SiRe 2、CeS 等 [7]。所謂溫差發(fā)電就是將熱能直接轉(zhuǎn)變成電能，通過高溫與低溫的溫差產(chǎn)生的熱，將移動(dòng)的熱能轉(zhuǎn)變成電能，即是發(fā)電。半導(dǎo)體熱電發(fā)電機(jī)（簡稱 TEG） ，實(shí)質(zhì)上是圖 1 一對(duì) P-N 溫差電偶發(fā)電原理示意圖許多 P 型和 N 型半導(dǎo)體材料按照一定的排列組合方式構(gòu)成的半導(dǎo)體堆。因此，半導(dǎo)體熱電發(fā)電也稱為半導(dǎo)體熱電對(duì)發(fā)電。最簡單的半導(dǎo)體發(fā)電單元如 1 圖所示，它有 P 型和 N 型半導(dǎo)體電偶臂以及負(fù)載電阻R 構(gòu)成，通過金屬導(dǎo)流片（通常是銅）連接起來，熱源和冷源通過陶瓷片傳遞熱量，溫差電偶就這樣工作在高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓粗g。將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料 N 型和 P型半導(dǎo)體的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開路并給以低溫時(shí)，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開路端形成電勢汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 4差。如果將許多對(duì) P 型和 N 型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。當(dāng)導(dǎo)流片間形成回路后就有電流流過負(fù)載電阻。電流方向在 N 極中由冷端流向熱端，P 極中由熱端流向冷端。整個(gè)過程還伴隨著其他可逆的熱點(diǎn)效應(yīng)和可逆的熱效應(yīng)。2.1.1 HZ-20 熱電模塊特點(diǎn)圖 2 HZ-20 熱電轉(zhuǎn)換模塊基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理制成的單個(gè)熱電模塊的轉(zhuǎn)換功率很小，需要經(jīng)串/并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。圖 2 為美國 Hi-Z 公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊 HZ-20，由 71 對(duì)碲化鉍熱電偶連接起來，固定在一個(gè)被稱為“蛋架”的框架上。模塊在溫差 200℃時(shí)輸出 2.38V/19W 電流。該公司已研制了 4 中不同規(guī)格的產(chǎn)品，形成了一個(gè)系列，輸出電功率 2.5W 至 19W[2]。HZ-20 熱電模塊具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1所示：表 1 HZ-20 19W 熱電模塊各項(xiàng)參數(shù)熱性能 參數(shù) 誤差熱端溫度 230 ℃ (450 F) ±10 (20)冷端溫度 30 ℃(85 F) ±5 (10)最大持續(xù)溫度 250 ℃ (480 F) ------最小持續(xù)溫度 無 ------汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 5最大溫差 400 ℃(750 F) ------特性 參數(shù) 誤差功率 19 W負(fù)載電壓 2.38 V ±0.1內(nèi)阻 0.3 Ohm ±0.05電流 8 Amps ±1開路電壓 5.0 V ±0.3效率 4.5 %2.1.2 HZ-20 熱電模塊電壓電流特性HZ-10 熱電模塊的輸出特性如圖 3 所示。由圖中可以看出在功率達(dá)到最大值的時(shí)候，效率不是最大；同時(shí)當(dāng)效率最高的時(shí)候功率也沒有達(dá)到最大值，因此均衡兩者的關(guān)系，使它們都達(dá)到較大值，使熱電模塊發(fā)揮最大的功能，則取在功率與效率曲線的交點(diǎn)處，此時(shí)電壓值為 2.38 V 左右，這是熱電模塊最佳的工作點(diǎn)。圖 3 HZ-20 熱電模塊輸出特性2.2 汽車尾氣余熱發(fā)電方案設(shè)計(jì)2.2.1 余熱發(fā)電汽車結(jié)構(gòu)普通汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油燃燒除了要給汽車提供動(dòng)力以外，還要帶動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)，所發(fā)的電儲(chǔ)存在蓄電池中，供汽車上的用電設(shè)備使用。這樣，燃油的燃燒能量一部分用于驅(qū)動(dòng)汽車，一部分用帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，還有一部分通過排氣筒以高溫廢氣的形式排放汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 6到空氣中。利用尾氣余熱發(fā)電的汽車可以回收尾氣中的一部分熱量，將其轉(zhuǎn)化為電能這部分轉(zhuǎn)換的電能對(duì)鉛酸電池充電，保存到蓄電池中，以供汽車上的用電設(shè)備使用。與普通汽車相比，余熱發(fā)電的汽車可以去掉汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所要帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)，這樣一方面可以減少發(fā)電機(jī)給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的阻力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率；另一方面可以使更多的動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)汽車；同時(shí)還保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了能源。余熱發(fā)電汽車的主要結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。圖 4 利用余熱發(fā)電汽車的主要結(jié)構(gòu)2.2.2 溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)余熱發(fā)電的主要部分在汽車的排氣筒處。余熱發(fā)電系統(tǒng)通常由四部分組成：一個(gè)熱箱、熱電模塊、冷端和一些裝配部件。熱箱是尾氣流經(jīng)的組件，流經(jīng)的尾氣溫度可以達(dá)到幾百攝氏度；冷端由水箱充當(dāng)，它即可以冷卻熱電模塊，同時(shí)水的最高溫度不會(huì)超過100℃，這個(gè)溫度遠(yuǎn)小于熱端的溫度，使熱電模塊兩面存在溫差，用于發(fā)電；裝配部件可以提供足夠的壓力使熱電模塊與所有其他部件理想的結(jié)合在一起。絕熱是任何余熱發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分，用來降低熱箱的熱量損失，提高熱電轉(zhuǎn)換效率 [4]。典型余熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作液體的流動(dòng)如圖 5 所示。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 7圖 5 典型余熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造2.2.3 余熱發(fā)電熱平衡與效率在內(nèi)燃機(jī)中，約有 40％的在燃料能源浪費(fèi)在廢氣中，30％是消耗在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液上，5％在輻射和摩擦中失去，25％用于機(jī)動(dòng)車輛及配件。余熱發(fā)電熱量回收系統(tǒng)，往往從第一部分那 40％中回收能量，但由于諸多因素，在當(dāng)今的余熱發(fā)電技術(shù)只有 5~6％的回收效率 [4]。圖 6 余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱平衡示意圖該系統(tǒng)的熱平衡如圖 6 所示。Q in 和 Qout 分別是汽車尾氣通過熱箱的入口和出口的熱量；Q 0 是通過熱電模塊的是有效熱量；在該系統(tǒng)的熱量損失表示為 Qloss （參見方程（2-1）及（ 2-2） ） ；Q 1 是來自于熱箱沒有被利用的表面通過熱輻射和對(duì)流損失的熱量；Q2 是熱電模塊引腳的對(duì)流和熱輻射造成的熱量損失； Q3 是通過裝配部件熱量傳導(dǎo)失去的熱量；Q 4 熱電模塊之間的間隙處的熱量散失；Q 5 是熱電模塊接觸熱阻中的傳導(dǎo)的熱量。在圖 6 中，熱平衡模型可以表示為： （2-1）汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 8（2-2）余熱發(fā)電系統(tǒng)的整體效率可以表示為：（2-3）其中熱電模塊的轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)為：（2-4）P0 是從余熱發(fā)電系統(tǒng)中輸出的電量。熱電轉(zhuǎn)換的熱效率可表示為： （2-5） （2-6） 每一個(gè)元件的熱量損失的百分比以及通過熱電模塊的有用熱量主要取決于余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [4]。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 93 電壓巡檢單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于每一片熱電模塊的電壓在不大于 3V，電流也很小，這樣的電源根本不可能給汽車供電。因此，要將若干片熱電模塊串聯(lián)以提高電壓，并聯(lián)以增大電流，從而使整個(gè)發(fā)電裝置的功率變大，達(dá)到用電設(shè)備的要求。多片熱電模塊構(gòu)成的熱電模塊堆是電源的核心，這里我們把若干片熱電模塊并聯(lián)成一組，構(gòu)成一個(gè) 3V 左右的熱電模塊單元，將 16組這樣的熱電模塊單元串聯(lián)起來，則構(gòu)成了一個(gè)足夠高電壓的熱電模塊組。所要巡檢的電壓就是每一路熱電模塊單元的電壓。圖 7 熱電模塊排列如圖 7 所示，為了便于電壓測量，采用圖中的排列方式。a、b、c ……熱電模塊彼此并聯(lián)，a 與 a’、b 與 b’、c 與 c’彼此串聯(lián)。C 與 A’相連，實(shí)現(xiàn)熱電模塊單元間的串聯(lián)。所要檢測的電壓就是 A 與 B 之間的電壓。檢測每一路熱電模塊單元的電壓時(shí)使用差動(dòng)輸入，雖然每個(gè)單元的電壓不高，只在3V 左右，但是由于熱電模塊堆是有很多熱電模塊單元串聯(lián)組成的，熱電模塊單元電壓測量存在累積電勢的問題。為解決這一問題，可以采用分組測量的方法，使各個(gè)組之間不汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 10共地，這樣就不存在電勢累積過高的問題了。目前，對(duì)單個(gè)熱電模塊單元測量的方法有很多，但是都存在一些不足，如：1） 、雙刀繼電器法，每個(gè)蓄電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)相連接。繼電器都不動(dòng)作時(shí)，所有蓄電池均與巡檢電路斷開。當(dāng)進(jìn)行電壓檢測時(shí)，由控制器依次使繼電器閉合，使對(duì)應(yīng)的蓄電池的陰極接入檢測電路地，陽極經(jīng)緩沖器進(jìn)入 A/ D 轉(zhuǎn)換器。此方法雖可完成對(duì)蓄電池組的電壓檢測，但當(dāng)蓄電池?cái)?shù)量較多時(shí)，需要的繼電器也相應(yīng)增多，使得電路體積大，功耗、成本和故障率也較高。2） 、懸浮地測量法，利用模擬開關(guān)對(duì)被測量的蓄電池進(jìn)行切換，兩片模擬開關(guān)采用差動(dòng)式連接，模擬開關(guān)工作電源均由所測量的蓄電池所提供。這樣就解決了蓄電池的電位高于芯片電壓的問題。通過單片機(jī)對(duì)蓄電池切換，兩片模擬開關(guān)的輸出分別就是被選中的蓄電池的正端和負(fù)端電壓，為了使蓄電池電壓不影響巡檢系統(tǒng)的工作，采用光電耦合器構(gòu)成懸浮采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采樣電路與單片機(jī)之間的光電隔離。此方法的特點(diǎn)是體積小、功耗低、成本低。但當(dāng)蓄電池?cái)?shù)量較多時(shí)，電路會(huì)變得復(fù)雜，而且所占用的單片機(jī) I/ O 口也較多。3） 、運(yùn)放采樣電路，采樣電路是一個(gè)由電阻和運(yùn)算放大器組成的線性差動(dòng)運(yùn)算電路。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性通過選取適當(dāng)電阻，可以將蓄電池電壓變換為單片機(jī)和 A/ D 的輸入范圍內(nèi)。此方法原理上清晰簡單，但測量精度易受電阻阻值影響，因此測量精度不高。另外，由于每節(jié)電池都需要接入線性差動(dòng)運(yùn)算電路，當(dāng)電池?cái)?shù)量較多時(shí)，測量電路體積增大，成本及功耗也會(huì)增加?？偟膩碚f，當(dāng)蓄電池組中蓄電池的數(shù)量較少時(shí)，以上的方法都是可行的。但對(duì)于直流電源系統(tǒng)、變電站等大型電力系統(tǒng)，其后備電源中的蓄電池組一般都有上百個(gè)蓄電池，假如采用上述的方法，電壓巡檢電路將會(huì)變得復(fù)雜，造成系統(tǒng)體積大、成本高，甚至不能正常工作 [3]。因?yàn)橐獙?duì)每一個(gè)熱電模塊單元進(jìn)行電壓檢測，這樣，每一個(gè)熱電模塊的電壓檢測原理相同。以一路熱電模塊的電壓檢測為例，如圖8所示。各檢測單元用隔離型DC-DC供電，彼此不共地。檢測單元由信號(hào)處理單元、模擬通道多路選擇開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)等組成 [8]。首先從熱電模塊的正、負(fù)極分別引出一條測量線，與信號(hào)處理單元相連，并且熱電模塊負(fù)極為信號(hào)處理單元的共地端，熱電模塊單元兩端的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元后得到差分電壓，即熱電模塊的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再被單片機(jī)讀取并保存，同時(shí)單片機(jī)控制編碼器逐次選通每一個(gè)熱電模塊單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)熱電模塊堆的所有路熱電模塊的電壓巡檢。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 11圖8 檢測單元結(jié)構(gòu)圖3.1 信號(hào)處理單元3.1.1 信號(hào)處理單元電路設(shè)計(jì)圖 9 差分運(yùn)算放大電路熱電模塊單元電壓信號(hào)為差模小信號(hào)，并含有大的共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于共模信號(hào)。因此，為了克服熱電模塊單元電壓巡檢系統(tǒng)中高共模電壓的問題，單元電壓采用可以克服高共模抑制比的集成儀用放大器來檢測。但是考慮到每一個(gè)熱電模塊單元都要分配一個(gè)差分集成儀用放大器，系統(tǒng)的成本高，故采用三個(gè)通用運(yùn)放構(gòu)成精密差分運(yùn)算放大電路，如圖 9 所示。U2、U 1 分別與熱電模塊單元的正、負(fù)極相連，差分放大后的電壓信號(hào)由 Uo 輸出，經(jīng)模擬通道多路開關(guān)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中。當(dāng) R3= R4= R5= R6 時(shí)，輸出電壓為汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 12（3-1）為了提高放大器的輸入阻抗，在差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端 A、B 分別接入兩個(gè)電壓跟隨器，即圖 9 中 RG 為無窮大的情況。此時(shí)運(yùn)算放大器 A1、A 2 分別組成兩個(gè)電壓跟隨器，放大器的理論輸入電阻為無窮大。如圖 9 所示 A1、A 2 分別工作在負(fù)反饋狀態(tài)，其反相輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等，則流過 RG 的電流 iG 為（3-2）式中：U i= U2—U1。設(shè) R1= R2= R，則（3-3）將（3-3 ）代入（3-1 ） ，得（3-4）當(dāng) U1=U2 時(shí)，輸出電壓 Uo=0，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。從電路的組成可以看出，無論對(duì)于 U1 還是 U2，均可認(rèn)為輸入電阻為無窮大 [8]。運(yùn)放 A3 輸出端為限伏輸出保護(hù)電路，由限流電阻 R6 與穩(wěn)壓管 DZ 組成，它一方面限制了運(yùn)放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值，使運(yùn)放輸出電壓鉗位于 UZ 與—0.7V 之間，保護(hù)監(jiān)測單元后續(xù)器件的安全，以免電路故障輸出電壓過大損壞其他電路 [8]。取電阻 RG 的電阻值為無窮大，則 Uo=Ui，即差分放大器輸出的電壓就是熱電模塊單元兩端的電壓。所以選定穩(wěn)定電壓 UZ 為 3V 的穩(wěn)壓管。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 133.1.2 信號(hào)處理單元元件選擇為降低成本，用3個(gè)普通的運(yùn)算放大器和若干電阻連接代替儀用集成放大器。LM324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V～32V或 16V。 LM324的特點(diǎn)：短路保護(hù)輸出；真差動(dòng)輸入級(jí)；可單電源工作：3V ～32V ；低偏置電流：最大100nA（LM324A）；每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器；具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?；共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；輸入端具有靜電保護(hù)功能。LM324的引腳圖如圖10所示。圖 11 LM324 引腳圖3.2 數(shù)據(jù)處理單元3.2.1 數(shù)據(jù)處理由于設(shè)計(jì)要求對(duì)電壓測量的精度要達(dá)到 10 位，因此要選擇精度在 10 位以上的 A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸出位數(shù)還要與所選的單片機(jī)的位數(shù)相匹配。同時(shí)，為了排除隨即干擾，在設(shè)計(jì)中增加了簡單的數(shù)字濾波：對(duì)外部的模擬電壓采樣 10 次，求其平均之后作為最后的測量電壓。3.2.1 數(shù)字處理單元的元件選擇在滿足所有要求的同時(shí)又不會(huì)提高成本，還可以減少整個(gè)系統(tǒng)的元件數(shù)量，所以選汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 14擇具有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。PIC16F877 是美國微芯公司的中檔產(chǎn)品。它采用 14 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，在保持低價(jià)格的前提下，增加了 10 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部 EEPROM 存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸出、PWM 輸出、I 2C 總線和 SPI 總線接口電路、異步串行通信接口電路、模擬電壓比較器、LED 驅(qū)動(dòng)、FLASH 程序存儲(chǔ)器等功能，可方便的多次在線編程和調(diào)試 [10]。PIC16F877 引腳圖如圖 12 所示。40 引腳的 PIC16F877 芯片內(nèi)含有 8 個(gè)模擬通道，而電壓巡檢要檢測 16 路的電壓，同時(shí)由于運(yùn)算放大器的選擇，每 3 片 LM324 可以測量 4 路電壓，因此可以每一片單片機(jī)控制測量 4 路電壓，共選用 4 片 PIC16F877。圖 12 40 引腳 PIC16F877該單片機(jī)具有如下顯著的特點(diǎn)：開發(fā)容易，周期短。由于 PIC 采用類 RISC 指令集，指令數(shù)目少，僅 35 條指令，且全為單字長指令，易學(xué)易用。相對(duì)于采用 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，可節(jié)省 30%以上的開發(fā)時(shí)間、2 倍以上的程序空間。高速。PIC 采用哈佛總線和類精簡指令，逐步建立了一種新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)速度快 4~5 倍。低功耗。PIC 采用 CMOS 電路設(shè)計(jì)，結(jié)合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗很低；100%的靜態(tài)設(shè)計(jì)可進(jìn)入休眠省電狀態(tài)，而不會(huì)影響激活后的正常運(yùn)行。微芯公司的單片機(jī)是各類單片機(jī)中低功耗設(shè)計(jì)最好的產(chǎn)品之一。低價(jià)實(shí)用 PIC 配備有 OTP 型、EPROM 型及 FLASH 型等多種形式的芯片。其中 OTP汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 15型的芯片的價(jià)格低；還提供程序監(jiān)視器和程序可分區(qū)保密的保密位等功能；提供了基于Windows98/NT/2000 的、方便易用的、全系列產(chǎn)品開發(fā)工具的大量子程序庫和應(yīng)用實(shí)例，使產(chǎn)品開發(fā)更容易、快捷 [11]。在此次設(shè)計(jì)中主要用到了 PIC16F877 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換器和串行通信接口 SPI。3.3 數(shù)據(jù)傳輸CAN 是 ISO 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 串 行 通 信 協(xié) 議 。 在 當(dāng) 前 的 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 中 ， 出 于 對(duì) 安 全 性 、舒 適 性 、 方 便 性 、 低 公 害 、 低 成 本 的 要 求 ， 各 種 各 樣 的 電 子 控 制 系 統(tǒng) 被 開 發(fā) 了 出 來 。由 于 這 些 系 統(tǒng) 之 間 通 信 所 用 的 數(shù) 據(jù) 類 型 及 對(duì) 可 靠 性 的 要 求 不 盡 相 同 ， 由 多 條 總 線 構(gòu) 成的 情 況 很 多 ， 線 束 的 數(shù) 量 也 隨 之 增 加 。 為 適 應(yīng) “減 少 線 束 的 數(shù) ”、 “通 過 多 個(gè)LAN， 進(jìn) 行 大 量 數(shù) 據(jù) 的 高 速 通 信 ”的 需 要 ， 1986 年 德 國 電 氣 商 博 世 公 司 開 發(fā) 出 面 向汽 車 的 CAN 通 信 協(xié) 議 。 此 后 ， CAN 通 過 ISO11898 及 ISO11519 進(jìn) 行 了 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ，現(xiàn) 在 在 歐 洲 已 是 汽 車 網(wǎng) 絡(luò) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 協(xié) 議 。現(xiàn) 在 ， CAN 的 高 性 能 和 可 靠 性 已 被 認(rèn) 同 ， 并 被 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 、 船 舶 、醫(yī) 療 設(shè) 備 、 工 業(yè) 設(shè) 備 等 方 面 。 現(xiàn) 場 總 線 是 當(dāng) 今 自 動(dòng) 化 領(lǐng) 域 技 術(shù) 發(fā) 展 的 熱 點(diǎn) 之 一 ， 被譽(yù) 為 自 動(dòng) 化 領(lǐng) 域 的 計(jì) 算 機(jī) 局 域 網(wǎng) 。 它 的 出 現(xiàn) 為 分 布 式 控 制 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 各 節(jié) 點(diǎn) 之 間 實(shí) 時(shí) 、可 靠 的 數(shù) 據(jù) 通 信 提 供 了 強(qiáng) 有 力 的 技 術(shù) 支 持 。PIC16F877 單 片 機(jī) 沒 有 集 成 CAN 功 能 模 塊 ， 可 以 通 過 SPI 方 式 和 MCP2510 芯片 實(shí) 現(xiàn) CAN 通 信 。 MCP2510 是 MICROCHIP 公 司 生 產(chǎn) 的 一 種 CAN 控 制 器 ， 可 通 過SPI 方 式 與 單 片 機(jī) 接 口 ， 實(shí) 現(xiàn) CAN 通 信 。 它 支 持 CAN 技 術(shù) 范 圍 2.0A/B， 通 信 速 率高 ， 可 靠 性 高 ， 實(shí) 時(shí) 性 好 ， 且 連 接 方 便 ； 因 而 在 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 、 多 種 控 制 設(shè) 備 、 交 通 工具 、 醫(yī) 療 儀 器 、 建 筑 及 環(huán) 境 控 制 當(dāng) 中 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。PCA82C250 是 CAN 控制器與物理總線之間的接口，它最初為汽車高速（最高達(dá)1Mbps）通信應(yīng)用設(shè)計(jì)。器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì) CAN 控制器的差動(dòng)接受能力。PCA82C250 主要特性：與 ISO/DIS11989 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容；高速（最高達(dá) 1Mbps） ；具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護(hù)總線能力；降低射頻干擾的斜率控制；熱保護(hù)；防止電流與地之間發(fā)生短路；低電流待機(jī)方式；某一個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì)影響總線；可有 110 個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接 [10]。82C250 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部具有限流電路，可防止輸出級(jí)對(duì)電流的正端和負(fù)端短路。雖然在這種故障條件出現(xiàn)時(shí)，功耗增加，但是這種特性可以防止發(fā)送輸出級(jí)的破壞。PIC16F877 微控制器通過 SPI 接口對(duì) MCP2510 芯片進(jìn)行操作，在時(shí)鐘 SCK 的上升沿，命令和數(shù)據(jù)通過 SPI 引腳送入 MCP2510；同時(shí) MCP2510 通過 SO 引腳在 SCK 的下汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 16降沿送出數(shù)據(jù)。當(dāng)然，執(zhí)行任何一種操作都要使片選引腳 CS 為低電平。CAN 通 信 硬 件 簡 圖 如 圖 13 所 示 。圖 13 CAN 通 信 簡 圖3.4 熱電模塊單元檢測電路圖 14 熱電模塊單元檢測電路綜合以上設(shè)計(jì)過程可以得到熱電模塊單元檢測電路如圖 14 所示。熱電模塊單元的正、負(fù)極分別引出兩條測量線與差分運(yùn)算放大電路相連，從 UOUT 輸出的電壓即為熱電模塊單汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 17元的電壓，這是一個(gè)模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過 PIC16F877 單片機(jī)的 RA2 端口被送入 A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)讀取并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過 CAN 總線傳輸出去，以作進(jìn)一步處理。以上是對(duì)一路熱電模塊的電壓檢測，同理可以用以上方法對(duì) 16 路熱電模塊進(jìn)行循環(huán)檢測。16 路熱電模塊串聯(lián)以后會(huì)存在電勢累積問題，累積的電勢將超出測量元件所能承受的最大電壓。因此將這 16 路電壓分成 4 組，每 4 路熱電模塊為一組，每組由 3 片LM324 和 1 片 PIC 單片機(jī)構(gòu)成測量單元，采取分組測量的方法對(duì)電壓進(jìn)行檢測。每組內(nèi)的 4 路熱電模塊的電勢累積只有十幾伏，這是在 LM324 正常工作的電壓范圍內(nèi)。4 組測量單元都有獨(dú)立的供電電源，并且彼此不共地，這就解決了電勢累積的問題。然后通過對(duì)每組內(nèi)的單片機(jī)進(jìn)行編程，使其輪流讀取 RAi 端口的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)組內(nèi)的 4 路電壓進(jìn)行循環(huán)檢測。4 組測量單元分別采用這種方法，實(shí)現(xiàn)對(duì) 16 路電壓的循環(huán)檢測。4 電壓巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 184.1 電壓巡檢主程序設(shè)計(jì)檢測單元軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，大體來說可以分為數(shù)據(jù)采集處理和 CAN 通信兩個(gè)部分，圖 15 為檢測單元軟件程序流程圖，圖 16 為中斷服務(wù)程序。因?yàn)槌绦蛑袘?yīng)用到很多的變量，因此將寄存器與變量定義列于表 2 中。表 2 寄存器與變量定義變量 寄存器 注釋TXBYTES 0X20 SPI 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器RXBYTES 0X30 SPI 接收數(shù)據(jù)寄存器BSPICNT 0X40 待接收數(shù)據(jù)寄存器PSPIBUF 0X41 指向緩沖器的指針寄存器B2510REGADR 0X42 寄存器地址B2510REGDATA 0X43 寄存器數(shù)據(jù)B2510REGMASK 0X44 屏蔽位BINTSAVEST 0X47 暫存狀態(tài) STATUSBINTSAVEFSR 0X48 暫存 FSRBINTSAVEPCLATH 0X49 暫存高位指針BINTSAVEW0 0X7F 暫存工作寄存器 W 的值COUNT 0X50 計(jì)數(shù)器TIMES 0X60 A/D 采樣次數(shù)DEY TIMES+1ACCALO TIMES+2 存放加數(shù)低 8 位ACCAHI TIMES+3 存放加數(shù)高 8 位ACCBLO TIMES+4 存放被加數(shù)低 8 位ACCBHI TIMES+5 存放被加數(shù)高 8 位BEGFSR 0X70 間接尋址 FSR 的起始值汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 19初始化各個(gè)芯片開中斷A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)否是開 始圖 15 檢測單元軟件程序流程圖在程序開始最重要的是要對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行初始化，然后設(shè)置中斷，將中斷打開。當(dāng)收到啟動(dòng) A/D 的指令后，打開 A/D 轉(zhuǎn)換器，把模擬通道 RA2 輸入的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送，當(dāng)接收到同意發(fā)送信號(hào)時(shí)，通過單片機(jī)的串行端口 SPI 傳輸給 CAN，若沒有收到發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，則返回到電壓讀取環(huán)節(jié)，等待下一次讀取電壓值。每發(fā)送一路電壓的數(shù)據(jù)后再返回到中斷處，等待對(duì)下一路的電壓進(jìn)行電壓檢測。汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)電壓巡檢模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) 20清除中斷標(biāo)志位CAN 接受中斷呼叫標(biāo)志位置位是否呼叫檢測中斷結(jié)束開 始否是是否圖 16 中斷服務(wù)程序流程圖進(jìn)入中斷程序后，先檢驗(yàn) CAN 是個(gè)否接受中斷請(qǐng)求，若接受請(qǐng)求時(shí)，將中斷標(biāo)志位清零，再判斷是否對(duì)檢測單元進(jìn)行呼叫，當(dāng)對(duì)檢測單元進(jìn)行呼叫時(shí)，呼叫標(biāo)志位被置為，則使 A/D 轉(zhuǎn)換器開啟，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，否則退出中斷。若 CAN 不接受請(qǐng)求，則直接結(jié)束中斷程序。根據(jù)流程圖，主程序如下：MAIN CALL INIT877；初始化 PIC16F877 芯片CALL ADINT；初始化 A/D 轉(zhuǎn)換器MOVLW 0XC0MOVWF INTCON；開中斷BANKSEL PIE1DSF PIE1，3CALL INITSPIPORT；初始化 SPI 端口CALL INIT2510；初始化 MPC2510LOOP BANKSEL ADCON1