CN207937811U - 氮氧传感器加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及氮氧传感器的技术领域，尤其涉及一种氮氧传感器加热装置。信号放大部分连接微控制器的A/D转换部分，微控制器的TIM定时器部分产生的PWM同时控制连接加热驱动模块和电压检测模块的恒定电流部分，电压检测模块和加热驱动模块同时连接氮氧传感器的加热铂电阻，微控制器的FSMC部分连接显示模块TFTLCD。本设计采用电压检测模块独立对加热铂电阻提供稳定、恒定电流，同时对铂电阻的端电压信号进行有效地差分放大，并将合理放大后输出电压信号提供给微控制器模块，抑制了信号的共模噪声，极大地改善了电压信号信噪比，提高了温度测量的精度。

Description

氮氧传感器加热装置

技术领域

本实用新型涉及一种加热装置，尤其涉及一种氮氧传感器加热装置。

背景技术

随着世界经济的高速发展，全球汽车总量持续上升，汽车工业的发展极大程度上促进了人类社会的进步，但由于其动力来源的限制，也很大程度上加剧了环境污染和能源短缺。汽车用氮氧传感器，通过检测汽车尾气中氮氧化合物浓度来提高发动机燃烧性能，同时减少有害气体的排放。

为了实现燃料的充分使用，提高燃料利用率，同时减少尾气中氮氧化合物的排放，需要氮氧传感器在不同的空燃比情况下实时测量尾气中氮氧化合物浓度。在氮氧传感器工作过程中，氮氧传感器的实时工作温度对其测量精度、准度等具有决定性作用。因此，实现对氮氧传感器加热的精确、快速控制，对其温度的精细调节具有极其重要的影响。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述缺陷，提供一种氮氧传感器加热装置。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：这种氮氧传感器加热装置包括微控制器模块、加热驱动模块、电压检测模块和显示模块，电压检测模块包括信号放大部分和恒定电流部分，所述微控制器模块包括TIM定时器部分、A/D转换部分和FSMC部分，信号放大部分连接微控制器的A/D转换部分，微控制器的TIM定时器部分产生的PWM同时控制连接加热驱动模块和电压检测模块的恒定电流部分，电压检测模块和加热驱动模块同时连接氮氧传感器的加热铂电阻，微控制器的FSMC部分连接显示模块TFTLCD。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述加热驱动模块的电路组成包括电阻R16一端连接微控制器模块输出的PWM信号，电阻R16的另一端连接三极管T1的B极，三极管T1的E极连接模拟地，三极管T1的C极连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端同时与电容C20的一端、电阻R13的一端、稳压二极管P_D2的阳极以及功率MOS管Q1的G极连接，功率MOS管Q1的S极与电容C20的另一端、电阻R13的另一端、稳压二极管P_D2的阴极共同连接24V电压，功率MOS管Q1的D极连接加热铂电阻。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述电压检测模块的电路组成包括电阻R33的一端连接微控制器模块输出的PWM信号，电阻R33另一端连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端连接三极管T3的B极，三极管T3的E极连接数字地，三极管T3的C极连接电阻R17的一端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接三极管T2的B极，三极管T2的C极与电阻R17的另一端同时连接24V供电电压，三极管T2的E极连接电阻R20的一端、磁珠P_L4的一端和恒流源芯片U4（LC1920）的1管脚，电阻R20的另一端连接恒流源芯片U4（LC1920）的3管脚和电阻R24的一端，电阻R24的另一端连接恒流源芯片U4（LC1920）的2、4管脚以及输出电阻R32，磁珠P_L4的另一端连接电阻R21的一端和恒流源芯片U3（LC1920）的1管脚，电阻R21的另一端连接恒流源芯片U3（LC1920）的3管脚和电阻R25的一端，电阻R25的另一端连接恒流源芯片U3（LC1920）的2、4管脚以及输出电阻R32。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述信号输入至电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电阻R9的一端和放大器U1A的3管脚，电阻R9的另一端与U1A的4引脚连接至数字地，U1A的2管脚连接电阻R11的一端和电阻R10的一端，电阻R11的另一端连接数字地，电阻R10的另一端连接U1A的输出1管脚，放大器U1A的8引脚连接3.3V供电电源。

本实用新型的有益效果是，

（1）本设计采用的微控制模块（STM32）可提供高速时钟信号、高精度A/D采集等功能，能有效保证氮氧传感器的温度控制的精度和温度反馈调节的准确性、及时性。

（2）本设计采用电压检测模块独立对加热铂电阻提供稳定、恒定电流，同时对铂电阻的端电压信号进行有效地差分放大，并将合理放大后输出电压信号提供给微控制器模块，抑制了信号的共模噪声，极大地改善了电压信号信噪比，提高了温度测量的精度；

（3）此外，本设计中氮氧传感器的温度控制采用PWM控制实现，使加热与检测的稳定切换，同时可精确调节加热时间、加热频率，使得温度控制的精度更高；

（4）氮氧传感器加热设计，将采集的实时电压信号与温度通过TFTLCD显示，具有较好的人机交互功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型设计的结构示意图；

图2是本实用新型设计的工作示意图；

图3是加热驱动模块主电路图；

图4是电压检测模块电流切换电路图。

图5是电压检测模块的信号放大部分U1A差分放大电路图。

具体实施方式

如图1是本实用新型的结构示意图，图中包括微控制器模块、加热驱动模块、电压检测模块和显示模块。电压检测模块的信号放大部分连接微控制器的A/D转换部分，微控制器的TIM定时器部分产生的PWM同时控制加热驱动模块和电压检测模块的恒定电流部分，电压检测模块和加热驱动模块同时连接氮氧传感器的加热铂电阻，微控制器的FSMC部分和显示模块连接，信号的流向如图1箭头方向所示。

微控制器（STM32F103系列）模块包括：

通过STM32自身的定时器产生PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）输出，PWM输出的频率、占空比等参数均可调；

STM32的ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）实现对电压检测模块的电压输出进行精确的数字转换，得到实时电压值；

STM32的A/D转换接口与电压检测模块连接，STM32的PWM输出接口与加热驱动模块连接，STM32的FSMC接口与显示模块连接。

微控制器对A/D转换的结果，通过相应的运算，得到与之对应的温度值；

微控制器将得到的电压值、温度值等，通过自身FSMC接口控制的TFTLCD（ThinFilm Transistor-Liquid Crystal Display，薄膜晶体管液晶显示器）显示。

STM32的A/D转换接口与电压检测模块连接，STM32的PWM输出接口与加热驱动模块连接，STM32的FSMC接口与显示模块连接。

加热驱动模块可识别微控制器模块的PWM输出，并根据PWM输出的频率、占空比等参数来精确调节加热周期及加热时间。

为了实现实时监测温度，电压检测模块与加热驱动模块同时工作，但分时段进行数据的输入、输出。

显示模块TFTLCD可同时显示实时电压检测模块输出的电压值和微控制器模块输出的温度值。

微控制器主要包括：

TIM定时器：用于产生同时控制电压检测模块和加热驱动模块的PWM信号，频率、占空比等参数均可精细调节；

A/D转换：用于接收电压检测模块的输出，具有多采集通道、12精度等特点，满足设计需求；

FSMC接口：用于连接TFTLCD显示屏。

如图2所示，加热器整体运行流程框图。加热器加热启动后，首先进行系统的初始化，接着进行系统的加热及温度反馈调节，同时，开始进行传感器各部分的电压信号的采集，与此同时，还需要进行数据的显示。加热器温度调节过程中，循环进行的是实时温度与设定温度的比较，若未达到设定值，则进行PID调节，同时进行数据采集与数据显示；若达到温度设定值，则保持当前温度。在氮氧传感器的不同工作阶段，温度的设定值也会随之变化。这种实时温度的采集以及与设定值的不断比较，实现了系统的闭环检测、调节。由此可知，控制系统的加热、信息采集、数据显示是同步进行的，这就充分保证了系统的实时性。

图3-5是新型氮氧传感器加热设计中主要的电路设计图。

如图3所示，为主要的加热驱动电路。图3中，电阻R16一端连接微控制器模块输出的PWM信号，另一端连接T1（NPN管）的B极。T1的E极连接模拟地，T1的C极连接电阻R14。电阻R14的另一端，同时与电容C20、电阻R13、稳压二极管P_D2以及功率MOS管Q1的G极连接。Q1的S极与电容C20、电阻R13、稳压二极管P_D2共同连接24V电压。Q1的D极连接加热铂电阻。其中，Q1为P沟道功率MOS管，C20、R13构成放电电路，稳压二极管作为保护电路。当PWM输出低电平时，T1不导通，Q1也不导通，不进行加热；当PWM输出高电平时，T1导通，Q1也开通，进行加热。在加热过程中，只需要控制PWM的周期以及高低电平的时间，即可控制Q1的导通、关断时间，从而控制铂电极的加热。

图4为电压检测部分的电流切换电路。图4中，微控制输出的PWM信号传输给电阻R33，电阻R33另一端连接电阻R19。电阻R19连接三极管T3（NPN管）的B极，T3的E极连接数字地，T3的C极连接电阻R17、电阻R18。电阻R18的另一端连接三极管T2（NPN管）的B极。同时，T2的C极与电阻R17的另一端同时连接24V供电电压。三极管T2的E极连接电阻R20、磁珠P_L4和恒流源芯片U4（LC1920）的1管脚。磁珠P_L4的另一端连接电阻R21和恒流源芯片U3（LC1920）的1管脚。U3和电阻R20、电阻R24构成一个恒流电路，提供约20mA的恒定电流；U4和电阻R21、电阻R25构成一个恒流电路，提供约20mA的恒定电流。这两部分的输出同时连接采样电阻R32的两端。

分析图4电路可知，当PWM输出为低电平时，三极管T3不导通，三极管T2导通，U4和U3工作，电路输出约40mA的恒定电流；当PWM输出为高电平时，三极管T3导通，三极管T2不导通，U4和U3不工作，电路无输出。

由此可知，加热驱动电路与电压检测模块的电流切换部分工作状态完全相反。因此，为了避免加热电路对于温度检测的影响，提高温度控制精度，在本设计中，加热与检测是分电路、分时段进行的,即加热电路与检测电路均连接到传感器加热线端。当控制芯片PWM输出时（PWM周期为10ms），高电平状态，加热电路导通，检测电路不导通，实现传感器加热；低电平状态，加热电路不导通，检测电路导通，实现传感器温度检测。加热电路关断与检测电路导通之间设计程序延时，保证系统稳定切换。

图5为U1A差分放大电路。电路设计中，信号输入至电阻R12，电阻R12的另一端连接电阻R9和放大器U1A的3管脚。电阻R9的另一端与U1A的4引脚连接至数字地。U1A的2管脚连接电阻R11和电阻R10。电阻R11的另一端连接数字地，电阻R10的另一端连接U1A的输出1管脚。放大器U1A的8引脚连接3.3V供电电源。

在这部分放大电路中，通过调节电阻R11和电阻R10的阻值大小，可以在一定范围内，任意调节放大电路的放大倍数。同时，需要匹配电阻R12和电阻R9的阻值，从而实现差分放大。差分放大电路的运用，有效地抑制了共模信号，放大差模信号，极大地降低了噪声的影响，改善了电路的信噪比。

同时，需要注意到，加热部分的地线需要与信号放大部分的地线进行隔离，避免地线对信号的干扰，减少系统噪声，提高信噪比。

加热驱动电路与电压检测电路均需要连接氮氧传感器的加热铂电阻，用于根据温度控制信号控制加热器。

基于该新型设计，电压检测模块实现对氮氧传感器的信号采集，替代了基于一般分离元器件构成的信号采集电路，微控制器则只需要接收该模块采集内阻测量电压信号，进行相应运算处理，实现了对氮氧传感器温度的闭环精确控制。因此，基于本发明所设计的氮氧传感器加热设计简化了氮氧传感器的信号采集和温度的控制，提高了氮氧传感器加热系统的温度控制性能和检测精度。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种氮氧传感器加热装置，包括微控制器模块、加热驱动模块、电压检测模块和显示模块，其特征在于：所述电压检测模块包括信号放大部分和恒定电流部分，所述微控制器模块包括TIM定时器部分、A/D转换部分和FSMC部分，信号放大部分连接微控制器的A/D转换部分，微控制器的TIM定时器部分产生的PWM同时控制连接加热驱动模块和电压检测模块的恒定电流部分，电压检测模块和加热驱动模块同时连接氮氧传感器的加热铂电阻，微控制器的FSMC部分连接显示模块TFTLCD。

2.如权利要求1所述的氮氧传感器加热装置，其特征在于：所述加热驱动模块的电路组成包括电阻R16一端连接微控制器模块输出的PWM信号，电阻R16的另一端连接三极管T1的B极，三极管T1的E极连接模拟地，三极管T1的C极连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端同时与电容C20的一端、电阻R13的一端、稳压二极管P_D2的阳极以及功率MOS管Q1的G极连接，功率MOS管Q1的S极与电容C20的另一端、电阻R13的另一端、稳压二极管P_D2的阴极共同连接24V电压，功率MOS管Q1的D极连接加热铂电阻。

3.如权利要求1所述的氮氧传感器加热装置，其特征在于：所述电压检测模块的电路组成包括电阻R33的一端连接微控制器模块输出的PWM信号，电阻R33另一端连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端连接三极管T3的B极，三极管T3的E极连接数字地，三极管T3的C极连接电阻R17的一端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接三极管T2的B极，三极管T2的C极与电阻R17的另一端同时连接24V供电电压，三极管T2的E极连接电阻R20的一端、磁珠P_L4的一端和LC1920恒流源芯片U4的1管脚，电阻R20的另一端连接LC1920恒流源芯片U4的3管脚和电阻R24的一端，电阻R24的另一端连接LC1920恒流源芯片U4的2、4管脚以及输出电阻R32，磁珠P_L4的另一端连接电阻R21的一端和LC1920恒流源芯片U3的1管脚，电阻R21的另一端连接LC1920恒流源芯片U3的3管脚和电阻R25的一端，电阻R25的另一端连接LC1920恒流源芯片U3的2、4管脚以及输出电阻R32。

4.如权利要求1所述的氮氧传感器加热装置，其特征在于：所述电压检测模块的信号放大部分的电路包括信号输入至电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电阻R9的一端和放大器U1A的3管脚，电阻R9的另一端与U1A的4引脚连接至数字地，U1A的2管脚连接电阻R11的一端和电阻R10的一端，电阻R11的另一端连接数字地，电阻R10的另一端连接U1A的输出1管脚，放大器U1A的8引脚连接3.3V供电电源。