本發(fā)明屬于汽車電子傳感檢測領(lǐng)域，更具體地，涉及一種寬域氧傳感器控制器。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界各國的汽車保有量迅速增加，這一趨勢提高了居民的生活水平，但也加劇環(huán)境污染和能源短缺問題。汽車排放的尾氣中主要包含CO,NOx,SOx和PM2.5等有害氣體和物質(zhì)，這些是溫室效應(yīng)和霧霾形成主要原因。寬域氧傳感器，簡稱λ(空氣燃油比例)傳感器，是現(xiàn)實應(yīng)用最為廣泛的汽車尾氣氧含量檢測裝置，其通過檢測汽車尾氣中的氧氣濃度，并將檢測結(jié)果反饋給發(fā)動機電子控制單元(ECU)以提高發(fā)動機的燃燒性能，同時，提高汽車尾氣處理系統(tǒng)中三元催化劑的催化效率，減少有害氣體排放。高性能的寬域氧傳感器控制器是保證寬域氧傳感器檢測精度的關(guān)鍵，因此寬域氧傳感器控制器的設(shè)計開發(fā)顯得尤為重要。

通過檢索現(xiàn)有文獻資料，發(fā)現(xiàn)關(guān)于寬域氧傳感器的研究主要集中在寬域氧傳感器的內(nèi)部材料和內(nèi)部測量結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)制造方面。同時國內(nèi)在寬域氧傳感器控制器方面的研究不具有系統(tǒng)性，例如揚州清瑪汽車有限公司公開的一種汽車發(fā)動機寬域氧傳感器泵單元的控制及信號采集電路，僅提供了一種針對控制器內(nèi)部某一模塊的硬件設(shè)計.

寬域氧傳感器的基本工作原理的、工作溫度特性以及其在材料方面的組成和電化學(xué)特性與固體氧化物燃料電池的特性基本一致。寬域氧傳感器的控制器開發(fā)的包括溫度控制和泵單元控制兩個方面，其中溫度控制的難點在于溫度的測量和控制，測量和控制可以參考固體氧化物燃料電池的溫度測量和控制，即基于氧化鋯基底材料的電阻溫度特性實現(xiàn)溫度的測量，并進行溫度反饋控制。

現(xiàn)有國內(nèi)外關(guān)于寬域氧傳感器控制器的研究存在以下缺陷：(1)寬域氧傳感器控制器的開發(fā)不具有系統(tǒng)性，只針對控制器的部分功能進行開發(fā)和模擬仿真；(2)現(xiàn)有的寬域氧傳感器控制器設(shè)計，兼容性不夠強，主要是針對某一具體的型號的產(chǎn)品進行開發(fā)，控制器不能很好地兼容系列產(chǎn)品。(3)開發(fā)出來的控制器在功能上實現(xiàn)，但是控制測量精度上不能達到國外控制器的水平。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有寬域氧傳感器控制器開發(fā)的不足，本發(fā)明結(jié)合固體氧化物燃料電池和寬域氧傳感器的基本工作和溫度控制要求，提供了一種基于集成接口電路模塊所設(shè)計的寬域氧傳感器控制器，簡化了寬域傳感器的信號采集和泵單元的控制，提高了寬域傳感器控制器的控制性能和寬域傳感器的檢測精度，同時增強了寬域氧傳感器控制器的兼容性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于固體氧化物燃料電池的寬域氧傳感器控制器，所述控制器包括：集成接口電路模塊、加熱驅(qū)動模塊和微控制器；其中，

所述集成接口電路模塊通過信號線與寬域氧傳感器的電極連接，通過能斯特電極和參考電極加載電流信號以測量寬域氧傳感器感應(yīng)單元的內(nèi)阻，并輸出相應(yīng)的內(nèi)阻測量電壓信號至微控制器；同時，集成接口電路模塊輸出泵電壓控制信號至寬域氧傳感器的泵單元，并檢測控制回路上的電流信號，輸出與泵電流呈線性關(guān)系的泵電流檢測電壓信號至微控制器；

所述微控制器分別連接集成接口電路模塊和加熱驅(qū)動模塊，用于采集寬域氧傳感器內(nèi)阻測量電壓信號和與泵電流呈線性關(guān)系的泵電流檢測電壓信號，進行控制運算處理，輸出溫度控制信號至加熱驅(qū)動模塊；同時，微控制器還經(jīng)過運算處理得到氧濃度及空燃比A/F值，并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號輸出；

所述熱驅(qū)動模塊連接寬域氧傳感器的加熱器，用于根據(jù)溫度控制信號控制加熱器。

進一步地，所述集成接口電路模塊包括：

泵單元電壓控制信號輸出子模塊，用于將能斯特(Nernst)電極上的測量電壓信號與其內(nèi)部設(shè)定的能斯特參考電壓的偏差值作為PID運算的輸入，經(jīng)過PID運算處理輸出泵單元電壓控制信號至寬域氧傳感器泵電極(pump)。

內(nèi)阻測量電壓信號輸出子模塊，用于輸出電流信號分別至能斯特電極及內(nèi)阻測量參考電阻，得到內(nèi)阻測量電壓信號并將其輸出至微控制器；

泵電流檢測電壓信號輸出子模塊，用于檢測寬域氧傳感器泵單元的控制回路上的電流信號，對該電壓信號進行放大線性化處理，輸出與泵電流呈線性關(guān)系的泵電流檢測電壓信號至微控制器。

進一步地，所述微控制器包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和溫度控制模塊；其中，

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于接收并模數(shù)轉(zhuǎn)換所述內(nèi)阻測量電壓信號、泵電流檢測電壓信號；

所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的信號進行運算處理，得到氧濃度及空燃比值；

所述D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將氧濃度及空燃比轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電壓信號輸出；

所述溫度控制模塊，用于根據(jù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的內(nèi)阻測量電壓信號，進行溫度PID控制運算，并向加熱驅(qū)動模塊輸出溫度控制信號。

進一步地，所述系統(tǒng)還包括顯示模塊，用于顯示氧濃度及空燃比。

進一步地，所述系統(tǒng)還包括通信模塊，用于將氧濃度及空燃比發(fā)送上位機軟件。

進一步地，所述系統(tǒng)還包括型號切換組合開關(guān)，用于改變寬域氧傳感器的工作模式使其兼容不同型號的氧傳感器。

進一步地，所述溫度控制信號為脈寬調(diào)制信號。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

(1)本發(fā)明電池工作溫度特性和電池內(nèi)阻測量方法，設(shè)計采用集成接口電路模塊實現(xiàn)對寬域氧傳感器的信號采集和泵單元的控制，簡化了寬域氧傳感器控制器的硬件電路設(shè)計以及溫度的測量和控制，進一步提高了寬域氧傳感器的控制性能和寬域氧傳感器的檢測性能；

(2)此外，本發(fā)明系統(tǒng)中寬域氧傳感器的溫度控制采用PWM控制實現(xiàn)，使得溫度控制的精度更高；

(3)基于本發(fā)明所設(shè)計的寬域氧傳感器控制器控制系統(tǒng)，可以以模擬電壓形式以及CAN總線或者串口通信的方式輸出檢測得到的氧濃度O₂值及空燃比A/F至上位機監(jiān)測軟件。

附圖說明

圖1為寬域氧傳感器控制器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為寬域氧傳感器控制器較佳實施例的CJ125集成接口電路圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，圖中左側(cè)1為寬域氧傳感器示意圖，右側(cè)2為寬域氧傳感器控制器結(jié)構(gòu)圖。

所述控制器包括：集成接口電路模塊3、加熱驅(qū)動模塊4和微控制器5；其中：

所述集成接口電路模塊3通過信號線與寬域氧傳感器的電極連接，通過能斯特電極和參考電極加載電流信號以測量寬域氧傳感器感應(yīng)單元的內(nèi)阻，并輸出相應(yīng)的內(nèi)阻測量電壓信號至微控制器5；同時，集成接口電路模塊3輸出泵電壓控制信號至寬域氧傳感器的泵單元，并檢測控制回路上的電流信號，輸出與泵電流呈線性關(guān)系的泵電流檢測電壓信號至微控制器5。

所述微控制器5分別連接集成接口電路模塊3和加熱驅(qū)動模塊4，用于采集寬域氧傳感器內(nèi)阻測量電壓信號和與泵電流呈線性關(guān)系的泵電流檢測電壓信號，進行控制運算處理，輸出溫度控制信號至加熱驅(qū)動模塊4；同時，微控制器5還經(jīng)過運算處理得到氧濃度及空燃比A/F值，并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號輸出。

所述加熱驅(qū)動模塊4連接寬域氧傳感器的加熱器，用于根據(jù)所述溫度控制信號控制加熱器。

所述微控制器5包括A/D轉(zhuǎn)換模塊9、數(shù)據(jù)處理模塊10、D/A轉(zhuǎn)換模塊11和溫度控制模塊12；其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊9用于接收并模數(shù)轉(zhuǎn)換所述內(nèi)阻測量電壓信號、泵電流檢測電壓信號；所述數(shù)據(jù)處理模塊10用于根據(jù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊9轉(zhuǎn)換后的信號進行運算處理，得到氧濃度及空燃比值；所述D/A轉(zhuǎn)換模塊11用于將氧濃度O2％值及空燃比A/F值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電壓信號輸出；所述溫度控制模塊12用于根據(jù)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊9轉(zhuǎn)換后的內(nèi)阻測量電壓信號，進行溫度PID控制運算，并向加熱驅(qū)動模塊4輸出溫度控制信號。

所述系統(tǒng)還包括顯示模塊6用于顯示氧濃度及空燃比。

所述系統(tǒng)還包括通信模塊7用于將氧濃度及空燃比發(fā)送上位機軟件。

所述系統(tǒng)還包括型號切換組合開關(guān)14用于改變寬域氧傳感器的工作模式使其兼容不同型號的氧傳感器。

寬域氧傳感器可以選擇譬如Bosch LSU系列的LSU4.2和LSU4.9型號。

CJ125集成接口電路模塊3是Bosch公司針對寬域氧傳感器控制器設(shè)計所開發(fā)的一款集成應(yīng)用電路模塊，實際應(yīng)用中也可以選擇CJ135集成接口電路模塊。圖2基于CJ125典型應(yīng)用電路，連接寬域氧傳感器和CJ125模塊3，并將CJ125的測量信號輸出端口、控制端口和SPI通信端口與控制器單元5連接；在本實施例中，選擇STM32F103VET6作為主控制器，基于其最小系統(tǒng)構(gòu)建微控制器；顯示裝置采用八位的LCD顯示屏；加熱驅(qū)動模塊基于功率Mos管實現(xiàn)，最大功率大于40W；通信模塊采用RS232串口通信方式實現(xiàn)。

CJ125集成接口電路模塊一方面輸出恒定的電流信號至寬域氧傳感器的感應(yīng)單元和內(nèi)阻測量參考電阻上，并將對應(yīng)的電壓信號輸出至微控制器；另一方面CJ125集成接口電路模塊采集寬域氧傳感應(yīng)單元的上的能使特電壓與其內(nèi)部的能使特參考電壓450mV比較形成偏差，作為CJ125集成接口電路模塊內(nèi)部泵單元模擬PID控制的偏差輸入信號，同時CJ125集成接口電路模塊經(jīng)過模擬PID控制運算后輸出泵電壓控制信號加載在寬域氧傳感器的泵單元上，同時CJ125集成接口電路模塊可以檢測泵單元控制回路上的泵電流信號，并輸出與泵電流呈線性關(guān)系的電壓信號至微控制器。型號切換組合開關(guān)用于選擇LSU4.2和LSU4.9所對應(yīng)的感應(yīng)單元內(nèi)阻80Ω和300Ω的選擇，同時用于給微控制器工作模式選擇觸發(fā)信號。

微控制器中集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊采集內(nèi)阻測量電壓信號和泵電流檢測電壓信號，一方面微控制器基于內(nèi)阻測量電壓信號進行數(shù)字PID運算，并輸出溫度控制PWM信號至加熱驅(qū)動模塊，加熱驅(qū)動模塊根據(jù)溫度控制信號PWM控制寬域氧傳感器的加熱器功率，以實現(xiàn)溫度控制。另一方面，微控制器基于泵電流檢測電壓信號，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理運算得到氧濃度O₂％值及空燃比A/F值并存儲。氧濃度O2％值及空燃比A/F值可以通過微控制器中集成的D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號輸出，也可以直接輸出到顯示顯示裝置顯示。為了拓展寬域氧傳感器的產(chǎn)品測試功能，圖1中的通信模塊采用串口通信，微控制器可以通過通信模塊把氧濃度O2％值及空燃比A/F值發(fā)送到上位機軟件。

基于該方案，CJ125集成接口電路模塊實現(xiàn)對寬域氧傳感器的信號采集和泵單元的控制，替代了基于一般分離元器件構(gòu)成的信號采集和泵單元的控制電路，微控制器則只需要接收CJ125集成接口電路采集內(nèi)阻測量電壓信號和泵電流檢測電壓信號，進行相應(yīng)運算處理，實現(xiàn)對寬域傳感器溫度的控制、數(shù)據(jù)處理和信息輸出。因此，基于本發(fā)明所設(shè)計寬域傳感器控制器簡化了寬域傳感器的信號采集和泵單元的控制，提高了寬域傳感器控制器的控制性能和寬域傳感器的檢測精度，同時增強了寬域氧傳感器控制器的兼容性。