多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器設(shè)計(jì)

摘要 主要介紹多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器的結(jié)構(gòu)原理、硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要以AT89C2051單片機(jī)為核心部件，通過(guò)頻率信號(hào)產(chǎn)生電路、頻率信號(hào)調(diào)理電路、看門狗復(fù)位電路、電流產(chǎn)生電路、電流測(cè)量電路、齒數(shù)設(shè)定電路、MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)電路和LED顯示電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器不僅能夠提供所需的方波信號(hào)，且頻率調(diào)節(jié)精度高，能實(shí)現(xiàn)電流的輸出，還可以檢測(cè)外部信號(hào)的頻率及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
關(guān)鍵詞 發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速模擬器 AT89C2051 電流輸出 MAXl44 AD694

    信號(hào)發(fā)生器作為電控測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用最為普通的電控測(cè)量?jī)x器之一，是工業(yè)控制、教學(xué)、科研常用的基本儀器。雖然市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)了各種信號(hào)發(fā)生器，但其仍然擺脫不了體積大、操作按鈕多、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，給動(dòng)力系統(tǒng)工程人員外出調(diào)試和檢修電控設(shè)備帶來(lái)了不便?？紤]到諸多因素，很有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶和使用方便的多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器。它能在不啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，模擬產(chǎn)生并輸出供現(xiàn)場(chǎng)所需的轉(zhuǎn)速(頻率)信號(hào)、給定電流信號(hào)來(lái)對(duì)電控設(shè)備(如電子調(diào)速器等)進(jìn)行調(diào)試，可大幅度地節(jié)省做試驗(yàn)的費(fèi)用(如燃油費(fèi)用等)，而且調(diào)節(jié)精度高；在開機(jī)的狀態(tài)下可以檢測(cè)外部信號(hào)的頻率(即現(xiàn)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào))，進(jìn)行數(shù)值顯示，并且系統(tǒng)采用電池供電，所以該多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器的成功研制將給動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試帶來(lái)極大的方便，且具有較高的實(shí)用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。它主要由電源、頻率信號(hào)產(chǎn)生、頻率信號(hào)調(diào)理、頻率信號(hào)測(cè)量、電流信號(hào)產(chǎn)生、電流信號(hào)測(cè)量及單片機(jī)測(cè)量顯示等模塊構(gòu)成。可通過(guò)頻率調(diào)整旋鈕使其輸出頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，也可通過(guò)電流調(diào)整旋鈕使其輸出可調(diào)電流信號(hào)O～20 mA，并由數(shù)碼管顯示，此外它還能檢測(cè)外部輸入信號(hào)的頻率。由于調(diào)試對(duì)象主要是發(fā)動(dòng)機(jī)，所以轉(zhuǎn)速測(cè)量是該轉(zhuǎn)速模擬器的另一獨(dú)特功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 信號(hào)產(chǎn)生電路
    (1)頻率信號(hào)產(chǎn)生電路
    頻率信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示。

    本電路模塊的核心部件選用的是LM331電壓一頻率轉(zhuǎn)換芯片。它是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，具有頻率可調(diào)范圍大、低非線性、轉(zhuǎn)換精度高、可單電源供電等特點(diǎn)，與周圍電路一起實(shí)現(xiàn)V／F功能。其輸出信號(hào)的頻率可用公式(1)計(jì)算：

    fout=(Vin×R2)÷（2.09×R1×R3×C2）    （1）

式中：Vin的單位為V，表示U1的轉(zhuǎn)換電壓；R1、R2、R3電阻的單位為Ω；C1電容的單位為F；fout的單位為Hz，表示U1輸出的頻率值?？梢姡盘?hào)頻率與Vin成正比，有著很好的線性關(guān)系，只要選擇合適的電阻和電容，且變阻器W1的性能足夠好，就能夠保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。這里采用的電阻都是金屬膜電阻器。
    (2)電流信號(hào)產(chǎn)生電路
    電流信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。本電路模塊和頻率信號(hào)產(chǎn)生模塊共用一個(gè)滑動(dòng)變阻器W1。接線如下：J3—1、J3—2、J3—3分別接頻率信號(hào)產(chǎn)生電路中的J1—1、J1—2、J1—3，通過(guò)選段開關(guān)來(lái)選擇頻率、電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器w1的值可實(shí)現(xiàn)O～20 mA的電流輸出。該電路選用的核心部件是AD694。AD694是一種單片電壓電流轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱V／I)。它將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的O～20 mA電流信號(hào)，可廣泛用于壓力、流量、溫度等信號(hào)的參數(shù)傳遞，并對(duì)閥、調(diào)節(jié)器以及過(guò)程控制中一些常用設(shè)備的控制。

2．2 頻率信號(hào)調(diào)理電路
    頻率信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。由于頻率信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的波形不是很規(guī)則，須經(jīng)過(guò)CD4013進(jìn)行整形處理，最后被單片機(jī)采集和LED顯示。若K1閉合，則短接了內(nèi)部信號(hào)和地，此時(shí)就可以取得外部脈沖信號(hào)(如從柴油機(jī)磁電傳感器來(lái)的正弦信號(hào))，因?yàn)門1和CD4013會(huì)將它們整形成脈寬比為1：1的方波，同樣可被單片機(jī)所采集。需要注意的是，單片機(jī)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮的是被分頻之后的脈沖信號(hào)，所以在軟件里對(duì)所計(jì)的脈沖數(shù)加倍。

2．3 串行A／D轉(zhuǎn)換電路
    串行A／D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。由AD694產(chǎn)生的0～20 mA電流，轉(zhuǎn)換成O～2．O V的模擬電壓信號(hào)后，連接到MAXl44的CHO和CHl端口。由于模擬信號(hào)電壓范圍為O～2．O V，因此可將MAXl44的參考基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2．048V，這樣可以提高轉(zhuǎn)換精度，也便于轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。2．048 V的基準(zhǔn)電壓可由REFl91提供。

2．4 AT89C2051單片機(jī)測(cè)量顯示電路
    測(cè)量顯示電路的核心部件是AT89C2051單片機(jī)，電路如圖6所示。其中復(fù)位看門狗采用MAX813L，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和程序監(jiān)測(cè)(在程序中實(shí)現(xiàn))；發(fā)動(dòng)機(jī)齒數(shù)由人工根據(jù)實(shí)際的齒數(shù)來(lái)設(shè)定，并被單片機(jī)所讀取；MAX7219為BCD譯碼器，起顯示驅(qū)動(dòng)作用；微處理器采用Atmel公司的AT89C2051，其內(nèi)部含2KB程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、15個(gè)I／O口及2個(gè)定時(shí)器，足夠?yàn)楸径喙δ苻D(zhuǎn)速模擬器使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。它包括頻率／轉(zhuǎn)速測(cè)量、串行A／D轉(zhuǎn)換值讀取、數(shù)值顯示及相關(guān)處理部分。

3．1 頻率／轉(zhuǎn)速測(cè)量軟件設(shè)計(jì)
    當(dāng)電路一上電，MAX813L產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，促使單片機(jī)復(fù)位，程序跳至起始地址0000h，首先對(duì)內(nèi)部寄存器和MAX7219初始化，如TO、T1、TMOD，接著對(duì)TO、T1、EXl開中斷。喂狗語(yǔ)句放在循環(huán)查詢處，給MAX813L喂狗的時(shí)間間隔應(yīng)小于1．6 s，否則它將再次產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，擾亂程序的正常運(yùn)行。接著檢測(cè)P1．3腳，若為低電平，則執(zhí)行串行A／D轉(zhuǎn)換值的讀取程序；若為高電平，則單片機(jī)在信號(hào)下降沿被觸發(fā)中斷，開通T1定時(shí)、TO計(jì)數(shù)。當(dāng)T1定時(shí)1 s到，關(guān)閉TO、T1，讀取TO值后，再對(duì)TO、T1開中斷，重新計(jì)時(shí)計(jì)脈沖數(shù)。接著計(jì)算(T0值乘以2)、判斷(當(dāng)不超過(guò)9999或等于O時(shí)，定為合法，并置FLAG標(biāo)志)，然后送MAX7219，經(jīng)其譯碼后在LED上顯示，并有頻率指示燈亮，告知使用者顯示的是頻率值，以便根據(jù)所需調(diào)整旋扭W1(見圖2)，使發(fā)生器發(fā)出想要的頻率值信號(hào)，這就是測(cè)量信號(hào)頻率的原理；若數(shù)值不合法，LED將不顯示或顯示O，此時(shí)應(yīng)調(diào)整W1直到合法。外來(lái)信號(hào)的頻率測(cè)量和顯示程序同前(需將扭轉(zhuǎn)開關(guān)旋到輸入檔)。若P2．7腳為低電平，則測(cè)量的是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，需將前面的頻率值代入轉(zhuǎn)速公式(2)：

    n=(f·60)/k  (2)
式中：n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)，f為所測(cè)到的頻率值(Hz)，k為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)速齒輪的齒數(shù)。
    可見單片機(jī)需要讀取齒數(shù)值，然后計(jì)算并判斷(n不大于9999)，并送LED顯示。需注意的是：上面所講的是先通過(guò)在1 s時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，再代入公式(2)計(jì)算轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法稱為測(cè)頻法。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則要使用測(cè)周期法：先測(cè)出脈沖平均周期，然后使用除法算出頻率值，代入轉(zhuǎn)速公式計(jì)算，顯示后跳至循環(huán)查詢處，然后使用除法算出頻率值，代入轉(zhuǎn)速公式計(jì)算，顯示后跳至循環(huán)查詢處，并繼續(xù)查詢定時(shí)中斷。
3．2 串行A／D轉(zhuǎn)換值的讀取軟件設(shè)計(jì)
    由于MAXl44與單片機(jī)的接口十分簡(jiǎn)單，只需3根I／O線即可，故本系統(tǒng)使用單片機(jī)的P1．O、P1．1、P1．2。該電路采用內(nèi)部時(shí)鐘模式，單片機(jī)通過(guò)編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，并按時(shí)序讀出數(shù)據(jù)，其A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(16位)可以存于MAXl44內(nèi)部的存儲(chǔ)單元R2、R3中，通過(guò)標(biāo)志位CHID可以區(qū)分CHO和CHl通道，然后將高4位屏蔽即可得到實(shí)際的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，利用ANL R3，OFH將高4位屏蔽。該程序結(jié)束后，R3內(nèi)為A／D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)的高4位，R2中為低8位，然后利用單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的程序轉(zhuǎn)換(OFFFH對(duì)應(yīng)為2．048V，即20．48 mA；0000H對(duì)應(yīng)為OV，即O mA)，即可顯示電流值的大小。

結(jié) 語(yǔ)
    本多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器使用器件少，成本低，調(diào)節(jié)方便，易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，只要阻容元件的溫度系數(shù)低，則輸出頻率、電流是相當(dāng)穩(wěn)定的，因此性價(jià)比高。該多功能轉(zhuǎn)速模擬器的使用情況表明，其可靠性好、輸出穩(wěn)定、攜帶方便。