基于單片機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速時(shí)間測(cè)量方法

1 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，需要精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)各工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速及從慢車到最大狀態(tài)的加速時(shí)間，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用指針表測(cè)量轉(zhuǎn)速和人工操作秒表測(cè)量時(shí)間。由于指針轉(zhuǎn)速表慣性大，分辨率低，加上人工秒表記時(shí)全靠手疾眼快，主觀影響大，因此很難實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。在本系統(tǒng)中，我們采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器來完成轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量，同時(shí)利用程序判別發(fā)動(dòng)機(jī)從慢車到最大狀態(tài)過程的開始時(shí)刻和終止時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)精確的加速過程時(shí)間的測(cè)量。

2　原理分析

轉(zhuǎn)速測(cè)量：

發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器輸出頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，本系統(tǒng)采用頻率測(cè)量法，即通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的輸出頻率來得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)的頻率太低，如果直接利傳感器輸出的頻率來計(jì)數(shù)，其轉(zhuǎn)速測(cè)量分辨率也很低，因此在轉(zhuǎn)速信號(hào)的預(yù)處理電路中對(duì)經(jīng)放大整形后的脈沖信號(hào)還進(jìn)行了鎖相倍頻處理，以提高轉(zhuǎn)速的測(cè)量分辨率和測(cè)量精度。

脈沖頻率的計(jì)數(shù)由單片機(jī)內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間（時(shí)基）由晶振提供，閘門時(shí)間脈沖通過控制外部中斷來控制計(jì)數(shù)的開始與停止，此設(shè)計(jì)中還利用了數(shù)字濾波技術(shù)來提高轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性。

加速時(shí)間的測(cè)量：

典型的發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程如下圖1所示：

如圖中所示，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的加速時(shí)間通常是測(cè)量慢車狀態(tài)到最大狀態(tài)的時(shí)間。根據(jù)試車大綱的操作要求，從慢車狀態(tài)快推油門到最大，轉(zhuǎn)速從慢車轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值的時(shí)間即為加速時(shí)間，即圖1中的t1時(shí)間。時(shí)間測(cè)量的開始時(shí)刻通過一個(gè)開關(guān)控制，在測(cè)量時(shí)由操作員在推油門的同時(shí)通過閉合該開關(guān)來啟動(dòng)計(jì)時(shí)，因此，用單片機(jī)測(cè)量加速時(shí)間的關(guān)鍵是如何正確判別加速過程的終止時(shí)刻。

我們采用的判別方法如下：計(jì)時(shí)開始后，單片機(jī)程序一方面測(cè)量轉(zhuǎn)速，另一方面不斷將當(dāng)前測(cè)量值與上次測(cè)到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，如果大于上次的測(cè)量值則說明加速過程未結(jié)束，如果等于或小于上次的測(cè)量值則說明加速過程已結(jié)束，單片機(jī)通過輸出結(jié)束計(jì)數(shù)命令停止計(jì)數(shù)。

為了提高判別的可靠性，降低由于轉(zhuǎn)速擺動(dòng)等干擾所造成的誤判，軟件設(shè)計(jì)規(guī)定必須在連續(xù)兩個(gè)閘門時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速測(cè)量值不大于上次的測(cè)量值，才被認(rèn)為轉(zhuǎn)速的加速時(shí)間已結(jié)束，但由此引起判斷的時(shí)間的滯后（見圖１中的td）。因?yàn)殚l門時(shí)間是確定的，所以可以很容易地通過軟件對(duì)滯后時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。

時(shí)間計(jì)數(shù)器件采用通用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖由時(shí)基電路產(chǎn)生，頻率為10赫茲。加速時(shí)間的分辨率為0.1秒。

3　具體實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)量頻率

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，我們所用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分時(shí)傳感器輸出頻率為83.3333Hz，因此，根據(jù)前面的原理分析，為了減小誤差，首先要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行倍頻，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)總倍頻系數(shù)300，并取閘門時(shí)間取為0.2S。51系列單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們具有計(jì)數(shù)器和定時(shí)器兩種工作方式和4種工作模式，通過設(shè)置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時(shí)，單片機(jī)設(shè)有兩個(gè)外部中斷請(qǐng)求輸入線INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在此，我們采用計(jì)數(shù)器T1的16位計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) (83.3333*300)*0.2=5000，并從INT0輸入0.2秒的外部定時(shí)中斷，T1在0.2秒內(nèi)計(jì)數(shù)5000，測(cè)量時(shí)，每次采到的頻率先乘以 2后再做運(yùn)算。

3.2 上升時(shí)間的測(cè)量

用從晶振來的10Hz頻率信號(hào)作為時(shí)間測(cè)量的計(jì)數(shù)輸入，計(jì)數(shù)開始時(shí)間由開關(guān)（面板上的開始開關(guān)）和轉(zhuǎn)速輸入（轉(zhuǎn)速必須大于3000轉(zhuǎn)/分）決定。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)值（如3000轉(zhuǎn)/分），單片機(jī)系統(tǒng)準(zhǔn)備計(jì)數(shù)，時(shí)間顯示器的小數(shù)點(diǎn)以每秒兩次的速度閃爍，提醒準(zhǔn)備按計(jì)數(shù)起始按鈕?！　　　　　　　　　　　　　　?/p>

具體計(jì)時(shí)由INT1中斷完成，在中斷程序中完成對(duì)外部0.1秒定時(shí)脈沖輸入的計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)的結(jié)束時(shí)間由轉(zhuǎn)速的峰值時(shí)刻決定。轉(zhuǎn)速峰值時(shí)刻的判斷方法：記錄用傳感器輸出頻率的2倍頻信號(hào)T1，當(dāng)此次T1值如果大于上次T1值，則該次T1存入峰值單元；如果所測(cè)得的T1連續(xù)3次（0.6S）不大于所記錄峰值，則認(rèn)為峰值已過。為補(bǔ)償0.6S滯后時(shí)間，接到“開始計(jì)時(shí)”指令時(shí)，延時(shí)0.6S才開始計(jì)時(shí)。

3.3 系統(tǒng)方框圖

圖2　系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)方框圖說明：
    1 看門狗輸入脈沖；
    2 看門狗復(fù)位脈沖；
    3 系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)，為提高測(cè)量顯示的穩(wěn)定度，通過數(shù)字開關(guān)選擇濾波系數(shù)。濾波系數(shù)（平均次數(shù)）可在1-16之間由開關(guān)設(shè)定，濾波系數(shù)越大，轉(zhuǎn)速測(cè)量速度越慢，但測(cè)量顯示越穩(wěn)定。

濾波系數(shù)由系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)的最右4位設(shè)置：

顯示速率分4擋,分別表示每秒顯示5次、2.5次、1.25次、0.625次。

顯示分辨率也分4擋，分別表示的顯示分辨率為1、5、10、50。

3.4 程序流程

3.5 操作面板設(shè)計(jì)

在操作面板中，設(shè)計(jì)兩個(gè)顯示窗，一個(gè)5位，用于顯示發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)得的轉(zhuǎn)速；一個(gè)3位，用于加速時(shí)間的顯示；一個(gè)開始開關(guān)，用于加速時(shí)間計(jì)時(shí)的開始，一個(gè)復(fù)位開關(guān)，用于系統(tǒng)的復(fù)位，一個(gè)“測(cè)量/自校”開關(guān)，用于系統(tǒng)的測(cè)量與自校準(zhǔn)模式的選擇，可選擇自校方式，進(jìn)行儀器自我檢驗(yàn)，打到“測(cè)量”，則進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量。

4　結(jié)束語　　

本系統(tǒng)基于單片機(jī)完成某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與加速時(shí)間的測(cè)量，對(duì)原來的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)方式進(jìn)行了改進(jìn)，提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度和加速時(shí)間的客觀性，準(zhǔn)確性和工作效率，系統(tǒng)中設(shè)置有系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際工作情況設(shè)置濾波系數(shù)，顯示頻率，顯示分辨率，方便用戶的使用，同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)置有看門狗復(fù)位電路，能夠自動(dòng)監(jiān)控程序的運(yùn)行，在系統(tǒng)走飛死機(jī)時(shí)可自動(dòng)復(fù)位，重新進(jìn)入正常進(jìn)行狀態(tài)，提高了可靠性，本系統(tǒng)已經(jīng)投入到實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用當(dāng)中，并被證明可完全滿足實(shí)際工作要求。

5　參考文獻(xiàn)
[1]吳道悌 . 非電量電測(cè)技術(shù)[M] . 西安交通大學(xué)出版社，2002
[2]馬忠梅，籍順心 . 單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M] . 北京航空航天大學(xué)出版社，2001
[3]李軍，華建國(guó) . 飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)原理[M] . 空軍工程大學(xué)工程學(xué)，1992
[4]江曉安，董秀峰 . 模擬電子技術(shù)[M] . 西安電子科技大學(xué)出版社，2003
[5]張振榮，晉明武等 . MCS－51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M] . 人民郵電出版社，2000