一種多功能發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器的設(shè)計
信號發(fā)生器作為電控測量系統(tǒng)中應(yīng)用最為普通的電控測量儀器之一,是工業(yè)控制、教學(xué)、科研常用的基本儀器。雖然市場上逐漸出現(xiàn)了各種信號發(fā)生器,但其仍然擺脫不了體積大、操作按鈕多、價格昂貴等缺點,給動力系統(tǒng)工程人員外出調(diào)試和檢修電控設(shè)備帶來了不便??紤]到諸多因素,很有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡單、攜帶和使用方便的多功能發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器。它能在不啟動發(fā)動機的情況下,模擬產(chǎn)生并輸出供現(xiàn)場所需的轉(zhuǎn)速(頻率)信號、給定電流信號來對電控設(shè)備(如電子調(diào)速器等)進(jìn)行調(diào)試,可大幅度地節(jié)省做試驗的費用(如燃油費用等),且調(diào)節(jié)精度高;在開機的狀態(tài)下可以檢測外部信號的頻率(即現(xiàn)場發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號),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)動機轉(zhuǎn)速模擬器的成功研制將給動力系統(tǒng)工程技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場測試帶來極大的方便,且具有較高的實用價值、經(jīng)濟價值。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
多功能發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。它主要由電源、頻率信號產(chǎn)生、頻率信號調(diào)理、頻率信號測量、電流信號產(chǎn)生、電流信號測量及單片機測量顯示等模塊構(gòu)成??赏ㄟ^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,也可通過電流調(diào)整旋鈕使其輸出可調(diào)電流信號0~20 mA,并由數(shù)碼管顯示,此外它還能檢測外部輸入信號的頻率。由于調(diào)試對象主要是發(fā)動機,所以轉(zhuǎn)速測量是該轉(zhuǎn)速模擬器的另一獨特功能。
2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 信號產(chǎn)生電路
(1)頻率信號產(chǎn)生電路
頻率信號產(chǎn)生電路如圖2所示。
本電路模塊的核心部件選用的是LM331電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片。它是美國NS公司生產(chǎn)的性能價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,與周圍電路一起實現(xiàn)V/F功能。其輸出信號的頻率可用公式(1)計算:
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Q;C。電容的單位為F;fout的單位為Hz,表示U1輸出的頻率值??梢姡盘栴l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的穩(wěn)定。這里采用的電阻都是金屬膜電阻器。
(2)電流信號產(chǎn)生電路
電流信號產(chǎn)生電路如圖3所示。本電路模塊和頻率信號產(chǎn)生模塊共用一個滑動變阻器W1。接線如下:J3-1、J3-2、J3-3分別接頻率信號產(chǎn)生電路中的J1-1、J1-2、J1-3,通過選段開關(guān)來選擇頻率、電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值可實現(xiàn)O~20 mA的電流輸出。該電路選用的核心部件是AD*。AD*是一種單片電壓電流轉(zhuǎn)換器(以下簡稱V/I)。它將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的O~20 mA電流信號,可廣泛用于壓力、流量、溫度等信號的參數(shù)傳遞,并對閥、調(diào)節(jié)器以及過程控制中一些常用設(shè)備的控制。
2。2頻率信號調(diào)理電路
頻率信號調(diào)理電路如圖4所示。由于頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的波形不是很規(guī)則,須經(jīng)過CD4013進(jìn)行整形處理,最后被單片機采集和LED顯示。若K1閉合,則短接了內(nèi)部信號和地,此時就可以取得外部脈沖信號(如從柴油機磁電傳感器來的正弦信號),因為T1和CD4013會將它們整形成脈寬比為1:1的方波,同樣可被單片機所采集。需要注意的是,單片機計算脈沖個數(shù)時,應(yīng)該考慮的是被分頻之后的脈沖信號,所以在軟件里對所計的脈沖數(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AD*產(chǎn)生的O~20 mA電流,轉(zhuǎn)換成O~2.O V的模擬電壓信號后,連接到MAXl44的CH0和CHl端口。由于模擬信號電壓范圍為0~2.O V,因此可將MAXl44的參考基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2.048 V,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單片機測量顯示電路
測量顯示電路的核心部件是AT89C2051單片機,電路如圖6所示。其中復(fù)位看門狗采用MAX813L,實現(xiàn)上電復(fù)位和程序監(jiān)測(在程序中實現(xiàn));發(fā)動機齒數(shù)由人工根據(jù)實際的齒數(shù)來設(shè)定,并被單片機所讀取;MAX7219為BCD譯碼器,起顯示驅(qū)動作用;微處理器采用Atmel公司的AT89C2051,其內(nèi)部含2 KB程序存儲器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、15個I/O口及2個定時器,足夠為本多功能轉(zhuǎn)速模擬器使用。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。它包括頻率/轉(zhuǎn)速測量、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)速測量軟件設(shè)計
當(dāng)電路一上電,MAX813L產(chǎn)生復(fù)位信號,促使單片機復(fù)位,程序跳至起始地址0000h,首先對內(nèi)部寄存器和MAX7219初始化,如T0、T1、TMOD,接著對T0、T1、EXl開中斷。喂狗語句放在循環(huán)查詢處,給MAX813L喂狗的時間間隔應(yīng)小于1.6 s,否則它將再次產(chǎn)生復(fù)位信號,擾亂程序的正常運行。接著檢測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,則單片機在信號下降沿被觸發(fā)中斷,開通T1定時、T0計數(shù)。當(dāng)T1定時1 s到,關(guān)閉T0、T1,讀取T0值后,再對T0、T1開中斷,重新計時計脈沖數(shù)。接著計算(T0值乘以2)、判斷(當(dāng)不超過9999或等于0時,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,這就是測量信號頻率的原理;若數(shù)值不合法,LED將不顯示或顯示0,此時應(yīng)調(diào)整W1直到合法。外來信號的頻率測量和顯示程序同前(需將扭轉(zhuǎn)開關(guān)旋到輸入檔)。若P2.7腳為低電平,則測量的是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,需將前面的頻率值代入轉(zhuǎn)速公式
n=(f·60)/k(2)
式中:n為柴油機轉(zhuǎn)速(r/min),廠為所測到的頻率值(Hz),k為發(fā)動機測速齒輪的齒數(shù)。
可見單片機需要讀取齒數(shù)值,然后計算并判斷(n不大于9999),并送LED顯示。需注意的是:上面所講的是先通過在1 s時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)進(jìn)行累加計數(shù),再代入公式(2)計算轉(zhuǎn)速。這種測量方法稱為測頻法。當(dāng)發(fā)動機在低速下運轉(zhuǎn)時,則要使用測周期法:先測出脈沖平均周期,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)速公式計算,顯示后跳至循環(huán)查詢處,并繼續(xù)查詢定時中斷。
3.2 串行A/D轉(zhuǎn)換值的讀取軟件設(shè)計
由于MAX144與單片機的接口十分簡單,只需3根I/O線即可,故本系統(tǒng)使用單片機的P1.O、P1.1、P1.2。該電路采用內(nèi)部時鐘模式,單片機通過編程產(chǎn)生串行時鐘,并按時序讀出數(shù)據(jù),其A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(16位)可以存于MAXl44內(nèi)部的存儲單元R2、R3中,通過標(biāo)志位CHID可以區(qū)分CH0和CHl通道,然后將高4位屏蔽即可得到實際的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),利用ANLR3,0FH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,然后利用單片機內(nèi)設(shè)定的程序轉(zhuǎn)換(OFFFH對應(yīng)為2.048 V,即20.48 mA;0000H對應(yīng)為0 V,即0 mA),即可顯示電流值的大小。
結(jié) 語
本多功能發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器使用器件少,成本低,調(diào)節(jié)方便,易于實現(xiàn)。通過調(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。