基于AT89C52單片機的飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速在線檢測系統(tǒng)

1、飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速智能檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計胡清陽, 王庸貴, 任德均（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）摘要：文章介紹了以AT89C52單片機為核心的飛機發(fā)動機智能檢測控制系統(tǒng)，通過對轉(zhuǎn)速信號的采集、運算、分析及對步進電機的驅(qū)動控制，帶動儀表指針轉(zhuǎn)動相應(yīng)的刻度來檢測速度變化，從而實現(xiàn)了速度在線智能檢測；給出了系統(tǒng)電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案及采樣信號頻率的算法。系統(tǒng)具有硬件體積小、成本低、檢測精度高、操作方便、智能化較高等特點，應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞：單片機；飛機發(fā)動機；轉(zhuǎn)速；步進電機1 引言隨著飛機性能的不斷發(fā)展，飛機發(fā)動機愈來愈復(fù)雜，需監(jiān)控參數(shù)由幾個增加到幾十。因此，以前靠分

2、離儀表已不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機發(fā)動機性能監(jiān)控的要求，現(xiàn)代飛機發(fā)動機裝備有發(fā)動機參數(shù)采集器，而發(fā)動機參數(shù)采集器是計算機化的全自動設(shè)備，它實時采集飛機發(fā)動機的工作狀態(tài)，并適時將數(shù)據(jù)傳送給其他機載設(shè)備使用，其性能的地面維護和檢測比較困難，為提高校測設(shè)備的自動化水平和檢測精度，設(shè)計了飛機發(fā)動機實時在線檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進的計算機數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)。解決了在地面模擬飛機發(fā)動機工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)實時采集與傳送的矛盾，大大提高了檢測精度，縮短了檢測時間，為提高發(fā)動機參數(shù)采集器的維修效率具有十分重要的意義。2 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)實現(xiàn)對飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速的在線檢測控制，其工作原理是通過硬件設(shè)計對外部轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換、采集，

3、并經(jīng)過AT89C52單片機芯片進行運算處理分析，然后對步進電機進行控制，帶動儀表指針轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度來反映速度變化，并通過串行通訊接口RS232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C的軟件接口，來顯示速度變化，從而達到速度在線檢測控制，主要包括三個過程：信號轉(zhuǎn)換、采集過程；信號運算處理、分析過程；步進電機驅(qū)動控制過程。（1）信號轉(zhuǎn)換、采集過程主要是將飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的信號，首先將飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號通過轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號，轉(zhuǎn)速與正弦電壓信號成一定比例轉(zhuǎn)換，即正弦電壓信號變化反映速度的變化，正弦電壓信號經(jīng)過放大整流、電壓比較，轉(zhuǎn)換成的方波脈沖信號送入單片機的外部中斷口（INT0），對信

4、號進行采集。（2）信號運算處理過程主要是經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號進入單片機系統(tǒng)通過軟件和算法進行運算處理和分析。圖1 系統(tǒng)原理框圖（3）步進電機控制過程主要是單片機向驅(qū)動器發(fā)送一定的控制信號，來驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，從而帶動儀表指針轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度，這樣實現(xiàn)對飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速的在線檢測。其原理圖如圖1所示。圖2 硬件設(shè)計電路圖3 單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)其工作原理設(shè)計出硬件電路圖，如圖2所示，主要包括信號檢測部分、信號通訊部分、信號抗干擾部分。3.1 信號檢測部分（1）單片機：本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的MCS-51系列AT89C52單片機，內(nèi)置8K字節(jié)電擦除可編程EEPROM片內(nèi)程序存儲器和256

5、字節(jié)RAM，片內(nèi)程序存儲器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲之需要,可省去片外EPROM程序存儲器和地址鎖存器,使電路結(jié)構(gòu)簡捷，誤差可達1/100000。AT89C52單片機而且還具有性能價格比高，控制方式可靠，保密性強，功耗低，應(yīng)用靈活、方便等特點。（2）整流電路：整流電路主要是將交流正弦電壓變換成直流電壓，它是靠二極管的單相導(dǎo)通作用。系統(tǒng)所采用的是單向橋式整流電路。正弦波電壓信號經(jīng)過整流處理后得到直流電壓信號。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。（3）電壓比較放大電路（遲滯電壓比

6、較器）：電壓比較放大電路主要功能是將整流后的直流電壓信號進入LM339電壓比較器，將波形的電壓信號變換為矩形方波電壓信號。系統(tǒng)輸入電壓由運放的反相端4輸入，給定電壓由同相端5輸入。當(dāng)輸入電壓高于給定電壓時，運放輸出為反向飽和電壓。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定電壓時，運放迅速翻轉(zhuǎn)，輸出為正向飽和電壓。且遲滯電壓比較器具有較強的抗干擾能力。3.2 信號通訊部分系統(tǒng)設(shè)計為了精確顯示反映速度變化，設(shè)計一個通過串行通訊接口RS232傳輸數(shù)據(jù)信號，選用了MAX232芯片，將信號傳輸?shù)缴衔粰C，通過軟件接口顯示速度變化，從而準(zhǔn)確實現(xiàn)速度在線檢測。3.3 信號抗干擾部分（1）光電隔離：光電隔離電路主要功能是為了防止外部信

7、號與單片機CPU產(chǎn)生干擾，將外部矩形方波電壓信號再經(jīng)過一個TLP521-1光電隔離器進行隔離，然后再一次經(jīng)過74LS14施密特反向器整型后進入單片機CPU系統(tǒng)，且CPU加隔離后進入驅(qū)動系統(tǒng)。（2）硬件濾波：常用RC低通濾波器接在一些低頻信號傳送電路中（如熱電偶輸入線路）。它可以大大削弱各類高頻干擾信號（各類“毛刺”形干擾相對于慢變有效信號均屬高頻干擾）。但硬件濾波電路的主要缺點是體積大，要增加成本，如果截止頻率定得很低（如0.1Hz），硬件濾波很難勝任的，必需配合軟件濾波（數(shù)字濾波）來實現(xiàn)。（3）看門狗：為了系統(tǒng)設(shè)計可靠性，采用了MAX705復(fù)位/看門狗電路，主要功能是防止程序運行時失控和提供

8、外部復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，程序發(fā)生“飛逸”或“死機”時，看門狗可以使程序復(fù)位。如圖2 所示W(wǎng)DI是看門狗輸入端，WDO是看門狗輸出端，MR是人工復(fù)位輸入端，RST是復(fù)位輸出端。（4）抗干擾穩(wěn)壓電源：主要為控制器其它各部分電路提供可靠的工作電源。電源電壓首先經(jīng)DCDC變壓器降壓，再經(jīng)整流、濾波及不同的穩(wěn)壓電路之后，一方面為給定電路提供穩(wěn)定的設(shè)定電壓，另一方面也為比較放大電路、驅(qū)動執(zhí)行電路提供可靠的工作電源。外部信號提供的工作電源電壓為DC28V，而設(shè)計的硬件控制接口工作電壓為DC5V，因此設(shè)計個電源模塊DC28V轉(zhuǎn)換為DC5V，即DCDC轉(zhuǎn)換電源模塊。4 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計步進電機不能直接連接

9、到交直流上工作，而必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。因此，步進電機及其驅(qū)動系統(tǒng)是一個有機整體，其運行性能是兩者配合的綜合表現(xiàn)。系統(tǒng)的驅(qū)動集成電路選用的是以美國MOTOROLA公司生產(chǎn)的產(chǎn)品MC3479為核心的驅(qū)動集成電路芯片。MC3479是一種用于驅(qū)動雙極方式的兩相步進電動機的單片集成電路。MC3479是一種非常實用的步進電動機驅(qū)動芯片，可用于磁盤驅(qū)動器、步進電機驅(qū)動及機器人驅(qū)動裝置等。 MC3479外接元件少結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，具有質(zhì)量輕、體積小等特點，這有效的提高了系統(tǒng)的可適用性。驅(qū)動控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3 驅(qū)動控制系統(tǒng)原理圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計思想采用模塊化編程思想，子程序包括

10、：采樣信號子程序（T0中斷和外部中斷INT0子程序），頻率計算子程序，除法、乘法子程序，發(fā)送脈沖數(shù)和發(fā)送某頻率方波子程序，正反轉(zhuǎn)判斷子程序，加減速控制子程序，指針返回初始位置子程序。 5.1 主程序模塊主程序主要完成初始化、設(shè)置T0中斷方式及初值、T0和INT0中斷的開啟、進行標(biāo)志位判斷并調(diào)用各個子程序功能。主程序流程圖如圖4所示。圖4 主程序流程圖5.2 單片機采集信號的頻率算法（1）測周法：測出產(chǎn)生N個脈沖內(nèi)所需要的時間t，則信號的周期為f=N/t，測量頻率誤差f Nt/t2，相對誤差f/f=t/t，誤差主要來自采樣到的時間誤差，低頻脈沖情況下誤差較小，測量精度高。（2）測頻法：在設(shè)定t時

11、間內(nèi)，測量產(chǎn)生N個脈沖，則信號的周期為f=N/t, 測量頻率誤差f N/t ，相對誤差f/f=N/N，誤差主要來自脈沖個數(shù)±1計數(shù)誤差，高頻脈沖情況下誤差較小，測量精度高。 5.3 單片機采集信號子程序和頻率計算子程序系統(tǒng)由于信號的頻率較高故采用了測頻法，當(dāng)外部信號經(jīng)過整形比較得到的方波脈沖信號輸入單片機INT0，產(chǎn)生INT0中斷響應(yīng)，設(shè)置外部中斷標(biāo)志位，并設(shè)計一個基準(zhǔn)定時（0.1ms），即定時器T0產(chǎn)生定時中斷，根據(jù)外部中斷設(shè)置的標(biāo)志位，進行基準(zhǔn)定時計數(shù)n，從而可以確定外部信號每個采樣周期內(nèi)(N個脈沖內(nèi))的信號周期T=0.1n/N(ms)，根據(jù)采集到外部信號的各周期，再調(diào)用頻率計算

12、子程序求出相應(yīng)的頻率變化，從而知道外部信號頻率變化。5.4 正反轉(zhuǎn)判斷子程序和發(fā)送脈沖數(shù)子程序根據(jù)前后頻率變化，也即是速度變化大小，設(shè)計表指針正反方向判斷以及發(fā)送脈沖個數(shù)子程序。從而控制表指針的轉(zhuǎn)向和相應(yīng)的角度，即根據(jù)外部信號頻率的變化也是速度的變化，來控制表指針轉(zhuǎn)向和相應(yīng)的角度，這樣表指針的轉(zhuǎn)動就可以反映外部速度的變化。5.5 加減速控制子程序為了實現(xiàn)表指針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，設(shè)計表指針有一個加減速過程，先經(jīng)過加速階梯過程，達到最高的速度，然后再經(jīng)過減速階梯過程，也即是發(fā)送低頻率脈沖，然后向高頻率過渡，達到一定高頻率后再發(fā)送低頻率脈沖，發(fā)送高低頻率脈沖是根據(jù)步進電機的啟動頻率和正常工作頻率而定，也是根

13、據(jù)表指針響應(yīng)速度而定。6 結(jié)束語此系統(tǒng)提出了以AT89C52單片機為核心控制，通過對硬件軟件的設(shè)計，實現(xiàn)對飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速智能在線檢測控制系統(tǒng)，利用了單片機的優(yōu)越的編程和控制性能，充分發(fā)揮單片機的核心地位，集機電一體化技術(shù)、計算機應(yīng)用與智能儀器儀表技術(shù)于一體，以達到使系統(tǒng)高度集成化。系統(tǒng)經(jīng)過實際運行調(diào)試后，運行情況良好，測速的誤差很小，達到控制誤差要求。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計在微小的電路板上，從而實現(xiàn)體積大大縮減，且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單合理，便于應(yīng)用飛機上，而且具有檢測精度高、可靠性高、成本低、實用性強、操作方便、智能化較高等特點，完全可以滿足機械、電子、運輸?shù)雀餍袠I(yè)轉(zhuǎn)速檢測需要，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻1 余永權(quán). AT