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摘要：本文介紹了一種基于AT89S51單片機關于飛機發動機轉速的測量系統的設計，利用單片機完成測量系統的控制、數據處理和顯示輸出，給出了測量系統的硬件設計和軟件設計。實際應用表明，該測量系統具有結構簡單、測試精度高、穩定性好等優點。 引言 飛機飛行過程中，轉速是需要測量的一個重要參數，通過測量噴氣發動機轉速，可以了解發動機的功率和推力，并可確定發動機所承受的運動負荷和能量負荷。測量發動機轉速時必須把飛機發動機轉軸的轉速傳送到座艙，供給飛行員讀數，為實現飛機發動機轉速遠距離傳輸問題，目前飛機上采用三相交流發電機傳感器[1]，那么如何能準確的測量顯示發動機的轉速?本文提出了一種利用AT89S51單片機來實現對發動機轉速進行智能測量和顯示，不僅可提高發動機轉速的測量精度，而且可提高系統的抗干擾能力。 1 三相交流發動機工作原理 測量發動機轉速的三相交流發電機傳感器，其結構和原理示意圖如圖1所示，它由轉子和定子組成。發電機的靜子為星形連接的三相繞組;轉子為兩極永久磁鐵，轉子對稱地截去兩塊，兩截面相互平行，并且繞轉子軸扭轉了一定的角度，從而使磁力線按正弦規律分布于空氣隙中。這樣，當磁鐵轉子旋轉時，磁鐵轉子的磁場也跟著旋轉，在靜子繞組所在的空間形成旋轉磁場，靜子繞組切割磁力線產生感應電勢，在三根引線上便有三相交流電輸出[2]。 設三相交流發電機的轉子的轉速為n，轉子的磁極對數為P，則定子中三相感應電勢的頻率為： ，這樣我們將轉速的測量轉換為定子中三相感應電勢的頻率f的測量。 2 硬件設計 本文設計的發動機轉速測量系統由AT89S51單片機、光電耦合器PC817、F/D9201頻數變換器、鍵盤、顯示器、復位電路和時鐘電路七個部分組成，其原理框圖如圖2所示。 本測試系統以單片機AT89S51為核心部件，將發動機輸出的感應電動勢的頻率信號經F/D變換器轉換為數字量信號后，再經光電隔離后送入單片機中進行轉速的解算、誤差的修正，最后通過顯示器進行顯示。測量電路中采用光電隔離電路主要功能是為了防止外界干擾信號影響采集信號的準確性，從而提高系統的抗干擾能力[3]。 AT89S51是一種低功耗、高性能，片內帶4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，使用高密度、非易失存儲技術制造，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案[4]。 頻數變換器FD9201把三相交流發電機測量轉速后輸出的感應電動勢的頻率信號轉換為數字量信號后，通過光電耦合器PC817隔離后送給單片機AT89S51，由單片機進行轉速的計算。 3 軟件設計 3.1 轉速測量方法 本文采用周期法實現頻率的測量，周期測量法的基本原理如圖3所示。 由圖3可以看出，周期測量法是將被測的頻率信號fx經放大整形變成方波信號，再經過分頻器n分頻后，得到時間為Tx的門控信號，顯然：T=n/fx(1) 門控信號Tx的上升沿打開主控門，使計數器開始對標準頻率發生器發出的高頻標準頻率脈沖f進行計數，Tx下降沿關閉主控門，計數器停止計數。這時，計數器的計數值Nx為：Nx = Tx f(2)，將式(1)代入式(2)，可得： F/D轉換原理如圖4所示，測量開始時，首先被測信號fx在鎖存控制邏輯線路的控制下，fx為整周期時，對高頻和低頻計數同時發出鎖存控制信號，然后通過片選CS2/信號，將fx低頻計數值nx取走，通過CS1/將高頻計數鎖存器內容Nx取走。假設被測頻率的周期為tx，則鎖存控 那么，在Tx時間內，測得的平均 從以上分析可知，周期測量法一次測量的周期近似為Tx。在測量周期一定時，增加時鐘頻率f，計數器的計數脈沖Nx就多，由此便可減小量化誤差。因此，周期測量法具有測量周期短、測量精度和分辨率高的優點。 在工作過程中，單片機AT89S51采用中斷方式工作，每隔35ms中斷一次，在中斷間隔內完成大部分輸入/輸出任務。CPU響應中斷后經雙向數據總線向輸入接口組件發出一個口地址信號，選通輸入的頻率信號。待鎖存控制邏輯發出準備好信號時，CPU通過發送口地址信號取走對應的計數值，再解算出發動機的轉速。 發動機轉速的計算采用了“同余”的方法，計數器不用清零，只需根據高、低頻計數器內前后兩次計數值Ni、Ni+1、ni、ni+1，再按前述計算方法求出所測轉速，具體算法如下： 3.2 系統軟件流程 系統軟件采用模塊化的設計思想，系統軟件主要由主程序、轉速計算子程序、自檢程序和顯示打印程序四個部分組成。 3.3 主程序設計 主程序框圖如圖5所示。主程序采用中斷方式工作，主中斷每35ms發生一次，即一個程序周期，主要完成被測轉速所對應的頻率信號的采集，對這些采樣值進行濾波，調用計算子程序計算出發動機轉速，輸送給顯示裝置，同時完成系統的自檢。 系統自檢程序主要針對系統的軟、硬件進行測試，即完成CPU檢查、RAM檢查、EPROM檢查、F/D變換器、采樣值檢查、計算結果檢查，及時發現故障并送出告警信號。 3.4 自檢程序 自檢程序是提高高度表的可靠性和可維護性的手段之一，它主要針對系統的軟、硬件進行測試，及時發現故障送出告警信號。它具有對偶然故障進行過濾的功能，當故障清除后，系統可自動恢復。上電自檢子程序框圖如圖6所示。 4 結論 本文將智能靈活、邏輯運算能力強的單片機和集成輸入變換電路相結合來實現轉速的測量，可靠性高，提高了其測量的范圍和精度。該測量系統具有硬件電路和程序簡單、運算速度快、抗干擾性能好的特點。 參考文獻: [1]王有隆編.航空儀表[M].西安交通大學,2001 [2]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004 [3]盧建華,吳曉男,曲東才,等.一種脈沖調頻式飛機交流發電機電壓調節器設計研究[J].電子產品世界,2012(2):59-61 [4]海濤.ATmega系列單片機原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2008 |
