基于AT89C52單片機(jī)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在線檢測(cè)系統(tǒng)

1、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速智能檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)胡清陽(yáng), 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(jī)為核心的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)智能檢測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、運(yùn)算、分析及對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的刻度來(lái)檢測(cè)速度變化，從而實(shí)現(xiàn)了速度在線智能檢測(cè)；給出了系統(tǒng)電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案及采樣信號(hào)頻率的算法。系統(tǒng)具有硬件體積小、成本低、檢測(cè)精度高、操作方便、智能化較高等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速；步進(jìn)電機(jī)1 引言隨著飛機(jī)性能的不斷發(fā)展，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)愈來(lái)愈復(fù)雜，需監(jiān)控參數(shù)由幾個(gè)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控的要求，現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝備有發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器，而發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器是計(jì)算機(jī)化的全自動(dòng)設(shè)備，它實(shí)時(shí)采集飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，并適時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給其他機(jī)載設(shè)備使用，其性能的地面維護(hù)和檢測(cè)比較困難，為提高校測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化水平和檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)。解決了在地面模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳送的矛盾，大大提高了檢測(cè)精度，縮短了檢測(cè)時(shí)間，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的在線檢測(cè)控制，其工作原理是通過(guò)硬件設(shè)計(jì)對(duì)外部轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集，

3、并經(jīng)過(guò)AT89C52單片機(jī)芯片進(jìn)行運(yùn)算處理分析，然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻度來(lái)反映速度變化，并通過(guò)串行通訊接口RS232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的軟件接口，來(lái)顯示速度變化，從而達(dá)到速度在線檢測(cè)控制，主要包括三個(gè)過(guò)程：信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集過(guò)程；信號(hào)運(yùn)算處理、分析過(guò)程；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程。（1）信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集過(guò)程主要是將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號(hào)，首先將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速與正弦電壓信號(hào)成一定比例轉(zhuǎn)換，即正弦電壓信號(hào)變化反映速度的變化，正弦電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整流、電壓比較，轉(zhuǎn)換成的方波脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口（INT0），對(duì)信

4、號(hào)進(jìn)行采集。（2）信號(hào)運(yùn)算處理過(guò)程主要是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)軟件和算法進(jìn)行運(yùn)算處理和分析。圖1 系統(tǒng)原理框圖（3）步進(jìn)電機(jī)控制過(guò)程主要是單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一定的控制信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，從而帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻度，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的在線檢測(cè)。其原理圖如圖1所示。圖2 硬件設(shè)計(jì)電路圖3 單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)其工作原理設(shè)計(jì)出硬件電路圖，如圖2所示，主要包括信號(hào)檢測(cè)部分、信號(hào)通訊部分、信號(hào)抗干擾部分。3.1 信號(hào)檢測(cè)部分（1）單片機(jī)：本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的MCS-51系列AT89C52單片機(jī)，內(nèi)置8K字節(jié)電擦除可編程EEPROM片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和256

5、字節(jié)RAM，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲(chǔ)之需要,可省去片外EPROM程序存儲(chǔ)器和地址鎖存器,使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，誤差可達(dá)1/100000。AT89C52單片機(jī)而且還具有性能價(jià)格比高，控制方式可靠，保密性強(qiáng)，功耗低，應(yīng)用靈活、方便等特點(diǎn)。（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(hào)經(jīng)過(guò)整流處理后得到直流電壓信號(hào)。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)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(shí)因電源變壓器在正、半周內(nèi)都有電流供給負(fù)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(hào)進(jìn)入LM339電壓比較器，將波形的電壓信號(hào)變換為矩形方波電壓信號(hào)。系統(tǒng)輸入電壓由運(yùn)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(shí)，運(yùn)放輸出為反向飽和電壓。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定電壓時(shí)，運(yùn)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(qiáng)的抗干擾能力。3.2 信號(hào)通訊部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了精確顯示反映速度變化，設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)串行通訊接口RS232傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，選用了MAX232芯片，將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過(guò)軟件接口顯示速度變化，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)速度在線檢測(cè)。3.3 信號(hào)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(hào)與單片機(jī)CPU產(chǎn)生干擾，將外部矩形方波電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)TLP521-1光電隔離器進(jìn)行隔離，然后再一次經(jīng)過(guò)74LS14施密特反向器整型后進(jìn)入單片機(jī)CPU系統(tǒng)，且CPU加隔離后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（2）硬件濾波：常用RC低通濾波器接在一些低頻信號(hào)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(hào)（各類“毛刺”形干擾相對(duì)于慢變有效信號(hào)均屬高頻干擾）。但硬件濾波電路的主要缺點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）看門狗：為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)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(jī)”時(shí)，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(dòng)執(zhí)行電路提供可靠的工作電源。外部信號(hào)提供的工作電源電壓為DC28V，而設(shè)計(jì)的硬件控制接口工作電壓為DC5V，因此設(shè)計(jì)個(gè)電源模塊DC28V轉(zhuǎn)換為DC5V，即DCDC轉(zhuǎn)換電源模塊。4 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。因此，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體，其運(yùn)行性能是兩者配合的綜合表現(xiàn)。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)集成電路選用的是以美國(guó)MOTOROLA公司生產(chǎn)的產(chǎn)品MC3479為核心的驅(qū)動(dòng)集成電路芯片。MC3479是一種用于驅(qū)動(dòng)雙極方式的兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片集成電路。MC3479是一種非常實(shí)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可用于磁盤驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置等。 MC3479外接元件少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，具有質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，這有效的提高了系統(tǒng)的可適用性。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)思想采用模塊化編程思想，子程序包括

10、：采樣信號(hào)子程序（T0中斷和外部中斷INT0子程序），頻率計(jì)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?lè)祷爻跏嘉恢米映绦颉?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(kāi)啟、進(jìn)行標(biāo)志位判斷并調(diào)用各個(gè)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(jī)采集信號(hào)的頻率算法（1）測(cè)周法：測(cè)出產(chǎn)生N個(gè)脈沖內(nèi)所需要的時(shí)間t，則信號(hào)的周期為f=N/t，測(cè)量頻率誤差f Nt/t2，相對(duì)誤差f/f=t/t，誤差主要來(lái)自采樣到的時(shí)間誤差，低頻脈沖情況下誤差較小，測(cè)量精度高。（2）測(cè)頻法：在設(shè)定t時(shí)

11、間內(nèi)，測(cè)量產(chǎn)生N個(gè)脈沖，則信號(hào)的周期為f=N/t, 測(cè)量頻率誤差f N/t ，相對(duì)誤差f/f=N/N，誤差主要來(lái)自脈沖個(gè)數(shù)±1計(jì)數(shù)誤差，高頻脈沖情況下誤差較小，測(cè)量精度高。 5.3 單片機(jī)采集信號(hào)子程序和頻率計(jì)算子程序系統(tǒng)由于信號(hào)的頻率較高故采用了測(cè)頻法，當(dāng)外部信號(hào)經(jīng)過(guò)整形比較得到的方波脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)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(jì)一個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)（0.1ms），即定時(shí)器T0產(chǎn)生定時(shí)中斷，根據(jù)外部中斷設(shè)置的標(biāo)志位，進(jìn)行基準(zhǔn)定時(shí)計(jì)數(shù)n，從而可以確定外部信號(hào)每個(gè)采樣周期內(nèi)(N個(gè)脈沖內(nèi))的信號(hào)周期T=0.1n/N(ms)，根據(jù)采集到外部信號(hào)的各周期，再調(diào)用頻率計(jì)算

12、子程序求出相應(yīng)的頻率變化，從而知道外部信號(hào)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(jì)表指針正反方向判斷以及發(fā)送脈沖個(gè)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(hào)頻率的變化也是速度的變化，來(lái)控制表指針轉(zhuǎn)向和相應(yīng)的角度，這樣表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以反映外部速度的變化。5.5 加減速控制子程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)表指針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)表指針有一個(gè)加減速過(guò)程，先經(jīng)過(guò)加速階梯過(guò)程，達(dá)到最高的速度，然后再經(jīng)過(guò)減速階梯過(guò)程，也即是發(fā)送低頻率脈沖，然后向高頻率過(guò)渡，達(dá)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(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)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(yǔ)此系統(tǒng)提出了以AT89C52單片機(jī)為核心控制，通過(guò)對(duì)硬件軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速智能在線檢測(cè)控制系統(tǒng)，利用了單片機(jī)的優(yōu)越的編程和控制性能，充分發(fā)揮單片機(jī)的核心地位，集機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能儀器儀表技術(shù)于一體，以達(dá)到使系統(tǒng)高度集成化。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試后，運(yùn)行情況良好，測(cè)速的誤差很小，達(dá)到控制誤差要求。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)在微小的電路板上，從而實(shí)現(xiàn)體積大大縮減，且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，便于應(yīng)用飛機(jī)上，而且具有檢測(cè)精度高、可靠性高、成本低、實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、智能化較高等特點(diǎn)，完全可以滿足機(jī)械、電子、運(yùn)輸?shù)雀餍袠I(yè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)需要，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 余永權(quán). AT