基于单片机的飞机发动机转速测量系统的设计
发布时间：2015-11-12 15:31
发布者：designapp
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摘要：本文介绍了一种基于AT89S51单片机关于飞机发动机转速的测量系统的设计，利用单片机完成测量系统的控制、数据处理和显示输出，给出了测量系统的硬件设计和软件设计。实际应用表明，该测量系统具有结构简单、测试精度高、稳定性好等优点。 引言 飞机飞行过程中，转速是需要测量的一个重要参数，通过测量喷气发动机转速，可以了解发动机的功率和推力，并可确定发动机所承受的运动负荷和能量负荷。测量发动机转速时必须把飞机发动机转轴的转速传送到座舱，供给飞行员读数，为实现飞机发动机转速远距离传输问题，目前飞机上采用三相交流发电机传感器[1]，那么如何能准确的测量显示发动机的转速?本文提出了一种利用AT89S51单片机来实现对发动机转速进行智能测量和显示，不仅可提高发动机转速的测量精度，而且可提高系统的抗干扰能力。 1 三相交流发动机工作原理 测量发动机转速的三相交流发电机传感器，其结构和原理示意图如图1所示，它由转子和定子组成。发电机的静子为星形连接的三相绕组;转子为两极永久磁铁，转子对称地截去两块，两截面相互平行，并且绕转子轴扭转了一定的角度，从而使磁力线按正弦规律分布于空气隙中。这样，当磁铁转子旋转时，磁铁转子的磁场也跟着旋转，在静子绕组所在的空间形成旋转磁场，静子绕组切割磁力线产生感应电势，在三根引线上便有三相交流电输出[2]。  设三相交流发电机的转子的转速为n，转子的磁极对数为P，则定子中三相感应电势的频率为：  ，这样我们将转速的测量转换为定子中三相感应电势的频率f的测量。 2 硬件设计 本文设计的发动机转速测量系统由AT89S51单片机、光电耦合器PC817、F/D9201频数变换器、键盘、显示器、复位电路和时钟电路七个部分组成，其原理框图如图2所示。 本测试系统以单片机AT89S51为核心部件，将发动机输出的感应电动势的频率信号经F/D变换器转换为数字量信号后，再经光电隔离后送入单片机中进行转速的解算、误差的修正，最后通过显示器进行显示。测量电路中采用光电隔离电路主要功能是为了防止外界干扰信号影响采集信号的准确性，从而提高系统的抗干扰能力[3]。 AT89S51是一种低功耗、高性能，片内带4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，使用高密度、非易失存储技术制造，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[4]。 频数变换器FD9201把三相交流发电机测量转速后输出的感应电动势的频率信号转换为数字量信号后，通过光电耦合器PC817隔离后送给单片机AT89S51，由单片机进行转速的计算。 3 软件设计 3.1 转速测量方法 本文采用周期法实现频率的测量，周期测量法的基本原理如图3所示。  由图3可以看出，周期测量法是将被测的频率信号fx经放大整形变成方波信号，再经过分频器n分频后，得到时间为Tx的门控信号，显然：T=n/fx(1) 门控信号Tx的上升沿打开主控门，使计数器开始对标准频率发生器发出的高频标准频率脉冲f进行计数，Tx下降沿关闭主控门，计数器停止计数。这时，计数器的计数值Nx为：Nx = Tx f(2)，将式(1)代入式(2)，可得：  F/D转换原理如图4所示，测量开始时，首先被测信号fx在锁存控制逻辑线路的控制下，fx为整周期时，对高频和低频计数同时发出锁存控制信号，然后通过片选CS2/信号，将fx低频计数值nx取走，通过CS1/将高频计数锁存器内容Nx取走。假设被测频率的周期为tx，则锁存控  那么，在Tx时间内，测得的平均  从以上分析可知，周期测量法一次测量的周期近似为Tx。在测量周期一定时，增加时钟频率f，计数器的计数脉冲Nx就多，由此便可减小量化误差。因此，周期测量法具有测量周期短、测量精度和分辨率高的优点。 在工作过程中，单片机AT89S51采用中断方式工作，每隔35ms中断一次，在中断间隔内完成大部分输入/输出任务。CPU响应中断后经双向数据总线向输入接口组件发出一个口地址信号，选通输入的频率信号。待锁存控制逻辑发出准备好信号时，CPU通过发送口地址信号取走对应的计数值，再解算出发动机的转速。 发动机转速的计算采用了“同余”的方法，计数器不用清零，只需根据高、低频计数器内前后两次计数值Ni、Ni+1、ni、ni+1，再按前述计算方法求出所测转速，具体算法如下：   3.2 系统软件流程 系统软件采用模块化的设计思想，系统软件主要由主程序、转速计算子程序、自检程序和显示打印程序四个部分组成。 3.3 主程序设计 主程序框图如图5所示。主程序采用中断方式工作，主中断每35ms发生一次，即一个程序周期，主要完成被测转速所对应的频率信号的采集，对这些采样值进行滤波，调用计算子程序计算出发动机转速，输送给显示装置，同时完成系统的自检。  系统自检程序主要针对系统的软、硬件进行测试，即完成CPU检查、RAM检查、EPROM检查、F/D变换器、采样值检查、计算结果检查，及时发现故障并送出告警信号。 3.4 自检程序 自检程序是提高高度表的可靠性和可维护性的手段之一，它主要针对系统的软、硬件进行测试，及时发现故障送出告警信号。它具有对偶然故障进行过滤的功能，当故障清除后，系统可自动恢复。上电自检子程序框图如图6所示。  4 结论 本文将智能灵活、逻辑运算能力强的单片机和集成输入变换电路相结合来实现转速的测量，可靠性高，提高了其测量的范围和精度。该测量系统具有硬件电路和程序简单、运算速度快、抗干扰性能好的特点。 参考文献: [1]王有隆编.航空仪表[M].西安交通大学,2001 [2]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004 [3]卢建华,吴晓男,曲东才,等.一种脉冲调频式飞机交流发电机电压调节器设计研究[J].电子产品世界,2012(2):59-61 [4]海涛.ATmega系列单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2008 |
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