多功能發動機轉速模擬器設計

摘要 主要介紹多功能發動機轉速模擬器的結構原理、硬件電路設計及軟件設計。硬件設計主要以AT89C2051單片機為核心部件，通過頻率信號產生電路、頻率信號調理電路、看門狗復位電路、電流產生電路、電流測量電路、齒數設定電路、MAX7219顯示驅動電路和LED顯示電路來實現。該多功能發動機轉速模擬器不僅能夠提供所需的方波信號，且頻率調節精度高，能實現電流的輸出，還可以檢測外部信號的頻率及發動機的轉速。
關鍵詞 發動機 轉速模擬器 AT89C2051 電流輸出 MAXl44 AD694

??? 信號發生器作為電控測量系統中應用最為普通的電控測量儀器之一，是工業控制、教學、科研常用的基本儀器。雖然市場上逐漸出現了各種信號發生器，但其仍然擺脫不了體積大、操作按鈕多、價格昂貴等缺點，給動力系統工程人員外出調試和檢修電控設備帶來了不便?？紤]到諸多因素，很有必要研制一種結構簡單、攜帶和使用方便的多功能發動機轉速模擬器。它能在不啟動發動機的情況下，模擬產生并輸出供現場所需的轉速(頻率)信號、給定電流信號來對電控設備(如電子調速器等)進行調試，可大幅度地節省做試驗的費用(如燃油費用等)，而且調節精度高；在開機的狀態下可以檢測外部信號的頻率(即現場發動機的轉速信號)，進行數值顯示，并且系統采用電池供電，所以該多功能發動機轉速模擬器的成功研制將給動力系統工程技術人員進行現場測試帶來極大的方便，且具有較高的實用價值、經濟價值。

1 系統總體方案設計
??? 多功能發動機轉速模擬器系統原理框圖如圖1所示。它主要由電源、頻率信號產生、頻率信號調理、頻率信號測量、電流信號產生、電流信號測量及單片機測量顯示等模塊構成。可通過頻率調整旋鈕使其輸出頻率可調的標準方波信號，也可通過電流調整旋鈕使其輸出可調電流信號O～20 mA，并由數碼管顯示，此外它還能檢測外部輸入信號的頻率。由于調試對象主要是發動機，所以轉速測量是該轉速模擬器的另一獨特功能。

2 系統硬件電路設計
2．1 信號產生電路
??? (1)頻率信號產生電路
??? 頻率信號產生電路如圖2所示。

??? 本電路模塊的核心部件選用的是LM331電壓一頻率轉換芯片。它是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成芯片，具有頻率可調范圍大、低非線性、轉換精度高、可單電源供電等特點，與周圍電路一起實現V／F功能。其輸出信號的頻率可用公式(1)計算：

??? fout=(Vin×R2)÷（2.09×R1×R3×C2）??? （1）

式中：Vin的單位為V，表示U1的轉換電壓；R1、R2、R3電阻的單位為Ω；C1電容的單位為F；fout的單位為Hz，表示U1輸出的頻率值?？梢?，信號頻率與Vin成正比，有著很好的線性關系，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定。這里采用的電阻都是金屬膜電阻器。

(2)電流信號產生電路
??? 電流信號產生電路如圖3所示。本電路模塊和頻率信號產生模塊共用一個滑動變阻器W1。接線如下：J3—1、J3—2、J3—3分別接頻率信號產生電路中的J1—1、J1—2、J1—3，通過選段開關來選擇頻率、電流調節。調節滑動變阻器w1的值可實現O～20 mA的電流輸出。該電路選用的核心部件是AD694。AD694是一種單片電壓電流轉換器(以下簡稱V／I)。它將輸入電壓信號轉換成標準的O～20 mA電流信號，可廣泛用于壓力、流量、溫度等信號的參數傳遞，并對閥、調節器以及過程控制中一些常用設備的控制。

2．2 頻率信號調理電路
??? 頻率信號調理電路如圖4所示。由于頻率信號產生電路產生的波形不是很規則，須經過CD4013進行整形處理，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時，應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加倍。

2．3 串行A／D轉換電路
??? 串行A／D轉換電路如圖5所示。由AD694產生的0～20 mA電流，轉換成O～2．O V的模擬電壓信號后，連接到MAXl44的CHO和CHl端口。由于模擬信號電壓范圍為O～2．O V，因此可將MAXl44的參考基準電壓設置為2．048V，這樣可以提高轉換精度，也便于轉換后數據的后續處理。2．048 V的基準電壓可由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。其中復位看門狗采用MAX813L，實現上電復位和程序監測(在程序中實現)；發動機齒數由人工根據實際的齒數來設定，并被單片機所讀??；MAX7219為BCD譯碼器，起顯示驅動作用；微處理器采用Atmel公司的AT89C2051，其內部含2KB程序存儲器、128字節數據存儲器、15個I／O口及2個定時器，足夠為本多功能轉速模擬器使用。

3 系統軟件設計
??? 本系統的軟件流程如圖7所示。它包括頻率／轉速測量、串行A／D轉換值讀取、數值顯示及相關處理部分。

3．1 頻率／轉速測量軟件設計
??? 當電路一上電，MAX813L產生復位信號，促使單片機復位，程序跳至起始地址0000h，首先對內部寄存器和MAX7219初始化，如TO、T1、TMOD，接著對TO、T1、EXl開中斷。喂狗語句放在循環查詢處，給MAX813L喂狗的時間間隔應小于1．6 s，否則它將再次產生復位信號，擾亂程序的正常運行。接著檢測P1．3腳，若為低電平，則執行串行A／D轉換值的讀取程序；若為高電平，則單片機在信號下降沿被觸發中斷，開通T1定時、TO計數。當T1定時1 s到，關閉TO、T1，讀取TO值后，再對TO、T1開中斷，重新計時計脈沖數。接著計算(T0值乘以2)、判斷(當不超過9999或等于O時，定為合法，并置FLAG標志)，然后送MAX7219，經其譯碼后在LED上顯示，并有頻率指示燈亮，告知使用者顯示的是頻率值，以便根據所需調整旋扭W1(見圖2)，使發生器發出想要的頻率值信號，這就是測量信號頻率的原理；若數值不合法，LED將不顯示或顯示O，此時應調整W1直到合法。外來信號的頻率測量和顯示程序同前(需將扭轉開關旋到輸入檔)。若P2．7腳為低電平，則測量的是發動機的轉速，需將前面的頻率值代入轉速公式(2)：

??? n=(f·60)/k? (2)
式中：n為柴油機轉速(r／min)，f為所測到的頻率值(Hz)，k為發動機測速齒輪的齒數。
??? 可見單片機需要讀取齒數值，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時間內對轉速脈沖信號的個數進行累加計數，再代入公式(2)計算轉速。這種測量方法稱為測頻法。當發動機在低速下運轉時，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，代入轉速公式計算，顯示后跳至循環查詢處，然后使用除法算出頻率值，代入轉速公式計算，顯示后跳至循環查詢處，并繼續查詢定時中斷。
3．2 串行A／D轉換值的讀取軟件設計
??? 由于MAXl44與單片機的接口十分簡單，只需3根I／O線即可，故本系統使用單片機的P1．O、P1．1、P1．2。該電路采用內部時鐘模式，單片機通過編程產生串行時鐘，并按時序讀出數據，其A／D轉換后的數據(16位)可以存于MAXl44內部的存儲單元R2、R3中，通過標志位CHID可以區分CHO和CHl通道，然后將高4位屏蔽即可得到實際的A／D轉換數據，利用ANL R3，OFH將高4位屏蔽。該程序結束后，R3內為A／D轉換的12位數據的高4位，R2中為低8位，然后利用單片機內設定的程序轉換(OFFFH對應為2．048V，即20．48 mA；0000H對應為OV，即O mA)，即可顯示電流值的大小。

結 語
??? 本多功能發動機轉速模擬器使用器件少，成本低，調節方便，易于實現。通過調試發現，只要阻容元件的溫度系數低，則輸出頻率、電流是相當穩定的，因此性價比高。該多功能轉速模擬器的使用情況表明，其可靠性好、輸出穩定、攜帶方便。