基于單片機的發(fā)動(dòng)機轉速和加速時(shí)間測量方法

1 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機性能試驗，需要精確測量發(fā)動(dòng)機各工作狀態(tài)的轉速及從慢車(chē)到最大狀態(tài)的加速時(shí)間，傳統的測量方法是采用指針表測量轉速和人工操作秒表測量時(shí)間。由于指針轉速表慣性大，分辨率低，加上人工秒表記時(shí)全靠手疾眼快，主觀(guān)影響大，因此很難實(shí)現精確測量。在本系統中，我們采用單片機內部計數器來(lái)完成轉速的精確測量，同時(shí)利用程序判別發(fā)動(dòng)機從慢車(chē)到最大狀態(tài)過(guò)程的開(kāi)始時(shí)刻和終止時(shí)刻，從而實(shí)現精確的加速過(guò)程時(shí)間的測量。

2　原理分析

轉速測量：

發(fā)動(dòng)機傳感器輸出頻率與發(fā)動(dòng)機轉速成正比，本系統采用頻率測量法，即通過(guò)測量發(fā)動(dòng)機傳感器的輸出頻率來(lái)得到相應的轉速，由于轉速傳感器輸出信號的頻率太低，如果直接利傳感器輸出的頻率來(lái)計數，其轉速測量分辨率也很低，因此在轉速信號的預處理電路中對經(jīng)放大整形后的脈沖信號還進(jìn)行了鎖相倍頻處理，以提高轉速的測量分辨率和測量精度。

脈沖頻率的計數由單片機內部16位計數器完成，計數的閘門(mén)時(shí)間（時(shí)基）由晶振提供，閘門(mén)時(shí)間脈沖通過(guò)控制外部中斷來(lái)控制計數的開(kāi)始與停止，此設計中還利用了數字濾波技術(shù)來(lái)提高轉速的測量精度和測量穩定性。

加速時(shí)間的測量：

典型的發(fā)動(dòng)機加速過(guò)程如下圖1所示：

如圖中所示，測量發(fā)動(dòng)機的加速時(shí)間通常是測量慢車(chē)狀態(tài)到最大狀態(tài)的時(shí)間。根據試車(chē)大綱的操作要求，從慢車(chē)狀態(tài)快推油門(mén)到最大，轉速從慢車(chē)轉速達到峰值的時(shí)間即為加速時(shí)間，即圖1中的t1時(shí)間。時(shí)間測量的開(kāi)始時(shí)刻通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，在測量時(shí)由操作員在推油門(mén)的同時(shí)通過(guò)閉合該開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)計時(shí)，因此，用單片機測量加速時(shí)間的關(guān)鍵是如何正確判別加速過(guò)程的終止時(shí)刻。

我們采用的判別方法如下：計時(shí)開(kāi)始后，單片機程序一方面測量轉速，另一方面不斷將當前測量值與上次測到的轉速進(jìn)行比較，如果大于上次的測量值則說(shuō)明加速過(guò)程未結束，如果等于或小于上次的測量值則說(shuō)明加速過(guò)程已結束，單片機通過(guò)輸出結束計數命令停止計數。

為了提高判別的可靠性，降低由于轉速擺動(dòng)等干擾所造成的誤判，軟件設計規定必須在連續兩個(gè)閘門(mén)時(shí)間內的轉速測量值不大于上次的測量值，才被認為轉速的加速時(shí)間已結束，但由此引起判斷的時(shí)間的滯后（見(jiàn)圖１中的td）。因為閘門(mén)時(shí)間是確定的，所以可以很容易地通過(guò)軟件對滯后時(shí)間進(jìn)行補償。

時(shí)間計數器件采用通用十進(jìn)制計數器，計數脈沖由時(shí)基電路產(chǎn)生，頻率為10赫茲。加速時(shí)間的分辨率為0.1秒。

3　具體實(shí)現

3.1 測量頻率

根據實(shí)測數據，我們所用發(fā)動(dòng)機轉速與頻率的對應關(guān)系是：轉速10000轉/分時(shí)傳感器輸出頻率為83.3333Hz，因此，根據前面的原理分析，為了減小誤差，首先要對轉速進(jìn)行倍頻，根據對應關(guān)系，設計總倍頻系數300，并取閘門(mén)時(shí)間取為0.2S。51系列單片機內部設置了兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計數器T0和T1，它們具有計數器和定時(shí)器兩種工作方式和4種工作模式，通過(guò)設置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當的工作方式與工作模式；同時(shí)，單片機設有兩個(gè)外部中斷請求輸入線(xiàn)INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請求信號。在此，我們采用計數器T1的16位計數模式，計數器計數 (83.3333*300)*0.2=5000，并從INT0輸入0.2秒的外部定時(shí)中斷，T1在0.2秒內計數5000，測量時(shí)，每次采到的頻率先乘以 2后再做運算。

3.2 上升時(shí)間的測量

用從晶振來(lái)的10Hz頻率信號作為時(shí)間測量的計數輸入，計數開(kāi)始時(shí)間由開(kāi)關(guān)（面板上的開(kāi)始開(kāi)關(guān)）和轉速輸入（轉速必須大于3000轉/分）決定。當轉速達到某個(gè)值（如3000轉/分），單片機系統準備計數，時(shí)間顯示器的小數點(diǎn)以每秒兩次的速度閃爍，提醒準備按計數起始按鈕?！　　　　　　　　　　　　　　?/p>

具體計時(shí)由INT1中斷完成，在中斷程序中完成對外部0.1秒定時(shí)脈沖輸入的計時(shí)，計時(shí)的結束時(shí)間由轉速的峰值時(shí)刻決定。轉速峰值時(shí)刻的判斷方法：記錄用傳感器輸出頻率的2倍頻信號T1，當此次T1值如果大于上次T1值，則該次T1存入峰值單元；如果所測得的T1連續3次（0.6S）不大于所記錄峰值，則認為峰值已過(guò)。為補償0.6S滯后時(shí)間，接到“開(kāi)始計時(shí)”指令時(shí)，延時(shí)0.6S才開(kāi)始計時(shí)。

3.3 系統方框圖

圖2　系統方框圖

系統方框圖說(shuō)明：
1 看門(mén)狗輸入脈沖；
2 看門(mén)狗復位脈沖；
3 系統設置開(kāi)關(guān)，為提高測量顯示的穩定度，通過(guò)數字開(kāi)關(guān)選擇濾波系數。濾波系數（平均次數）可在1-16之間由開(kāi)關(guān)設定，濾波系數越大，轉速測量速度越慢，但測量顯示越穩定。