唐永紅 史賢俊 劉陵順

(煙臺職業(yè)學(xué)院船舶工程系1，山東 煙臺 264676;海軍航空工程學(xué)院控制工程系2，山東 煙臺 264001)

0 引言

飛機(jī)發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)直接影響飛機(jī)的飛行速度和戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮，也密切關(guān)乎飛機(jī)的飛行安全，所以在飛行過程中及時準(zhǔn)確了解和控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)非常重要。與飛機(jī)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)密切相關(guān)的參數(shù)就是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，在飛機(jī)的飛行過程中，確保發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性是十分必要的［1－4］。

為提高飛機(jī)使用過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速指示表的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計了一種基于步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過對模擬轉(zhuǎn)速信號的采集處理與分析，由單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行控制，通過步進(jìn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)速指示表轉(zhuǎn)動來直觀地反映轉(zhuǎn)速的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計基本原理與組成

本文設(shè)計的轉(zhuǎn)速實時檢測與顯示系統(tǒng)主要由信號變換電路、AT89C51單片機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)三大模塊組成。信號變換電路用來完成飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬信號到單片機(jī)可采集信號的轉(zhuǎn)換;信號采集與處理分析部分由AT89C51單片機(jī)完成，是轉(zhuǎn)速指示表轉(zhuǎn)動角度大小的依據(jù);步進(jìn)電機(jī)為轉(zhuǎn)速指示表指示角度提供動力。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，避免了因局部故障引起整體故障的發(fā)生;各部分電路之間加入電氣隔離環(huán)節(jié)，避免了信號間的相互干擾。

系統(tǒng)基于轉(zhuǎn)速指示器工作原理，由轉(zhuǎn)速傳感器檢測轉(zhuǎn)速信號并轉(zhuǎn)換為正弦交流電壓信號;正弦波電壓信號經(jīng)過單相橋式整流、電壓比較后變換為矩形波電壓信號;矩形波電壓信號進(jìn)入單片機(jī)89C51芯片系統(tǒng);單片機(jī)采集到脈沖信號后經(jīng)過軟件處理與分析，發(fā)送相應(yīng)的控制信號到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針指示［4］。

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)具體如下。

①輸入信號

假設(shè)模擬的飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為100～5 000 r/min，負(fù)載為100 kΩ。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時，輸出電壓不小于0.7 V;當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，輸出電壓不小于5 V。信號頻率f=n/60，為單相正弦波。

②輸出信號

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為 0.45°/10(r·min－1)，即飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速每改變10 r/min，儀表指針轉(zhuǎn)動0.45°。

系統(tǒng)實現(xiàn)了對飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的在線檢測與儀表顯示，其工作原理是通過硬件設(shè)計對外部轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集，并經(jīng)過AT89C51單片機(jī)芯片進(jìn)行運(yùn)算處理分析;然后對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，帶動儀表指針轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度來反映速度變化;最后通過數(shù)碼管來顯示速度值，從而實現(xiàn)速度的在線檢測與顯示。

系統(tǒng)工作主要包括信號轉(zhuǎn)換與采集、信號運(yùn)算處理與分析、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制三個過程。信號轉(zhuǎn)換與采集過程主要是將飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號并進(jìn)行頻率采集。首先，將飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號通過轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號，轉(zhuǎn)速與正弦電壓信號成一定比例轉(zhuǎn)換，即正弦電壓信號變化反映速度的變化;然后，正弦電壓信號經(jīng)過放大整流和電壓比較，轉(zhuǎn)換成矩形波脈沖信號，并送入單片機(jī)的外部中斷口，對信號進(jìn)行采集。信號運(yùn)算處理過程是單片機(jī)將采集到的信號，利用一定的算法，經(jīng)過軟件編程后產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動所需要的控制信號。步進(jìn)電機(jī)控制過程主要是單片機(jī)向驅(qū)動器發(fā)送一定的控制信號，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，從而帶動儀表指針轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度，實現(xiàn)對飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的儀表顯示［3－4］。

轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表顯示系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其采用模塊化設(shè)計思想，將系統(tǒng)分為整流、比較放大、AT89C51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、儀表、顯示和報警等模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of system

在本設(shè)計中，飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號由函數(shù)信號發(fā)生器提供。整流電路是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是由四個整流二極管搭建而成的單相橋式整流電路，其功能是將輸入的正弦波電壓信號變換成直流電壓信號。但是僅靠二極管搭建成的整流電路輸出的直流電壓存在紋波，因此需要在電路中加入濾波環(huán)節(jié)。本設(shè)計采用的是C型濾波電路，由于該系統(tǒng)采用的電源是小功率整流電源，并且系統(tǒng)的負(fù)載變動不大，因此這里所采用的電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載直流電壓較高，紋波也較小。

比較放大電路是整個系統(tǒng)的重要部分，它主要是由集成芯片LM339組成的遲滯電壓比較器。工作過程中，較平滑的直流電壓信號進(jìn)入電壓比較器，將帶有波形的電壓信號變換為矩形波電壓信號(0～5 V)，以便單片機(jī)進(jìn)行采集。

單片機(jī)模塊是飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表顯示系統(tǒng)的核心，內(nèi)部軟件設(shè)計采用C語言編寫。它實現(xiàn)了信號采集、信號頻率測定與比較、步進(jìn)電機(jī)控制、顯示與報警等功能。步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針轉(zhuǎn)動的角度是由單片機(jī)輸出的信號來控制的，影響儀表指示精度的主要因素就在該環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動采用的是集成芯片達(dá)林頓驅(qū)動器ULN2803。該芯片體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握使用，只需單片機(jī)的幾個輸出接口便可控制［5－8］。

除此之外，本設(shè)計中還有一個蜂鳴器和一個共陰極的數(shù)碼管組，共四個數(shù)碼管。數(shù)碼管用來顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，這樣就可以更直觀地看到飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。蜂鳴器用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速超出設(shè)定范圍時的自動報警。

2 系統(tǒng)工作流程與程序結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，外部模擬的飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號進(jìn)入系統(tǒng)，先經(jīng)過整流濾波變換為直流電壓信號，再經(jīng)LM339電壓比較器變換為矩形波電壓信號。經(jīng)過光電隔離電路后的方波信號通過AT89C51單片機(jī)外部中斷INT0引腳輸入單片機(jī)進(jìn)行采集［9－10］。單片機(jī)采集到外部信號后調(diào)用內(nèi)部子程序計算出采集到的信號頻率，并進(jìn)行分析處理。單片機(jī)采集到第一個信號頻率后，直接發(fā)送控制信號給步進(jìn)電機(jī)，控制其啟動并轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的角度位置，至此完成一個采樣周期。

當(dāng)?shù)诙€采樣周期完成后，單片機(jī)將此時采集到的信號頻率與上一個采樣周期采集到的信號頻率相比較，如果大于上一個采樣周期采集到的信號頻率，則控制步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針正向偏轉(zhuǎn)一定的角度;如果小于上一個采樣周期采集到的信號頻率，則控制步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針反向偏轉(zhuǎn)一定的角度;如果與上一個采樣周期采集到的信號頻率相等，則控制步進(jìn)電機(jī)保持儀表指針上一個采樣周期指示的角度;如果此時刻采集到的信號頻率為零，則步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針歸零。如此一直循環(huán)下去。

由于儀表表盤刻度是有一定范圍的，為防止外部信號頻率變化引起儀表指針過零或超過最大刻度，本設(shè)計加裝了報警裝置。一旦出現(xiàn)指針過零或超過最大刻度，裝置立即自動報警?？偨Y(jié)以上分析，飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表顯示系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Operational flowchart of the system

軟件設(shè)計中也采用模塊化設(shè)計思想，主程序主要完成初始化、T0中斷方式及初值設(shè)置、T0和INT0中斷的開啟、進(jìn)行標(biāo)志位判斷并調(diào)用各個子程序的功能，子程序包括采樣信號子程序(T0中斷和外部中斷INT0子程序)、頻率計算子程序、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、顯示報警子程序、指針返回初始位置子程序。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the program

當(dāng)信號頻率初值輸入時，儀表指針啟動并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度位置;當(dāng)信號頻率不斷變化時，儀表指針轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度;當(dāng)停止輸入頻率信號時，指針自動回零，外部信號重新輸入后，則儀表指針又轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度位置。總之，當(dāng)改變頻率時，儀表指針就轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，當(dāng)中途按下復(fù)位按鈕，儀表指針便停在相應(yīng)的位置，停止按下復(fù)位按鈕，則儀表指針繼續(xù)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

信號頻率的輸入是在一定的范圍內(nèi)的，根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，單相正弦波交流信號的頻率f=n/60，范圍為100 ～5 000 r/min，計算的頻率范圍為1.83 ～83.3 Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變Δn=10 r/min時，即頻率改變Δf=1/6 Hz時，儀表指針轉(zhuǎn)動0.45°。因儀表表盤刻度是有一定范圍的，為防止外部信號頻率變化引起儀表指針過零或超過最大刻度，軟件設(shè)計為當(dāng)兩路信號頻率變化不在規(guī)定的范圍內(nèi)時，若頻率突變，則儀表指針在原位置不動;當(dāng)頻率變化又恢復(fù)在規(guī)定的范圍內(nèi)時，儀表指針重新轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

試驗結(jié)果表明，當(dāng)改變頻率稍大時，精度達(dá)到了控制要求;當(dāng)頻率改變非常小時，即當(dāng)頻率改變Δf＜1 Hz時，儀表指針轉(zhuǎn)動的角度可能在0.3°～1°范圍內(nèi)波動，存在一定的誤差。誤差產(chǎn)生的主要原因是由于頻率信號變化很小時產(chǎn)生波動以及減速機(jī)構(gòu)裝置有間隙而引起的。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)技術(shù)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，避免了因局部故障引起整體故障的發(fā)生。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有檢測與指示精度高、工作性能穩(wěn)定、體積輕巧、成本低等優(yōu)點，能夠滿足飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的需要，有利于保證飛機(jī)飛行的完好率和安全性，便于地勤人員的使用和維護(hù)。

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