利用AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)智能測(cè)量和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

飛機(jī)飛行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速是需要測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)，通過(guò)測(cè)量噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以了解發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和推力，并可確定發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和能量負(fù)荷。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)必須把飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速傳送到座艙，供給飛行員讀數(shù)，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題，目前飛機(jī)上采用三相交流發(fā)電機(jī)傳感器，那么如何能準(zhǔn)確的測(cè)量顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速？本文提出了一種利用AT89S51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行智能測(cè)量和顯示，不僅可提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度，而且可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1、 三相交流發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三相交流發(fā)電機(jī)傳感器，其結(jié)構(gòu)和原理示意圖如圖1所示，它由轉(zhuǎn)子和定子組成。發(fā)電機(jī)的靜子為星形連接的三相繞組;轉(zhuǎn)子為兩極永久磁鐵，轉(zhuǎn)子對(duì)稱地截去兩塊，兩截面相互平行，并且繞轉(zhuǎn)子軸扭轉(zhuǎn)了一定的角度，從而使磁力線按正弦規(guī)律分布于空氣隙中。這樣，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)也跟著旋轉(zhuǎn)，在靜子繞組所在的空間形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，靜子繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在三根引線上便有三相交流電輸出。

2、 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由AT89S51單片機(jī)、光電耦合器PC817、F/D9201頻數(shù)變換器、鍵盤、顯示器、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路七個(gè)部分組成，其原理框圖如圖2所示。

本測(cè)試系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S51為核心部件，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率信號(hào)經(jīng)F/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后，再經(jīng)光電隔離后送入單片機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)速的解算、誤差的修正，最后通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示。測(cè)量電路中采用光電隔離電路主要功能是為了防止外界干擾信號(hào)影響采集信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力［3］。

AT89S51是一種低功耗、高性能，片內(nèi)帶4KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的8位CMOS微控制器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案［4］。

頻數(shù)變換器FD9201把三相交流發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速后輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后，通過(guò)光電耦合器PC817隔離后送給單片機(jī)AT89S51，由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

3 、軟件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

本文采用周期法實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，周期測(cè)量法的基本原理如圖3所示。

由圖3可以看出，周期測(cè)量法是將被測(cè)的頻率信號(hào)fx經(jīng)放大整形變成方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分頻器n分頻后，得到時(shí)間為Tx的門控信號(hào)，顯然：T=n/fx（1）

門控信號(hào)Tx的上升沿打開(kāi)主控門，使計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器發(fā)出的高頻標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖f進(jìn)行計(jì)數(shù)，Tx下降沿關(guān)閉主控門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

F/D轉(zhuǎn)換原理如圖4所示，測(cè)量開(kāi)始時(shí)，首先被測(cè)信號(hào)fx在鎖存控制邏輯線路的控制下，fx為整周期時(shí)，對(duì)高頻和低頻計(jì)數(shù)同時(shí)發(fā)出鎖存控制信號(hào)，然后通過(guò)片選CS2/信號(hào)，將fx低頻計(jì)數(shù)值nx取走，通過(guò)CS1/將高頻計(jì)數(shù)鎖存器內(nèi)容Nx取走。

從以上分析可知，周期測(cè)量法一次測(cè)量的周期近似為Tx。在測(cè)量周期一定時(shí)，增加時(shí)鐘頻率f，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖Nx就多，由此便可減小量化誤差。因此，周期測(cè)量法具有測(cè)量周期短、測(cè)量精度和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

在工作過(guò)程中，單片機(jī)AT89S51采用中斷方式工作，每隔35ms中斷一次，在中斷間隔內(nèi)完成大部分輸入/輸出任務(wù)。CPU響應(yīng)中斷后經(jīng)雙向數(shù)據(jù)總線向輸入接口組件發(fā)出一個(gè)口地址信號(hào)，選通輸入的頻率信號(hào)。待鎖存控制邏輯發(fā)出準(zhǔn)備好信號(hào)時(shí)，CPU通過(guò)發(fā)送口地址信號(hào)取走對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，再解算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用了“同余”的方法，計(jì)數(shù)器不用清零，只需根據(jù)高、低頻計(jì)數(shù)器內(nèi)前后兩次計(jì)數(shù)值Ni、Ni+1、ni、ni+1，再按前述計(jì)算方法求出所測(cè)轉(zhuǎn)速，具體算法如下：

3.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)軟件主要由主程序、轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序、自檢程序和顯示打印程序四個(gè)部分組成。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序框圖如圖5所示。主程序采用中斷方式工作，主中斷每35ms發(fā)生一次，即一個(gè)程序周期，主要完成被測(cè)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)的采集，對(duì)這些采樣值進(jìn)行濾波，調(diào)用計(jì)算子程序計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸送給顯示裝置，同時(shí)完成系統(tǒng)的自檢。

系統(tǒng)自檢程序主要針對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行測(cè)試，即完成CPU檢查、RAM檢查、EPROM檢查、F/D變換器、采樣值檢查、計(jì)算結(jié)果檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并送出告警信號(hào)。

3.4 自檢程序

自檢程序是提高高度表的可靠性和可維護(hù)性的手段之一，它主要針對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障送出告警信號(hào)。它具有對(duì)偶然故障進(jìn)行過(guò)濾的功能，當(dāng)故障清除后，系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)。上電自檢子程序框圖如圖6所示。

4 、結(jié)論

本文將智能靈活、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的單片機(jī)和集成輸入變換電路相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可靠性高，提高了其測(cè)量的范圍和精度。該測(cè)量系統(tǒng)具有硬件電路和程序簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快、抗干擾性能好的特點(diǎn)。

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