基于PIC16F877單片機的柴油機電子調速系統(tǒng)設計

何琪

摘 要：本文主要介紹一種以PIC16F877單片機為核心的柴油機電子調速控制器設計開發(fā)， 通過分析柴油機電子調速系統(tǒng)的主要作用，闡述了電子調速器系統(tǒng)主要幾個組成部分及其功能， 提出能實現電子調速功能中硬件設計的周期法轉速測量原理并論述了PID調速計算方式，由此確定了硬件開發(fā)和軟件設計的研究方案。

關鍵詞：水路運輸 電子調速器 PID控制

在柴油機控制系統(tǒng)中，調速器的好壞決定著柴油機性能的優(yōu)劣，而以單片機作為核心的電子調速裝置能在柴油機遙控制系統(tǒng)的參數設置與調試、系統(tǒng)I/O的擴展、調速器模擬調試與整定等方面具有更大的優(yōu)越性，本文以PIC16F877單片機為核心的柴油機調速裝置研究與開發(fā)方面的一些探索。

系統(tǒng)的組成及功能

1、系統(tǒng)的組成

要實現柴油機遙控控制，就必須將指令給定的速率信號通過調速裝置計算后實現對柴油機執(zhí)行器的精確控制，使得電氣信號最終變?yōu)樗欧姍C轉動信號，輸出柴油機的要求油門。結合分析機械式調速器的結構，可以確定單片機開發(fā)的電子調速裝置必須包括PID調節(jié)器、限制環(huán)節(jié)、信號轉換及轉速反饋功能，具體如圖1所示（紅色虛線部分為本方案的電子調速器裝置）。

2、系統(tǒng)的功能

PID調節(jié)器。PID調節(jié)器是比例積分微分調節(jié)器，是柴油機電子調速器的主要組成部分，它將指令給定的柴油機輸出轉速和反饋轉速進行運算，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調速系統(tǒng)中可以克服轉速振蕩甚至失穩(wěn)，能大大改善柴油機調速系統(tǒng)的動態(tài)特性。

限制環(huán)節(jié)。限制環(huán)節(jié)即柴油限制環(huán)節(jié)，它將處理后的轉速指令限制信號、轉矩限制信號、增壓壓力限制信號、手動限油信號進行采集比較運算，取出較小者的轉速指令，傳遞給下一階段的信號轉換（但在應急狀態(tài)下可自動取消限制），這樣就能有效控制油門限定。

信號轉換。油門的開啟大小是由執(zhí)行電機轉動的決定的，信號轉換環(huán)節(jié)是將處理過后的準確信號轉換成執(zhí)行電機的轉動信號，將弱信號放大準確控制伺服電機，從而精確控制油門大小。

轉速反饋。此環(huán)節(jié)是將傳感器當前采集的柴油機轉速信號經過A/D轉換后發(fā)送至PID調節(jié)器之前，形成反饋回路，是柴油機轉速始終在指令信號的控制范圍內。

系統(tǒng)的硬件設計

1、周期法轉速測量原理

系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件主要有主控程序和中斷子程序兩部分組成，其中主程序部分完成PIC16F877單片機的初始化、主時序控制及過程控制（ 包括柴油機啟停、檢測、顯示及報警等），此外信號采集、脈沖計算、調節(jié)計算、輸出、通信及故障等針對性的控制過程，則采用中斷控制程序完成響應。

1、主控程序部分

按控制要求主控部分程序主要具有上電和復位初始化、檢測顯示、終端打開、故障報警恢復、顯示輸出等功能，另外，為提供系統(tǒng)的抗干擾能力，程序設計了定時刷新。

2、中斷子程序部分

中斷子程序部分主要包括：PWM脈沖輸出子程序、定時器中斷子程序、顯示子程序、通信子程序、驅動轉換子程序、速計算子程序、PID 控制調節(jié)子程序、參數調節(jié)子程序由主控程序符合中斷條件后自動調用、返回，不作具體介紹。

模擬調試及分析

結論

基于PIC16F877單片機的柴油機電子調速系統(tǒng)通過理論實踐相結合的實證研究，正確采集電子調速器的功能信息，并通過計算、設計、調試、模擬不斷完善柴油機電子調速實際所需的功能，調速器的功能必須需要硬件元件和軟件編程的統(tǒng)一，模擬運行使得系統(tǒng)功能更加完美，在今后的類似項目開發(fā)過程中可采用此方法進行研究。（基金項目：2010 年度浙江省教育廳科研計劃項目《現代船舶自動電站監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與推廣》，項目編號：Y201019169）

摘 要：本文主要介紹一種以PIC16F877單片機為核心的柴油機電子調速控制器設計開發(fā)， 通過分析柴油機電子調速系統(tǒng)的主要作用，闡述了電子調速器系統(tǒng)主要幾個組成部分及其功能， 提出能實現電子調速功能中硬件設計的周期法轉速測量原理并論述了PID調速計算方式，由此確定了硬件開發(fā)和軟件設計的研究方案。

關鍵詞：水路運輸 電子調速器 PID控制

在柴油機控制系統(tǒng)中，調速器的好壞決定著柴油機性能的優(yōu)劣，而以單片機作為核心的電子調速裝置能在柴油機遙控制系統(tǒng)的參數設置與調試、系統(tǒng)I/O的擴展、調速器模擬調試與整定等方面具有更大的優(yōu)越性，本文以PIC16F877單片機為核心的柴油機調速裝置研究與開發(fā)方面的一些探索。

系統(tǒng)的組成及功能

1、系統(tǒng)的組成

要實現柴油機遙控控制，就必須將指令給定的速率信號通過調速裝置計算后實現對柴油機執(zhí)行器的精確控制，使得電氣信號最終變?yōu)樗欧姍C轉動信號，輸出柴油機的要求油門。結合分析機械式調速器的結構，可以確定單片機開發(fā)的電子調速裝置必須包括PID調節(jié)器、限制環(huán)節(jié)、信號轉換及轉速反饋功能，具體如圖1所示（紅色虛線部分為本方案的電子調速器裝置）。

2、系統(tǒng)的功能

PID調節(jié)器。PID調節(jié)器是比例積分微分調節(jié)器，是柴油機電子調速器的主要組成部分，它將指令給定的柴油機輸出轉速和反饋轉速進行運算，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調速系統(tǒng)中可以克服轉速振蕩甚至失穩(wěn)，能大大改善柴油機調速系統(tǒng)的動態(tài)特性。

限制環(huán)節(jié)。限制環(huán)節(jié)即柴油限制環(huán)節(jié)，它將處理后的轉速指令限制信號、轉矩限制信號、增壓壓力限制信號、手動限油信號進行采集比較運算，取出較小者的轉速指令，傳遞給下一階段的信號轉換（但在應急狀態(tài)下可自動取消限制），這樣就能有效控制油門限定。

信號轉換。油門的開啟大小是由執(zhí)行電機轉動的決定的，信號轉換環(huán)節(jié)是將處理過后的準確信號轉換成執(zhí)行電機的轉動信號，將弱信號放大準確控制伺服電機，從而精確控制油門大小。

轉速反饋。此環(huán)節(jié)是將傳感器當前采集的柴油機轉速信號經過A/D轉換后發(fā)送至PID調節(jié)器之前，形成反饋回路，是柴油機轉速始終在指令信號的控制范圍內。

系統(tǒng)的硬件設計

1、周期法轉速測量原理

系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件主要有主控程序和中斷子程序兩部分組成，其中主程序部分完成PIC16F877單片機的初始化、主時序控制及過程控制（ 包括柴油機啟停、檢測、顯示及報警等），此外信號采集、脈沖計算、調節(jié)計算、輸出、通信及故障等針對性的控制過程，則采用中斷控制程序完成響應。

1、主控程序部分

按控制要求主控部分程序主要具有上電和復位初始化、檢測顯示、終端打開、故障報警恢復、顯示輸出等功能，另外，為提供系統(tǒng)的抗干擾能力，程序設計了定時刷新。

2、中斷子程序部分

中斷子程序部分主要包括：PWM脈沖輸出子程序、定時器中斷子程序、顯示子程序、通信子程序、驅動轉換子程序、速計算子程序、PID 控制調節(jié)子程序、參數調節(jié)子程序由主控程序符合中斷條件后自動調用、返回，不作具體介紹。

模擬調試及分析

結論

基于PIC16F877單片機的柴油機電子調速系統(tǒng)通過理論實踐相結合的實證研究，正確采集電子調速器的功能信息，并通過計算、設計、調試、模擬不斷完善柴油機電子調速實際所需的功能，調速器的功能必須需要硬件元件和軟件編程的統(tǒng)一，模擬運行使得系統(tǒng)功能更加完美，在今后的類似項目開發(fā)過程中可采用此方法進行研究。（基金項目：2010 年度浙江省教育廳科研計劃項目《現代船舶自動電站監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與推廣》，項目編號：Y201019169）

摘 要：本文主要介紹一種以PIC16F877單片機為核心的柴油機電子調速控制器設計開發(fā)， 通過分析柴油機電子調速系統(tǒng)的主要作用，闡述了電子調速器系統(tǒng)主要幾個組成部分及其功能， 提出能實現電子調速功能中硬件設計的周期法轉速測量原理并論述了PID調速計算方式，由此確定了硬件開發(fā)和軟件設計的研究方案。

關鍵詞：水路運輸 電子調速器 PID控制

在柴油機控制系統(tǒng)中，調速器的好壞決定著柴油機性能的優(yōu)劣，而以單片機作為核心的電子調速裝置能在柴油機遙控制系統(tǒng)的參數設置與調試、系統(tǒng)I/O的擴展、調速器模擬調試與整定等方面具有更大的優(yōu)越性，本文以PIC16F877單片機為核心的柴油機調速裝置研究與開發(fā)方面的一些探索。

系統(tǒng)的組成及功能

1、系統(tǒng)的組成

要實現柴油機遙控控制，就必須將指令給定的速率信號通過調速裝置計算后實現對柴油機執(zhí)行器的精確控制，使得電氣信號最終變?yōu)樗欧姍C轉動信號，輸出柴油機的要求油門。結合分析機械式調速器的結構，可以確定單片機開發(fā)的電子調速裝置必須包括PID調節(jié)器、限制環(huán)節(jié)、信號轉換及轉速反饋功能，具體如圖1所示（紅色虛線部分為本方案的電子調速器裝置）。

2、系統(tǒng)的功能

PID調節(jié)器。PID調節(jié)器是比例積分微分調節(jié)器，是柴油機電子調速器的主要組成部分，它將指令給定的柴油機輸出轉速和反饋轉速進行運算，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調速系統(tǒng)中可以克服轉速振蕩甚至失穩(wěn)，能大大改善柴油機調速系統(tǒng)的動態(tài)特性。

限制環(huán)節(jié)。限制環(huán)節(jié)即柴油限制環(huán)節(jié)，它將處理后的轉速指令限制信號、轉矩限制信號、增壓壓力限制信號、手動限油信號進行采集比較運算，取出較小者的轉速指令，傳遞給下一階段的信號轉換（但在應急狀態(tài)下可自動取消限制），這樣就能有效控制油門限定。

信號轉換。油門的開啟大小是由執(zhí)行電機轉動的決定的，信號轉換環(huán)節(jié)是將處理過后的準確信號轉換成執(zhí)行電機的轉動信號，將弱信號放大準確控制伺服電機，從而精確控制油門大小。

轉速反饋。此環(huán)節(jié)是將傳感器當前采集的柴油機轉速信號經過A/D轉換后發(fā)送至PID調節(jié)器之前，形成反饋回路，是柴油機轉速始終在指令信號的控制范圍內。

系統(tǒng)的硬件設計

1、周期法轉速測量原理

系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件主要有主控程序和中斷子程序兩部分組成，其中主程序部分完成PIC16F877單片機的初始化、主時序控制及過程控制（ 包括柴油機啟停、檢測、顯示及報警等），此外信號采集、脈沖計算、調節(jié)計算、輸出、通信及故障等針對性的控制過程，則采用中斷控制程序完成響應。

1、主控程序部分

按控制要求主控部分程序主要具有上電和復位初始化、檢測顯示、終端打開、故障報警恢復、顯示輸出等功能，另外，為提供系統(tǒng)的抗干擾能力，程序設計了定時刷新。

2、中斷子程序部分

中斷子程序部分主要包括：PWM脈沖輸出子程序、定時器中斷子程序、顯示子程序、通信子程序、驅動轉換子程序、速計算子程序、PID 控制調節(jié)子程序、參數調節(jié)子程序由主控程序符合中斷條件后自動調用、返回，不作具體介紹。

模擬調試及分析

結論

基于PIC16F877單片機的柴油機電子調速系統(tǒng)通過理論實踐相結合的實證研究，正確采集電子調速器的功能信息，并通過計算、設計、調試、模擬不斷完善柴油機電子調速實際所需的功能，調速器的功能必須需要硬件元件和軟件編程的統(tǒng)一，模擬運行使得系統(tǒng)功能更加完美，在今后的類似項目開發(fā)過程中可采用此方法進行研究。（基金項目：2010 年度浙江省教育廳科研計劃項目《現代船舶自動電站監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與推廣》，項目編號：Y201019169）