發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

張國(guó)方 楊少武

摘要：為保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，文章設(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電控系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、超速時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的控制。設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)速采集模塊、單片機(jī)核心控制模塊、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊四大部分，并對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件程序進(jìn)行仿真調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速電控系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)仿真 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0021-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.011

1 概述

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，各項(xiàng)汽車新興技術(shù)的應(yīng)用，汽車的智能化程度、動(dòng)力性、安全性將越來(lái)越高。而有“汽車心臟”之稱的發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車動(dòng)力的來(lái)源，與汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用壽命等直接相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件不穩(wěn)定，經(jīng)常處于轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)和控制就顯得非常重要。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)和控制，要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)可動(dòng)態(tài)顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號(hào)中斷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)立刻熄火而無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，可提高怠速轉(zhuǎn)速；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，可限制最高轉(zhuǎn)速，防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)原理，以單片機(jī)芯片AT89C52作為核心控制器，通過(guò)硬件電路的制作以及軟件程序的編制，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速采集模塊、單片機(jī)核心控制模塊、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊組成。系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單清晰的結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)張。

2 系統(tǒng)控制方案

以單片機(jī)AT89C52為核心，若直接通過(guò)電磁感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生模擬信號(hào)，放大，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理，傳感器容易受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)環(huán)境的影響，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)。故采用霍爾式傳感器A3144，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，它具有對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、線性強(qiáng)等特點(diǎn)，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性價(jià)比。

AT89C52為中央處理芯片，用于數(shù)據(jù)處理、初值設(shè)定、定時(shí)和計(jì)數(shù)、顯示數(shù)據(jù)的輸出。當(dāng)時(shí)鐘電路的晶振產(chǎn)生外部振蕩脈沖信號(hào)送入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始有條不紊地工作。AT89C52執(zhí)行內(nèi)部的程序，處理從霍爾傳感器送來(lái)的信號(hào)，輸出到LED顯示，并在超過(guò)上下限值時(shí)開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)接口電路

本方案以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，此單片機(jī)為ATMEL公司的51系列單片機(jī)，除兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，AT89C52是一個(gè)內(nèi)置8位中央處理單元，擁有512B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和8K片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM，滿足了系統(tǒng)程序存儲(chǔ)需要。其共有32個(gè)雙向輸入/輸出（I/O）口，應(yīng)用靈活方便。3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口以及片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路，控制方式更加可靠。AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。

3.1.1 單片機(jī)的時(shí)鐘電路。單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時(shí)鐘信號(hào)。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激震蕩器。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。

3.1.2 單片機(jī)的復(fù)位電路。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機(jī)就能夠有效的復(fù)位。

3.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)的獲取

采用霍爾傳感器A3144作為轉(zhuǎn)速傳感器，利用霍爾元器件將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的脈沖信號(hào)，并通過(guò)每分鐘脈沖信號(hào)頻率數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的固定比值，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由于在Proteus中無(wú)法使用霍爾傳感器，故在仿真時(shí)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

3.3 顯示電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)前常用的顯示方法有LCD液晶顯示和LED數(shù)碼管顯示兩種。液晶顯示雖然功能強(qiáng)大，可以顯示較為復(fù)雜的數(shù)字、圖形、文字、符號(hào)等，但是也存在成本高、能耗高、二次開(kāi)發(fā)困難、顯示亮度低、不利于觀察、與單片機(jī)連接時(shí)接口電路驅(qū)動(dòng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。數(shù)碼管顯示不僅硬件電路簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，而且亮度較高、利于觀察讀數(shù)。本系統(tǒng)雖只顯示數(shù)字，但考慮到能耗較少、數(shù)碼管內(nèi)部元件比較簡(jiǎn)單、容易編程等因素，所以選擇了LED數(shù)碼管顯示。考慮到硬件設(shè)計(jì)的方便，采用了四位動(dòng)態(tài)顯示方案。由于采用共陽(yáng)極LED，P0不用加上拉電阻。通過(guò)單片機(jī)P2.4-P2.7控制對(duì)應(yīng)的LED位選線，利用段碼的數(shù)組對(duì)個(gè)十百千位進(jìn)行循環(huán)顯示，顯示每一位要注意延時(shí)時(shí)間是否合適，否則導(dǎo)致顯示不清晰。

3.4 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)上下限值或發(fā)動(dòng)機(jī)故障長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)速為零時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。由于單片機(jī)在正常狀態(tài)下各個(gè)端口是高電平，而正常狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)超速，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超速時(shí)可以使一個(gè)IO口變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)使sounder發(fā)聲，這時(shí)在sounder前加一個(gè)反向放大器就可以使得其在正常狀態(tài)不發(fā)聲，在低電平信號(hào)時(shí)發(fā)聲，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

3.5 步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。這里四相八拍步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)（傳動(dòng)比為10）帶動(dòng)節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)以控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，步進(jìn)角0.9度。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)增加節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為怠速控制，反轉(zhuǎn)減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為超速控制。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

在完成上述系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)軟件程序的編寫(xiě)，擴(kuò)充和完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)器初始化，定時(shí)中斷，顯示數(shù)據(jù)，步進(jìn)電機(jī)控制，報(bào)警。

軟件主程序如圖2所示，定時(shí)器計(jì)算器初始化后，計(jì)算器開(kāi)始對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)中斷時(shí)，在中斷程序中計(jì)數(shù)中斷關(guān)閉，傳遞計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，之后再開(kāi)啟定時(shí)計(jì)數(shù)中斷。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)判斷當(dāng)前的頻率是否超過(guò)上下限和長(zhǎng)期為零，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和超速時(shí)則啟用步進(jìn)電機(jī)控制子系統(tǒng)，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在Keil軟件里面進(jìn)行程序的編寫(xiě)和調(diào)試，0 Error（s），0 Warning（s）表明文件編譯結(jié)果沒(méi)有錯(cuò)誤。

5 系統(tǒng)仿真調(diào)試

通過(guò)上面發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電控系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件程序的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作已經(jīng)基本完成。接下來(lái)在Proteus中搭建虛擬的單片機(jī)仿真平臺(tái)，先對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測(cè)等，然后在Proteus平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)源程序設(shè)計(jì)、編輯、匯編編譯、調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件（*.hex），將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互、協(xié)同仿真。完成對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步的調(diào)試和改善工作后，按下開(kāi)始仿真按鈕，開(kāi)始進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖3所示：

圖3為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高（高于設(shè)定的門(mén)限值6500r/min），處于超速狀態(tài)，此時(shí)AT89C52單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，同時(shí)喇叭報(bào)警。

6 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車動(dòng)力的來(lái)源，其工作狀態(tài)的好壞直接影響汽車的使用和安全。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的重要參數(shù)，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制具有重大意義。本文在完成以單片機(jī)AT89C52作為核心控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在Proteus中搭建虛擬的單片機(jī)仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)速為零時(shí)，單片機(jī)控制指示燈和報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，節(jié)氣門(mén)打開(kāi)可提高怠速轉(zhuǎn)速；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，喇叭報(bào)警，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，限制最高轉(zhuǎn)速，防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）