單片機(jī)在船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用研究

秦 珩

單片機(jī)在船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用研究

秦 珩

（海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116018）

本文研究以單片機(jī)為核心，以磁電式轉(zhuǎn)速傳感器做探頭的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。介紹了主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的技術(shù)要求、系統(tǒng)組成及轉(zhuǎn)速信號(hào)的獲取原理。給出了轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路及工作原理，有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合和使用價(jià)值。

主機(jī)轉(zhuǎn)速 單片機(jī) 傳感器

0 引言

船舶主機(jī)運(yùn)行最重要的參數(shù)-主機(jī)轉(zhuǎn)速，這個(gè)參數(shù)直接反映船舶狀態(tài)和主機(jī)工況，是船舶航行和主機(jī)運(yùn)行管理的最核心參數(shù)。對(duì)于它的測(cè)量精度、可靠性要求十分高。同時(shí)，現(xiàn)代船舶的電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用，船上許多部位都需要轉(zhuǎn)速參數(shù)，不同部位不同設(shè)備要求不同的轉(zhuǎn)速信號(hào)形式。因此，十分必要研究一種測(cè)量精度高、可靠穩(wěn)定、輸出多種信號(hào)形式的主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。單片機(jī)由于有強(qiáng)大的計(jì)算和接口功能，很好的工作穩(wěn)定性和高的可靠性，十分適合用于轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。本研究采用單片機(jī)及其外部信號(hào)處理接口，設(shè)計(jì)制作了先進(jìn)的主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。

1 主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置技術(shù)要求

對(duì)于現(xiàn)代船舶主機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量提出以下技術(shù)要求：測(cè)量精度≤0.5%；測(cè)量方法：磁脈沖非接觸測(cè)量；測(cè)量周期：1秒；輸出信號(hào)：電壓輸出：-10 V～+10 V，-5 V～+5 V，0～+10 V；正反轉(zhuǎn)輸出：正轉(zhuǎn)+24 V，反轉(zhuǎn)0 V（隔離輸出）；轉(zhuǎn)速脈沖光電隔離輸出；數(shù)據(jù)輸出：RS485；工作電源DC24V

2 系統(tǒng)組成

本測(cè)速裝置由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)速裝置（由濾波、整形、處理、單片機(jī)、輸出接口等電路組成)，其組成框圖如下（圖1）

3 轉(zhuǎn)速信號(hào)的獲取

船舶主機(jī)輸出端飛輪（或軸系）外圍都布置有一圈齒輪，其齒數(shù)量一般為60～120個(gè)，飛輪齒與轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意如下圖2。

圖1 測(cè)速裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意圖

轉(zhuǎn)速信號(hào)獲取原理如下：主機(jī)啟動(dòng)有轉(zhuǎn)速后，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，磁電傳感器與齒項(xiàng)和齒隙會(huì)發(fā)生一次磁通量的變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在傳感器內(nèi)部線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，由線圈輸出端以電壓形式輸出，此電壓的頻率高低與轉(zhuǎn)速快慢成正比，傳感器輸出電壓頻率信號(hào)與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

=/60×（1）

式中：-傳感器輸出電壓頻率Hz；

-主機(jī)轉(zhuǎn)速min/r；

-飛輪一圈的齒數(shù)。

由上式可知：只要測(cè)量出傳感器輸出信號(hào)的頻率，便可計(jì)算出主機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入前端處理電路

傳感器輸出的頻率信號(hào)是一個(gè)不規(guī)則的波形，并帶有干擾和毛刺。為此，須對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波與整形，去掉毛刺和干擾，整形成規(guī)則的方波，其電路如下圖3。

兩支轉(zhuǎn)速傳感器分別輸入至n1，n2，不規(guī)則帶有毛刺的頻率信號(hào)經(jīng)RC濾波，經(jīng)D1～D4二極管限幅后，進(jìn)入電壓比較器LM393/P3端，經(jīng)LM393比較整形，由P1輸出干凈規(guī)范的方波信號(hào)，再送到單片機(jī)8031的計(jì)數(shù)器輸入端，LM393P/2端引入一個(gè)電阻分壓的門(mén)檻電壓，可減少地線及其他干擾。為保證整形方波的正確與準(zhǔn)確，防止外界干擾對(duì)單片機(jī)運(yùn)行的影響，轉(zhuǎn)速方波信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，再加一道光電隔離，圖中TLP521光電耦合器完成此工作。

圖3 轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入處理電路

4.2 單片機(jī)及其外圍電路工作原理

測(cè)速裝置的電路圖見(jiàn)圖4。本文中采用的89C52單片機(jī)，是一種內(nèi)帶程序存儲(chǔ)器的高性能單片機(jī)，功能強(qiáng)大，接口豐富且方便，多年來(lái)一直在工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。89C52的主要性能功能如下：

8位CPU；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM256B；片內(nèi)8KEEPROM；64K外部ROM；64K外部RAM；6個(gè)中斷源；32根可編程I/O線；可編程串行通訊口；51指令集。

本裝置中的89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速頻率方波信號(hào)采集、處理、運(yùn)算及其輸出。

4.2.1單片機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集原理

由圖4可見(jiàn)，1#轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)經(jīng)處理成方波信號(hào)輸入至89C52的TO（P3.4）及INTO（P3.2），2#轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸入至T1（P3.5)及INT1（P3.3），89C52的T0定義為計(jì)數(shù)器，INT0定義為外部中斷輸入，INT1定義為外部中數(shù)輸入，89C52的T1定義為定時(shí)器即時(shí)鐘，T1設(shè)置為1秒周期定時(shí)中斷。對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)量要完成2個(gè)任務(wù)，一是測(cè)量其頻率，二是測(cè)量其轉(zhuǎn)向即相位。

主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量原理：T1定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)TO計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)外部轉(zhuǎn)速脈數(shù)，T1定時(shí)器1秒計(jì)時(shí)到停止計(jì)時(shí)，T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，則T0計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值便是主機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率值，按公式1便計(jì)算出主機(jī)轉(zhuǎn)速值。

主機(jī)轉(zhuǎn)向測(cè)量原理；2支轉(zhuǎn)速傳感器安裝同一飛輪處，但2支傳感器安裝時(shí)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)一定位置。即：1#傳感器對(duì)準(zhǔn)一個(gè)齒項(xiàng)面中心線，2#傳感器則錯(cuò)開(kāi)齒項(xiàng)面半個(gè)齒面距。正轉(zhuǎn)時(shí)，1#傳感器應(yīng)脈沖超前2#傳感器，而反轉(zhuǎn)時(shí)2#傳感器感應(yīng)脈沖超前1#傳感器，單片機(jī)的INT0和INT1中斷輸入分別輸入1#傳感器和2#傳感脈沖，由中斷的先后可判斷1#還是2#超前，從而判斷主機(jī)的轉(zhuǎn)向。在單片機(jī)初始化程序里對(duì)定時(shí)器、中斷、串口進(jìn)行如下設(shè)置：

定時(shí)器設(shè)定：TMOD=00010101

中斷設(shè)定：EX0=1 ET0=0 EX1=0 ET1=1 ES=1 EA=1 PX0=1

串口設(shè)定：SCON=01110000

圖4 測(cè)速裝置的電路圖

4.2.2轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出電路原理

（1）光電隔離輸出轉(zhuǎn)速頻率脈沖

見(jiàn)圖4 由整形隔離后的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)89C52T0（P3.4）輸入至74S04/P3，反向驅(qū)動(dòng)后至光電耦合器TLP521-4/P4，再由光耦P13輸出至可編程控制器（PLC），用于主機(jī)遙控。

（2）正反轉(zhuǎn)速模擬電壓輸出

圖4中的TLC5620是8位串行4路D/A芯片，即數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。

通過(guò)簡(jiǎn)單的4線串行總線可對(duì)LC5620實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，此總線與CMOS兼容且易于與所有常用的微處理器和微控制器器件接口。11位的命令字由8位數(shù)據(jù)，2個(gè)DAC選擇位以及1個(gè)范圍（range）組成。后者允許在一倍或二倍輸出范圍之間作出選擇。DAC寄存器是雙緩沖的，允許完整的新數(shù)值組寫(xiě)入器件，然后DAC輸出通過(guò)LDAC端的控制同時(shí)更新。數(shù)字輸出端的特點(diǎn)是帶有斯密特（Schmitt)觸發(fā)器，該電路具有高的噪聲抑制能力。

1403提供2.5 V電壓基準(zhǔn)至TLC5620的DACA、DACB、DACC、DACD電壓基準(zhǔn)端，輸出電壓V0=VREF×CODE/256，串行數(shù)據(jù)中包含8位數(shù)字電壓量和3位輸出通道選擇量。單片機(jī)51匯編程序通過(guò)89C52的P3.0、P3.1、P1.0、P1.2端口，4根I/O線控制TLC5620的4路D/A輸出。其中兩路輸出經(jīng)運(yùn)放緩沖放大為正輸出即0～+10 V或0～+5 V，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速0～滿量程。其中一路輸出經(jīng)運(yùn)放正負(fù)放大緩沖，輸出正負(fù)電壓轉(zhuǎn)速信號(hào)，即-10 V～+10 V對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速-100%～0～+100%轉(zhuǎn)速。輸出電壓幅值根據(jù)接收外部設(shè)備要求，可調(diào)整輸出電壓幅值，以滿足不同儀表及設(shè)備的要求。

表1 TLC5620芯片各引腳功能如下表

4.2.3轉(zhuǎn)速信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸

考慮到許多船舶設(shè)備都有RS485接口，本裝置設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過(guò)RS485串行通訊口，選用MAX483作為RS485標(biāo)準(zhǔn)口使用，89C52串行口通過(guò)MAX483轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊，可遠(yuǎn)距離穩(wěn)定可靠的傳輸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由8051匯編語(yǔ)言完成，程序流程圖如圖5所示。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目研究的以單片機(jī)為核心的主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，采用了濾波、整形、單片機(jī)、D/A輸出、串口通訊及其軟件等電子技術(shù)。其功能強(qiáng)大，測(cè)量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)形式多樣，可駁接多種外部?jī)x表與設(shè)備，該轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置已在多艘艦船上應(yīng)用。此技術(shù)可廣泛推廣到其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的測(cè)量上。

圖5 程序流程圖

[1] 詹樹(shù)仁. Maxim 集成電路手冊(cè)[M]. 武漢: 武漢力源單片機(jī)技術(shù)研究所, 1994．

[2] 蘇偉斌. 805系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1997．

[3] 1996 New Releases Data Book Volume V[M]. Maxim, 1996.

Research on the Application of MCU in the Measurement of Marine Main Engine Speed

Qin Heng

（PLA Dalian Naval Academy, Dalian116018, Liaoning, China）

TP36

A

1003-4862（2021）10-0016-04

2021-01-29

秦珩（1975-），男，高級(jí)工程師。研究方向：輪機(jī)工程。E-mail: hghxg@163.com