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信號(hào)發(fā)生器作為電控測量系統(tǒng)中應(yīng)用最為普通的電控測量儀器之一，是工業(yè)控制、教學(xué)、科研常用的基本儀器。雖然市場上逐漸出現(xiàn)了各種信號(hào)發(fā)生器，但其仍然擺脫不了體積大、操作按鈕多、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，給動(dòng)力系統(tǒng)工程人員外出調(diào)試和檢修電控設(shè)備帶來了不便。考慮到諸多因素，很有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡單、攜帶和使用方便的多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器。它能在不啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，模擬產(chǎn)生并輸出供現(xiàn)場所需的轉(zhuǎn)速(頻率)信號(hào)、給定電流信號(hào)來對電控設(shè)備(如電子調(diào)速器等)進(jìn)行調(diào)試，可大幅度地節(jié)省做試驗(yàn)的費(fèi)用(如燃油費(fèi)用等)，且調(diào)節(jié)精度高；在開機(jī)的狀態(tài)下可以檢測外部信號(hào)的頻率(即現(xiàn)場發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào))，進(jìn)行數(shù)值顯示，并且系統(tǒng)采用電池供電，所以該多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器的成功研制將給動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場測試帶來極大的方便，且具有較高的實(shí)用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。它主要由電源、頻率信號(hào)產(chǎn)生、頻率信號(hào)調(diào)理、頻率信號(hào)測量、電流信號(hào)產(chǎn)生、電流信號(hào)測量及單片機(jī)測量顯示等模塊構(gòu)成。可通過頻率調(diào)整旋鈕使其輸出頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，也可通過電流調(diào)整旋鈕使其輸出可調(diào)電流信號(hào)0～20 mA，并由數(shù)碼管顯示，此外它還能檢測外部輸入信號(hào)的頻率。由于調(diào)試對象主要是發(fā)動(dòng)機(jī)，所以轉(zhuǎn)速測量是該轉(zhuǎn)速模擬器的另一獨(dú)特功能。 
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 2．1 信號(hào)產(chǎn)生電路 (1) 頻率信號(hào)產(chǎn)生電路 頻率信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示。
本電路模塊的核心部件選用的是LM331電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片。它是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，具有頻率可調(diào)范圍大、低非線性、轉(zhuǎn)換精度高、可單電源供電等特點(diǎn)，與周圍電路一起實(shí)現(xiàn)V／F功能。其輸出信號(hào)的頻率可用公式 (1)計(jì)算：
式中：Vin的單位為V，表示U1的轉(zhuǎn)換電壓；R1、R2、 R3電阻的單位為Q；C。電容的單位為F；fout的單位為Hz，表示U1輸出的頻率值。可見，信號(hào)頻率與Vin成正比，有著很好的線性關(guān)系，只要選擇合適的電阻和電容，且變阻器W1的性能足夠好，就能夠保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。這里采用的電阻都是金屬膜電阻器。 (2)電流信號(hào)產(chǎn)生電路 電流信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。本電路模塊和頻率信號(hào)產(chǎn)生模塊共用一個(gè)滑動(dòng)變阻器W1。接線如下：J3-1、J3-2、J3-3分別接頻率信號(hào)產(chǎn)生電路中的 J1-1、J1-2、J1-3，通過選段開關(guān)來選擇頻率、電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W1的值可實(shí)現(xiàn)O～20 mA的電流輸出。該電路選用的核心部件是AD*。AD*是一種單片電壓電流轉(zhuǎn)換器(以下簡稱V／I)。它將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的O～20 mA電流信號(hào)，可廣泛用于壓力、流量、溫度等信號(hào)的參數(shù)傳遞，并對閥、調(diào)節(jié)器以及過程控制中一些常用設(shè)備的控制。
2. 2頻率信號(hào)調(diào)理電路 頻率信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。由于頻率信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的波形不是很規(guī)則，須經(jīng)過CD4013進(jìn)行整形處理，最后被單片機(jī)采集和LED顯示。若K1閉合，則短接了內(nèi)部信號(hào)和地，此時(shí)就可以取得外部脈沖信號(hào)(如從柴油機(jī)磁電傳感器來的正弦信號(hào))，因?yàn)門1和CD4013會(huì)將它們整形成脈寬比為1：1的方波，同樣可被單片機(jī)所采集。需要注意的是，單片機(jī)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮的是被分頻之后的脈沖信號(hào)，所以在軟件里對所計(jì)的脈沖數(shù)加倍。
2．3串行A／D轉(zhuǎn)換電路 串行A／D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。由AD*產(chǎn)生的O～20 mA電流，轉(zhuǎn)換成O～2．O V的模擬電壓信號(hào)后，連接到MAXl44的CH0和CHl端口。由于模擬信號(hào)電壓范圍為0～2．O V，因此可將MAXl44的參考基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2．048 V，這樣可以提高轉(zhuǎn)換精度，也便于轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。2．048 V的基準(zhǔn)電壓可由REFl91提供。
2．4 AT89C2051單片機(jī)測量顯示電路 測量顯示電路的核心部件是AT89C2051單片機(jī)，電路如圖6所示。其中復(fù)位看門狗采用MAX813L，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和程序監(jiān)測(在程序中實(shí)現(xiàn))；發(fā)動(dòng)機(jī)齒數(shù)由人工根據(jù)實(shí)際的齒數(shù)來設(shè)定，并被單片機(jī)所讀取；MAX7219為BCD譯碼器，起顯示驅(qū)動(dòng)作用；微處理器采用Atmel公司的AT89C2051，其內(nèi)部含2 KB程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、15個(gè)I／O口及2個(gè)定時(shí)器，足夠?yàn)楸径喙δ苻D(zhuǎn)速模擬器使用。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。它包括頻率／轉(zhuǎn)速測量、串行A／D轉(zhuǎn)換值讀取、數(shù)值顯示及相關(guān)處理部分。
3．1 頻率／轉(zhuǎn)速測量軟件設(shè)計(jì) 當(dāng)電路一上電，MAX813L產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，促使單片機(jī)復(fù)位，程序跳至起始地址0000h，首先對內(nèi)部寄存器和MAX7219初始化，如T0、T1、TMOD，接著對T0、T1、EXl開中斷。喂狗語句放在循環(huán)查詢處，給MAX813L喂狗的時(shí)間間隔應(yīng)小于1．6 s，否則它將再次產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，擾亂程序的正常運(yùn)行。接著檢測P1．3腳，若為低電平，則執(zhí)行串行A／D轉(zhuǎn)換值的讀取程序；若為高電平，則單片機(jī)在信號(hào)下降沿被觸發(fā)中斷，開通T1定時(shí)、T0計(jì)數(shù)。當(dāng)T1定時(shí)1 s到，關(guān)閉T0、T1，讀取T0值后，再對T0、T1開中斷，重新計(jì)時(shí)計(jì)脈沖數(shù)。接著計(jì)算(T0值乘以2)、判斷(當(dāng)不超過9999或等于0時(shí)，定為合法，并置FLAG標(biāo)志)，然后送MAX7219，經(jīng)其譯碼后在LED上顯示，并有頻率指示燈亮，告知使用者顯示的是頻率值，以便根據(jù)所需調(diào)整旋扭W1(見圖2)，使發(fā)生器發(fā)出想要的頻率值信號(hào)，這就是測量信號(hào)頻率的原理；若數(shù)值不合法，LED將不顯示或顯示0，此時(shí)應(yīng)調(diào)整W1直到合法。外來信號(hào)的頻率測量和顯示程序同前(需將扭轉(zhuǎn)開關(guān)旋到輸入檔)。若P2．7腳為低電平，則測量的是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，需將前面的頻率值代入轉(zhuǎn)速公式(2)： n= (f·60)／k(2) 式中：n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)，廠為所測到的頻率值(Hz)，k為發(fā)動(dòng)機(jī)測速齒輪的齒數(shù)。 可見單片機(jī)需要讀取齒數(shù)值，然后計(jì)算并判斷(n不大于9999)，并送LED顯示。需注意的是：上面所講的是先通過在1 s時(shí)間內(nèi)對轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，再代入公式(2)計(jì)算轉(zhuǎn)速。這種測量方法稱為測頻法。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則要使用測周期法：先測出脈沖平均周期，然后使用除法算出頻率值，代入轉(zhuǎn)速公式計(jì)算，顯示后跳至循環(huán)查詢處，然后使用除法算出頻率值，代入轉(zhuǎn)速公式計(jì)算，顯示后跳至循環(huán)查詢處，并繼續(xù)查詢定時(shí)中斷。 3．2 串行A／D轉(zhuǎn)換值的讀取軟件設(shè)計(jì) 由于MAX144與單片機(jī)的接口十分簡單，只需3根I／O線即可，故本系統(tǒng)使用單片機(jī)的P1．O、P1．1、P1．2。該電路采用內(nèi)部時(shí)鐘模式，單片機(jī)通過編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，并按時(shí)序讀出數(shù)據(jù)，其A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) (16位)可以存于MAXl44內(nèi)部的存儲(chǔ)單元R2、R3中，通過標(biāo)志位CHID可以區(qū)分CH0和CHl通道，然后將高4位屏蔽即可得到實(shí)際的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，利用ANLR3，0FH將高4位屏蔽。該程序結(jié)束后，R3內(nèi)為A／D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)的高4位，R2中為低8位，然后利用單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的程序轉(zhuǎn)換 (OFFFH對應(yīng)為2．048 V，即20．48 mA；0000H對應(yīng)為0 V，即0 mA)，即可顯示電流值的大小。 結(jié)語 本多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬器使用器件少，成本低，調(diào)節(jié)方便，易于實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，只要阻容元件的溫度系數(shù)低，則輸出頻率、電流是相當(dāng)穩(wěn)定的，因此性價(jià)比高。該多功能轉(zhuǎn)速模擬器的使用情況表明，其可靠性好、輸出穩(wěn)定、攜帶方便。 參考文獻(xiàn) 1. 魏榮年.楊光升 內(nèi)燃機(jī)測試 1994 2. 李朝青 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 1999 3. 李華 MCS- 51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) 1993 4. 李建忠 單片機(jī)原理及應(yīng)用 2002 5. 任國峰.李軍偉.張雨 單片機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用 [期刊論文] -汽車科技2006(1) 6. 付金龍.朱林劍 電壓/電流轉(zhuǎn)換器AD694原理及應(yīng)用 [期刊論文] -電測與儀表2000(11) 作者：北京城建設(shè)計(jì)研究總院 趙華偉 來源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2009 (4) |
