飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐永紅 史賢俊 劉陵順

(煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院船舶工程系1，山東 煙臺(tái) 264676;海軍航空工程學(xué)院控制工程系2，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)直接影響飛機(jī)的飛行速度和戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮，也密切關(guān)乎飛機(jī)的飛行安全，所以在飛行過(guò)程中及時(shí)準(zhǔn)確了解和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)非常重要。與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)密切相關(guān)的參數(shù)就是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，在飛機(jī)的飛行過(guò)程中，確保發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性是十分必要的［1－4］。

為提高飛機(jī)使用過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指示表的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)了一種基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與儀表顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集處理與分析，由單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速指示表轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)直觀地反映轉(zhuǎn)速的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理與組成

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)主要由信號(hào)變換電路、AT89C51單片機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三大模塊組成。信號(hào)變換電路用來(lái)完成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)到單片機(jī)可采集信號(hào)的轉(zhuǎn)換;信號(hào)采集與處理分析部分由AT89C51單片機(jī)完成，是轉(zhuǎn)速指示表轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小的依據(jù);步進(jìn)電機(jī)為轉(zhuǎn)速指示表指示角度提供動(dòng)力。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，避免了因局部故障引起整體故障的發(fā)生;各部分電路之間加入電氣隔離環(huán)節(jié)，避免了信號(hào)間的相互干擾。

系統(tǒng)基于轉(zhuǎn)速指示器工作原理，由轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)并轉(zhuǎn)換為正弦交流電壓信號(hào);正弦波電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)單相橋式整流、電壓比較后變換為矩形波電壓信號(hào);矩形波電壓信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)89C51芯片系統(tǒng);單片機(jī)采集到脈沖信號(hào)后經(jīng)過(guò)軟件處理與分析，發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針指示［4］。

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)具體如下。

①輸入信號(hào)

假設(shè)模擬的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為100～5 000 r/min，負(fù)載為100 kΩ。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，輸出電壓不小于0.7 V;當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)，輸出電壓不小于5 V。信號(hào)頻率f=n/60，為單相正弦波。

②輸出信號(hào)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 0.45°/10(r·min－1)，即飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速每改變10 r/min，儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)0.45°。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的在線檢測(cè)與儀表顯示，其工作原理是通過(guò)硬件設(shè)計(jì)對(duì)外部轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集，并經(jīng)過(guò)AT89C51單片機(jī)芯片進(jìn)行運(yùn)算處理分析;然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻度來(lái)反映速度變化;最后通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示速度值，從而實(shí)現(xiàn)速度的在線檢測(cè)與顯示。

系統(tǒng)工作主要包括信號(hào)轉(zhuǎn)換與采集、信號(hào)運(yùn)算處理與分析、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制三個(gè)過(guò)程。信號(hào)轉(zhuǎn)換與采集過(guò)程主要是將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號(hào)并進(jìn)行頻率采集。首先，將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速與正弦電壓信號(hào)成一定比例轉(zhuǎn)換，即正弦電壓信號(hào)變化反映速度的變化;然后，正弦電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整流和電壓比較，轉(zhuǎn)換成矩形波脈沖信號(hào)，并送入單片機(jī)的外部中斷口，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。信號(hào)運(yùn)算處理過(guò)程是單片機(jī)將采集到的信號(hào)，利用一定的算法，經(jīng)過(guò)軟件編程后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的控制信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)控制過(guò)程主要是單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一定的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，從而帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻度，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的儀表顯示［3－4］。

轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與儀表顯示系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為整流、比較放大、AT89C51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、儀表、顯示和報(bào)警等模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of system

在本設(shè)計(jì)中，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供。整流電路是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是由四個(gè)整流二極管搭建而成的單相橋式整流電路，其功能是將輸入的正弦波電壓信號(hào)變換成直流電壓信號(hào)。但是僅靠二極管搭建成的整流電路輸出的直流電壓存在紋波，因此需要在電路中加入濾波環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用的是C型濾波電路，由于該系統(tǒng)采用的電源是小功率整流電源，并且系統(tǒng)的負(fù)載變動(dòng)不大，因此這里所采用的電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓較高，紋波也較小。

比較放大電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，它主要是由集成芯片LM339組成的遲滯電壓比較器。工作過(guò)程中，較平滑的直流電壓信號(hào)進(jìn)入電壓比較器，將帶有波形的電壓信號(hào)變換為矩形波電壓信號(hào)(0～5 V)，以便單片機(jī)進(jìn)行采集。

單片機(jī)模塊是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與儀表顯示系統(tǒng)的核心，內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。它實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、信號(hào)頻率測(cè)定與比較、步進(jìn)電機(jī)控制、顯示與報(bào)警等功能。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是由單片機(jī)輸出的信號(hào)來(lái)控制的，影響儀表指示精度的主要因素就在該環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用的是集成芯片達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器ULN2803。該芯片體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于掌握使用，只需單片機(jī)的幾個(gè)輸出接口便可控制［5－8］。

除此之外，本設(shè)計(jì)中還有一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)共陰極的數(shù)碼管組，共四個(gè)數(shù)碼管。數(shù)碼管用來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，這樣就可以更直觀地看到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。蜂鳴器用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超出設(shè)定范圍時(shí)的自動(dòng)報(bào)警。

2 系統(tǒng)工作流程與程序結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，外部模擬的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，先經(jīng)過(guò)整流濾波變換為直流電壓信號(hào)，再經(jīng)LM339電壓比較器變換為矩形波電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)光電隔離電路后的方波信號(hào)通過(guò)AT89C51單片機(jī)外部中斷INT0引腳輸入單片機(jī)進(jìn)行采集［9－10］。單片機(jī)采集到外部信號(hào)后調(diào)用內(nèi)部子程序計(jì)算出采集到的信號(hào)頻率，并進(jìn)行分析處理。單片機(jī)采集到第一個(gè)信號(hào)頻率后，直接發(fā)送控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，控制其啟動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度位置，至此完成一個(gè)采樣周期。

當(dāng)?shù)诙€(gè)采樣周期完成后，單片機(jī)將此時(shí)采集到的信號(hào)頻率與上一個(gè)采樣周期采集到的信號(hào)頻率相比較，如果大于上一個(gè)采樣周期采集到的信號(hào)頻率，則控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針正向偏轉(zhuǎn)一定的角度;如果小于上一個(gè)采樣周期采集到的信號(hào)頻率，則控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)一定的角度;如果與上一個(gè)采樣周期采集到的信號(hào)頻率相等，則控制步進(jìn)電機(jī)保持儀表指針上一個(gè)采樣周期指示的角度;如果此時(shí)刻采集到的信號(hào)頻率為零，則步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針歸零。如此一直循環(huán)下去。

由于儀表表盤(pán)刻度是有一定范圍的，為防止外部信號(hào)頻率變化引起儀表指針過(guò)零或超過(guò)最大刻度，本設(shè)計(jì)加裝了報(bào)警裝置。一旦出現(xiàn)指針過(guò)零或超過(guò)最大刻度，裝置立即自動(dòng)報(bào)警?？偨Y(jié)以上分析，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與儀表顯示系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Operational flowchart of the system

軟件設(shè)計(jì)中也采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主程序主要完成初始化、T0中斷方式及初值設(shè)置、T0和INT0中斷的開(kāi)啟、進(jìn)行標(biāo)志位判斷并調(diào)用各個(gè)子程序的功能，子程序包括采樣信號(hào)子程序(T0中斷和外部中斷INT0子程序)、頻率計(jì)算子程序、發(fā)送脈沖數(shù)和發(fā)送某頻率方波子程序、正反轉(zhuǎn)判斷子程序、加減速控制子程序、顯示報(bào)警子程序、指針?lè)祷爻跏嘉恢米映绦颉３绦蚪Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the program

當(dāng)信號(hào)頻率初值輸入時(shí)，儀表指針啟動(dòng)并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度位置;當(dāng)信號(hào)頻率不斷變化時(shí)，儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度;當(dāng)停止輸入頻率信號(hào)時(shí)，指針自動(dòng)回零，外部信號(hào)重新輸入后，則儀表指針又轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度位置?？傊?，當(dāng)改變頻率時(shí)，儀表指針就轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，當(dāng)中途按下復(fù)位按鈕，儀表指針便停在相應(yīng)的位置，停止按下復(fù)位按鈕，則儀表指針繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

信號(hào)頻率的輸入是在一定的范圍內(nèi)的，根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，單相正弦波交流信號(hào)的頻率f=n/60，范圍為100 ～5 000 r/min，計(jì)算的頻率范圍為1.83 ～83.3 Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變?chǔ)=10 r/min時(shí)，即頻率改變?chǔ)=1/6 Hz時(shí)，儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)0.45°。因儀表表盤(pán)刻度是有一定范圍的，為防止外部信號(hào)頻率變化引起儀表指針過(guò)零或超過(guò)最大刻度，軟件設(shè)計(jì)為當(dāng)兩路信號(hào)頻率變化不在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，若頻率突變，則儀表指針在原位置不動(dòng);當(dāng)頻率變化又恢復(fù)在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，儀表指針重新轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)改變頻率稍大時(shí)，精度達(dá)到了控制要求;當(dāng)頻率改變非常小時(shí)，即當(dāng)頻率改變?chǔ)＜1 Hz時(shí)，儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可能在0.3°～1°范圍內(nèi)波動(dòng)，存在一定的誤差。誤差產(chǎn)生的主要原因是由于頻率信號(hào)變化很小時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)以及減速機(jī)構(gòu)裝置有間隙而引起的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)技術(shù)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)與儀表顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，避免了因局部故障引起整體故障的發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有檢測(cè)與指示精度高、工作性能穩(wěn)定、體積輕巧、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的需要，有利于保證飛機(jī)飛行的完好率和安全性，便于地勤人員的使用和維護(hù)。

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