發(fā)動機轉速電控系統(tǒng)設計及仿真研究

張國方 楊少武

摘要：為保障發(fā)動機的正常運行，文章設計了以AT89C52單片機為核心的發(fā)動機轉速電控系統(tǒng)，對發(fā)動機轉速進行實時檢測，并在發(fā)動機怠速、超速時進行相應的控制。設計主要包括轉速采集模塊、單片機核心控制模塊、顯示模塊、步進電機控制模塊四大部分，并對系統(tǒng)硬件設計和軟件程序進行仿真調試，達到了預期設計效果。

關鍵詞：單片機；發(fā)動機；轉速電控系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；系統(tǒng)仿真 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：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，各項汽車新興技術的應用，汽車的智能化程度、動力性、安全性將越來越高。而有“汽車心臟”之稱的發(fā)動機作為汽車動力的來源，與汽車動力性、燃油經濟性、可靠性和使用壽命等直接相關。發(fā)動機由于結構復雜，工作條件不穩(wěn)定，經常處于轉速、負荷變化的條件下運轉，因此對于發(fā)動機轉速的檢測和控制就顯得非常重要。而對于發(fā)動機轉速的檢測和控制，要求發(fā)動機轉速信號可動態(tài)顯示，在發(fā)動機運行過程中，當傳感器出現(xiàn)故障導致信號中斷時，發(fā)動機應立刻熄火而無法運轉；當發(fā)動機轉速過低時，可提高怠速轉速；發(fā)動機轉速過高時，可限制最高轉速，防止損壞發(fā)動機。本設計基于單片機技術原理，以單片機芯片AT89C52作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，設計了一個實時檢測和控制發(fā)動機轉速的系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由轉速采集模塊、單片機核心控制模塊、顯示模塊、步進電機控制模塊組成。系統(tǒng)具有簡單清晰的結構，可隨時進行系統(tǒng)擴張。

2 系統(tǒng)控制方案

以單片機AT89C52為核心，若直接通過電磁感應式傳感器產生模擬信號，放大，再送入單片機進行處理，傳感器容易受發(fā)動機內環(huán)境的影響，會導致檢測不準。故采用霍爾式傳感器A3144，對發(fā)動機轉速進行實時檢測，它具有對于轉速信號的采集頻率高、抗干擾能力強、線性強等特點，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性價比。

AT89C52為中央處理芯片，用于數(shù)據(jù)處理、初值設定、定時和計數(shù)、顯示數(shù)據(jù)的輸出。當時鐘電路的晶振產生外部振蕩脈沖信號送入單片機時，單片機開始有條不紊地工作。AT89C52執(zhí)行內部的程序，處理從霍爾傳感器送來的信號，輸出到LED顯示，并在超過上下限值時開啟報警系統(tǒng)和控制電機轉動控制發(fā)動機轉速。

3 系統(tǒng)硬件架構設計

3.1 單片機接口電路

本方案以AT89C52單片機系統(tǒng)為核心，此單片機為ATMEL公司的51系列單片機，除兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，AT89C52是一個內置8位中央處理單元，擁有512B內部數(shù)據(jù)存儲器RAM和8K片內程序存儲器ROM，滿足了系統(tǒng)程序存儲需要。其共有32個雙向輸入/輸出（I/O）口，應用靈活方便。3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口以及片內時鐘振蕩電路，控制方式更加可靠。AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。

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

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

3.2 轉速信號的獲取

采用霍爾傳感器A3144作為轉速傳感器，利用霍爾元器件將發(fā)動機轉速轉化為單片機可識別的脈沖信號，并通過每分鐘脈沖信號頻率數(shù)與發(fā)動機轉速間的固定比值，計算出發(fā)動機轉速。由于在Proteus中無法使用霍爾傳感器，故在仿真時通過信號發(fā)生器產生模擬信號，送入單片機進行處理。

3.3 顯示電路的設計

當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大，可以顯示較為復雜的數(shù)字、圖形、文字、符號等，但是也存在成本高、能耗高、二次開發(fā)困難、顯示亮度低、不利于觀察、與單片機連接時接口電路驅動復雜等缺點。數(shù)碼管顯示不僅硬件電路簡單、造價低廉，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)碼管內部元件比較簡單、容易編程等因素，所以選擇了LED數(shù)碼管顯示。考慮到硬件設計的方便，采用了四位動態(tài)顯示方案。由于采用共陽極LED，P0不用加上拉電阻。通過單片機P2.4-P2.7控制對應的LED位選線，利用段碼的數(shù)組對個十百千位進行循環(huán)顯示，顯示每一位要注意延時時間是否合適，否則導致顯示不清晰。

3.4 報警電路的設計

在發(fā)動機轉速超過上下限值或發(fā)動機故障長時間轉速為零時進行聲光報警。由于單片機在正常狀態(tài)下各個端口是高電平，而正常狀態(tài)下發(fā)動機轉速不會超速，所以在發(fā)動機轉速超速時可以使一個IO口變?yōu)榈碗娖叫盘柺箂ounder發(fā)聲，這時在sounder前加一個反向放大器就可以使得其在正常狀態(tài)不發(fā)聲，在低電平信號時發(fā)聲，而當發(fā)動機故障時進行聲光報警。

3.5 步進電機控制電路的設計

轉速控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件是系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。這里四相八拍步進電機通過減速機構（傳動比為10）帶動節(jié)氣門轉動以控制發(fā)動機進氣量，從而控制發(fā)動機轉速，步進角0.9度。步進電機正轉增加節(jié)氣門開度為怠速控制，反轉減小節(jié)氣門開度為超速控制。

4 系統(tǒng)軟件程序設計

在完成上述系統(tǒng)硬件架構設計的基礎上，通過對軟件程序的編寫，擴充和完成發(fā)動機轉速電控系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)的程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的定時器計數(shù)器初始化，定時中斷，顯示數(shù)據(jù)，步進電機控制，報警。

軟件主程序如圖2所示，定時器計算器初始化后，計算器開始對脈沖計數(shù)。定時中斷時，在中斷程序中計數(shù)中斷關閉，傳遞計數(shù)器存儲的數(shù)據(jù)，之后再開啟定時計數(shù)中斷。單片機對數(shù)據(jù)進行處理并在數(shù)碼管上顯示，同時判斷當前的頻率是否超過上下限和長期為零，如果在發(fā)動機怠速和超速時則啟用步進電機控制子系統(tǒng)，進而控制發(fā)動機的轉速。

在Keil軟件里面進行程序的編寫和調試，0 Error（s），0 Warning（s）表明文件編譯結果沒有錯誤。

5 系統(tǒng)仿真調試

通過上面發(fā)動機轉速電控系統(tǒng)硬件架構和軟件程序的設計，系統(tǒng)設計工作已經基本完成。接下來在Proteus中搭建虛擬的單片機仿真平臺，先對單片機系統(tǒng)電路設計、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等，然后在Proteus平臺上進行單片機系統(tǒng)源程序設計、編輯、匯編編譯、調試，最后生成目標代碼文件（*.hex），將目標代碼文件加載到單片機系統(tǒng)中，實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的實時交互、協(xié)同仿真。完成對系統(tǒng)進一步的調試和改善工作后，按下開始仿真按鈕，開始進行仿真實驗。仿真結果如圖3所示：

圖3為當發(fā)動機轉速過高（高于設定的門限值6500r/min），處于超速狀態(tài)，此時AT89C52單片機控制步進電機開始反轉，節(jié)氣門開度減小，同時喇叭報警。

6 結語

發(fā)動機作為汽車動力的來源，其工作狀態(tài)的好壞直接影響汽車的使用和安全。發(fā)動機轉速是影響發(fā)動機功率的重要參數(shù)，因此對發(fā)動機轉速進行實時檢測和控制具有重大意義。本文在完成以單片機AT89C52作為核心控制器的發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)硬件架構設計和軟件程序設計的基礎上，在Proteus中搭建虛擬的單片機仿真平臺，對系統(tǒng)進行仿真調試，當發(fā)動機發(fā)生故障長時間轉速為零時，單片機控制指示燈和報警器進行聲光報警；當冷啟動發(fā)動機轉速過低時，步進電機正轉，節(jié)氣門打開可提高怠速轉速；發(fā)動機轉速過高時，喇叭報警，同時步進電機開始反轉，節(jié)氣門開度減小，限制最高轉速，防止損壞發(fā)動機。

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（責任編輯：周 瓊）