基于單片機的主機測速系統(tǒng)設計

韓宇亮，陳 甜，鞠冀軍，王家宏，張浩然，沈 威

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316000；2.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學院，浙江 舟山 316000)

船舶主機的轉(zhuǎn)速是監(jiān)測船舶航行過程穩(wěn)定性的一個重要運行指標，它實時反映了船舶主機的外界負荷變化[1]。因此，工作人員應密切關(guān)注主機轉(zhuǎn)速的變化，確保及時了解航行速度，保障人員的安全。隨著造船工業(yè)向著高速化、自動化方向發(fā)展,在數(shù)字化系統(tǒng)中通過單片機測量柴油機轉(zhuǎn)速，可使船舶更加高效運轉(zhuǎn)，防止因柴油機轉(zhuǎn)速異常帶來安全隱患。同時，傳統(tǒng)主機測速環(huán)節(jié)采用帶相敏元件的交流測速電機，從成本、精度以及可靠性的角度考慮，都急需改進。

1 傳統(tǒng)異步發(fā)電機測速

圖1 異步電機測速原理示意圖

用于船舶轉(zhuǎn)速指示儀的異步測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器、齒輪與主機凸輪軸聯(lián)結(jié)。在實際應用中，可以將多個轉(zhuǎn)速指示儀并聯(lián)到輸出電壓側(cè)，分別傳輸?shù)今{駛室、集控室和主機機艙。但由于直軸方向的感生磁場為交變磁場，實際的異步測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴格的線性關(guān)系[2]。此外考慮到勵磁電源、溫度、漏磁通和負載影響，此類型的測速原件無法達到高精度，而且這種方式測得的誤差越小，成本越高，對維護的要求也會越高。因此，需要設計一種簡單、精確、成本較低的測速系統(tǒng)。

2 基于單片機的數(shù)字測速系統(tǒng)

基于單片機的主機測速系統(tǒng)硬件設計原理是將船舶主機的盤車機齒輪固定在軸上作為待測物體，齒輪運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的信號經(jīng)磁脈沖傳感器接收后，送入集成運算放大電路中，將正弦波信號放大，然后將放大后的信號接入到D型觸發(fā)器中。D型觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)特性，可以將正弦波轉(zhuǎn)換為單片機能識別的矩形波。然后單片機通過脈沖捕捉，將待測物體產(chǎn)生的頻率以一定比例進行轉(zhuǎn)化，最后計算出相應的主機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速數(shù)值會發(fā)送給駕駛臺和集控臺，同時在機旁數(shù)碼顯示模塊中顯示，數(shù)值中的正負對應轉(zhuǎn)速的方向。磁脈沖傳感器原理示意圖如圖2所示。

圖2 磁脈沖傳感器原理示意圖

2.1 磁脈沖測速原理與組成

磁脈沖傳感器磁頭與盤車機齒輪頂之間保持一個較小的間隙。當主機的齒輪轉(zhuǎn)動時，磁頭將交替對準齒頂和齒槽，使所測得的電磁數(shù)值發(fā)生周期性的變化，最終傳感器獲得的信號將以脈沖的形式輸出[3]。磁脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖信號的頻率與主機的轉(zhuǎn)速成比例，測速系統(tǒng)所得的信號頻率用f表示，通過所選齒輪的齒數(shù)z與信號頻率所得的頻率f以及齒輪在單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速n，可以得到n=60f/z，r/s。

實際上，磁脈沖傳感器感應的脈沖是很難精準捕捉到的，直接獲得的正弦信號較弱，這就需要對信號進行相關(guān)的變換處理[4]。將傳感器的輸出脈沖接入到放大電路的輸入端，對接收后的信號做過濾變換，使其質(zhì)量變得更好。過濾后的電壓信號進行放大處理，然后借助D型觸發(fā)器將正弦信號轉(zhuǎn)變?yōu)榍度胧叫酒茏R別的方波，最后將其輸出。

磁脈沖傳感器內(nèi)部有永磁鐵、軟磁芯、線圈，外部是由緊固螺母以及傳感器安裝架組成。齒輪在轉(zhuǎn)動時，齒輪與磁鐵的距離在不斷產(chǎn)生變化，如果是齒頂正對磁鐵，那么磁阻減小，磁場增強，產(chǎn)生高電平信號；如果是齒谷正對磁鐵，那么磁阻增大，磁場減小，產(chǎn)生低電平信號。產(chǎn)生的高低電平信號就在不斷交替，從而產(chǎn)生的脈沖信號也在不斷變化，磁脈沖接口端有兩根線，其中一根線與大地相連接，另一根則是接入放大電路的輸入端。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件整體設計流程圖見圖3(R7為寄存器)。

圖3 系統(tǒng)軟件整體設計流程圖

為了實現(xiàn)單片機的計數(shù)功能，首先需要一個最初定義值，將該最初值定義好后，單片機經(jīng)由自身運算將得到的數(shù)值傳送到數(shù)碼管，數(shù)碼管會根據(jù)編寫的相應代碼對得到數(shù)值進行顯示。編程時要求主機在發(fā)生正反轉(zhuǎn)向變化時，能夠有對應的函數(shù)代碼進行指令轉(zhuǎn)換的接收，使其對轉(zhuǎn)向變化進行正確判斷后，還能將這一現(xiàn)象反映在數(shù)值變化上。當主機在進行正向運轉(zhuǎn)時，調(diào)出正轉(zhuǎn)指令對應的數(shù)碼管數(shù)值代碼，使正轉(zhuǎn)這一動作可以正確的表現(xiàn)在數(shù)值變化上，顯示器上顯示的數(shù)值為正數(shù)；當主機在進行反向運轉(zhuǎn)時，調(diào)出對應的反轉(zhuǎn)指令執(zhí)行的數(shù)值代碼，使反轉(zhuǎn)這一動作可以正確的表現(xiàn)在數(shù)值變化上，顯示器上顯示的數(shù)值為負數(shù)。最后，整個程序的進行需要調(diào)用延遲子程序。這樣，在對程序進行修改之后，可以在仿真軟件上運行，觀察結(jié)果是否與預期一致。

3 仿真調(diào)試

Proteus 能夠仿真單片機的 CPU 運行狀況，更能仿真單片機的外圍電路，即仿真沒有單片機配合的另外電路的運行狀況[5]。圖4為系統(tǒng)的仿真電路示意圖。

圖4 仿真電路示意圖

首先，系統(tǒng)將磁脈沖發(fā)生器發(fā)出的正弦信號經(jīng)過信號處理轉(zhuǎn)化為方形波，然后將處理后的方形波信號通過單片機的P3.5接口接入程序中，使其在該系統(tǒng)內(nèi)部進行高速計算和運行指令,得出當前轉(zhuǎn)速值。也可通過單刀雙擲開關(guān)進行模擬主機工況，判斷主機是正車運轉(zhuǎn)還是倒車運轉(zhuǎn)。如果主機是正車運轉(zhuǎn)，則將單刀雙擲開關(guān)打到單片機的P1.6端口，這樣單片機在進行信號處理并運行完內(nèi)部相應的程序之后，第一個數(shù)碼管(P0端口連接的)上的顯示屏不亮；如果此刻主機是倒車運轉(zhuǎn)，單刀雙擲開關(guān)是打到單片機的P1.7端口，這樣單片機在進行指令后并進行對應的計算后，會在第一個數(shù)碼管(P0端口連接的)上顯示屏上顯示符號“—”。為了保證得到的數(shù)值更具有可行性，同時避免偶然誤差造成數(shù)值變化，需要在得到最后的結(jié)果時等1～2 s。

4 結(jié)果分析

針對實驗過程以及結(jié)果進行分析，首先得知,對于待測物體進行周期運動時產(chǎn)生的信號都是正弦波。為了體現(xiàn)運算放大電路及D型觸發(fā)器的作用，接入兩路到示波器的輸入端，一路正弦脈沖輸入直接接到示波器顯示正弦波的接口，另一路將正弦信號輸出給放大電路之后，再經(jīng)D型觸發(fā)器接入到示波器顯示矩形波的接口，可以在示波器上顯示出2種對應的波形。

觸發(fā)器是一個具有記憶功能的信息存儲器件，其具有的2個穩(wěn)定狀態(tài)可以做波形發(fā)生觸發(fā)器的2個狀態(tài)，即“0”和“1”。當正弦信號達到上下電壓閾值，觸發(fā)器會從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。從仿真的結(jié)果看，可以非常明顯地看出原先經(jīng)過傳感器得到的正弦信號波經(jīng)過放大整形電路及D型觸發(fā)器后得到了完整的矩形波。同時在示波器上對原始信號和轉(zhuǎn)換后的矩形波進行對比分析，顯示裝置信號波形變換的功能運行正常，符合主機測速系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)束語

單片機主機測速的方式不但極大的簡化了系統(tǒng)，而且使控制精度和故障監(jiān)測更為靈敏，文中介紹的主機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，可以接入計算機控制系統(tǒng)，進行每秒百萬次的數(shù)據(jù)輸出，精確可靠且維護成本低。磁脈沖測速系統(tǒng)也有不足之處，例如機艙電磁環(huán)境復雜時，特別是將來中壓電力系統(tǒng)(6.6 kV)的廣泛應用，對傳感器的輸出將會有很大影響，有待進一步改進。