一種汽油發(fā)動(dòng)機(jī)感應(yīng)式數(shù)字轉(zhuǎn)速表設(shè)計(jì)

0 引言

　　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表能準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況?，F(xiàn)在,轎車一 般都是電子式轉(zhuǎn)速表,包括指針式和液晶數(shù)字顯示式,表內(nèi)有數(shù)字集成電路,它將點(diǎn)火線圈輸送過(guò)來(lái)的電壓脈沖經(jīng)過(guò)計(jì)算后驅(qū)動(dòng)指針移動(dòng)或數(shù)字顯示。另外還有一種 轉(zhuǎn)速表是從發(fā)電機(jī)取出脈沖信號(hào)送到轉(zhuǎn)速表電路解釋后顯示轉(zhuǎn)速值,不過(guò)因受發(fā)電機(jī)皮帶打滑等因素影響,數(shù)值不太精確[1-2]。目前,手持式轉(zhuǎn)速表應(yīng)用很 廣,有光電式轉(zhuǎn)速表、感應(yīng)式轉(zhuǎn)速表,還有用RF401等集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的遙測(cè)。有些產(chǎn)品雖然能達(dá)到很高的精度,但是在快速性和穩(wěn)定性 上還存在一定的欠缺,而且有些高端產(chǎn)品價(jià)格昂貴[3]。

　　針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種非接觸型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表,由天線接收脈沖信號(hào),單片機(jī)通過(guò)測(cè)量脈沖周期的方法得到脈沖頻率,并通過(guò)按鍵設(shè)置沖程與汽缸數(shù),計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,并顯示數(shù)據(jù).

　　轉(zhuǎn)速表工作原理

　 　汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火、排氣。對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī), 1個(gè)工作循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)1周,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火1次。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī), 1個(gè)工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)2周,點(diǎn)火1次。所以發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸有單缸和多缸,汽缸數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí),高壓軟管會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)火脈沖,測(cè)得此脈沖信號(hào)的頻率,按照發(fā)動(dòng)機(jī)的具體沖程和氣缸數(shù),通過(guò)一定的計(jì)算便可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值:
         
　　式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,r/min; f為點(diǎn)火脈沖頻率,Hz;s為沖程數(shù); c為氣缸數(shù)。
　　工作原理圖如圖1所示。
        
　 　文獻(xiàn)[4]中將采集到的脈沖信號(hào)發(fā)大整形,通過(guò)計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算點(diǎn)火脈沖的頻率。這種方法,當(dāng)測(cè)量由每秒轉(zhuǎn)速來(lái)表示發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn) 速時(shí),誤差就會(huì)被放大。雖然文獻(xiàn)[4]中采用一定方法法來(lái)降低誤差,但是不能消除誤差,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)測(cè)速精度仍然沒(méi)有明顯提高。而且抗干擾性能不佳使得測(cè) 量讀數(shù)有很大波動(dòng)。由于采樣周期長(zhǎng)導(dǎo)致到達(dá)穩(wěn)定值的過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng),尤其是在測(cè)低速時(shí)。

　　文中采用了脈沖周期測(cè)量法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。由于頻率與 周期成反比,所以如果可以精確測(cè)到相鄰點(diǎn)火脈沖間的寬度,那么結(jié)果在理論上將可以比上一種方法更精確。為了進(jìn)一步提高精度,在算法中還加入了平均值數(shù)字濾波模塊。脈沖周期測(cè)量法可以快速并且穩(wěn)定地顯示讀數(shù),而且精度很高。對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行了實(shí)車測(cè)量,結(jié)果證明了此方法的有效性。

   2　硬件電路設(shè)計(jì)
 
　　硬件部分包括信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元和顯示單元。信號(hào)采集單元由天線、放大、整形電路組成,由天線取得脈沖信號(hào),經(jīng)放大、整形后輸入信號(hào)處理單元;信號(hào)處理單元為單片　機(jī),按鍵連接單片機(jī)的輸入,單片機(jī)的輸出連接顯示單元;脈沖信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后進(jìn)行數(shù)字顯示。
 
　　2. 1　信號(hào)采集單元

　　天線集成在電路板上,在35~220 mm的測(cè)定范圍內(nèi),將轉(zhuǎn)速表靠近高壓軟線(無(wú)分電器的靠近高壓軟線束),高壓點(diǎn)火信號(hào)將被天線感應(yīng),通過(guò)RCL前端網(wǎng)絡(luò)耦合。由三極管組成共射放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,如圖2所示。
         

　　由LM339組成的遲滯比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的整形。輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)由CD4011組成的觸發(fā)電路和LM339組成的遲滯比較器進(jìn)一步整形,如圖3所示。

 
2. 2　信號(hào)處理單元和顯示單元

采用AT89C4051作為控制核心,AT89C4051是基于MSC-51內(nèi)核的簡(jiǎn)化單片機(jī),指令與標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)兼容,帶有4K可重新編程片上程序存儲(chǔ)器, 128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,多達(dá)15條可編程I/O線, 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,片上模擬比較器, 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口,內(nèi)部帶有振蕩器和時(shí)鐘電路。
 
顯示單元選擇6位8段的液晶顯示模塊LCM06XA.圖4為單片機(jī)與按鍵、液晶顯示器 等的接口電路。其中按鍵1和2用來(lái)選擇頁(yè)面設(shè)置汽缸和沖程參數(shù)。LED(發(fā)光二級(jí)管)在測(cè)量到脈沖信號(hào)時(shí)不斷閃爍。圖4中的S1為選擇開(kāi)關(guān),可選擇將整形 后的脈沖信號(hào)輸出給外部設(shè)備或通過(guò)單片機(jī)采樣計(jì)算出轉(zhuǎn)速然后顯示。
        
 
3　軟件程序設(shè)計(jì)
 
3. 1　主程序

　　(1)調(diào)用液晶初始化子程序。
　　(2)設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)器T0、T1的工作方式和初值(T0和T1均設(shè)為16位定時(shí)器)。
　　(3)初始化中斷系統(tǒng)。
　　(4)循環(huán)檢測(cè)按鍵是否按下并刷新顯示屏。
 
3. 2　中斷服務(wù)程序
 
　　(1)T1溢出中斷子程序。在測(cè)量模式下工作,計(jì)算溢出次數(shù)。

　　(2)外部中斷子程序。圖4所示處理后的信號(hào)與外部中斷1連接,當(dāng)信號(hào)的第2個(gè)上升沿到來(lái)時(shí),開(kāi)始讀取T1寄存器中的數(shù)值和溢出次數(shù),并將它們清零,計(jì)算出1個(gè)周期的時(shí)間并存入平值濾波數(shù)組,開(kāi)T1等待下一次中斷。

　　(3)T0定時(shí)中斷子程序。判斷轉(zhuǎn)速表工作模式,在設(shè)置模式下,T0用于0·5 s的顯示閃爍;在測(cè)量模式下,T0用于2 s的顯示刷新,每2 s計(jì)算1次轉(zhuǎn)速值并顯示。
 
3. 3　液晶初始化和顯示子程序

該程序完成LCD顯示模塊的顯示驅(qū)動(dòng)。
 
4　實(shí)測(cè)結(jié)果

利用PROTEL軟件設(shè)計(jì)了硬件電路,利用KEIL C軟件完成了單片機(jī)程序的編寫,制作出實(shí)驗(yàn)板,并且在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地分別做了測(cè)試。
 
在實(shí)驗(yàn)室使用頻率信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源,測(cè)得誤差在0 .03%以內(nèi)。在室外對(duì)某普通型號(hào)的摩托車(嘉爵JJ150T-4)、金杯牌普通化油器的汽車和豐田牌電噴汽車進(jìn)行了實(shí)車測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示,參考 值為日本小野測(cè)器SE-2500轉(zhuǎn)速表的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)結(jié)果證明了采用脈沖周期測(cè)量法的轉(zhuǎn)速表測(cè)量準(zhǔn)確,響應(yīng)速度快,讀數(shù)穩(wěn)定,而且成本低,適用于二沖 程、四沖程的單缸、多缸汽油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量以及汽油機(jī)的維修檢測(cè)及野外測(cè)量,有利于推廣。
         
 
5　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于脈沖周期測(cè)量法的非接觸汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表,采樣測(cè)量周期短,靈敏度高,測(cè)量數(shù)據(jù)精確,操作簡(jiǎn)單,并且達(dá)到了很高的性價(jià)比。可廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)、科研和汽車、摩托車的檢修中,同時(shí)可以為其他汽車檢測(cè)設(shè)備提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信號(hào)。該設(shè)計(jì)已成功投入生產(chǎn)并銷售。