基于單片機設(shè)計的發(fā)動機測量方法

1 引言

在航空發(fā)動機中，對振動的監(jiān)控具有重要的作用，它可以有效的分析發(fā)動機的工作情況，同時振動值也是發(fā)動機性能評定的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而如何正確測量發(fā)動機的振動參數(shù)，如振動的速度，位移和加速度也就成為了一個重要的研究內(nèi)容。本文即從此方向入手，進行一種方法的論述與實現(xiàn)。

2　測量原理分析

由于發(fā)動機振動速度傳感器輸出的頻率信號與發(fā)動機振動速度成正比，可采用頻率測量法，即通過測量發(fā)動機傳感器的輸出頻率來得到相應(yīng)的振動速度。同時，由發(fā)動機振動形成機理和實踐經(jīng)驗可知，傳感器的輸出頻率中混雜有高頻和低頻噪聲信號，為了提高測量精度，必須將其過濾掉，因此首先對得到的振動速度信號進行放大和高、通濾波處理。振動的速度、位移和加速度信號之間存在著一定的關(guān)系，將濾波后的振動速度信號經(jīng)過積分，可得到振動位移信號，經(jīng)過微分，可得到振動的加速度信號。為了提高測量的準(zhǔn)確性，通過模擬開關(guān)和RMS幅值測量元件將上述信號轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，這樣可得到非常穩(wěn)定的頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數(shù)。

脈沖頻率的計數(shù)由單片機內(nèi)部16位計數(shù)器完成，計數(shù)的閘門時間（時基）由晶振提供，此設(shè)計中還利用了數(shù)字濾波技術(shù)來提高轉(zhuǎn)速的測量精度和測量穩(wěn)定性。

在設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)的維護性，增加了自校功能，將選擇開關(guān)打到"自校"時，由頻率信號給定器給出頻率信號送入系統(tǒng)中，通過看輸出結(jié)果來決定是否進行校正。同時為了方便使用，加入靈敏度系數(shù)調(diào)整機制，并在每次系統(tǒng)開機后自動由E2PROM加載到系統(tǒng)的內(nèi)存RAM中，在調(diào)整了靈敏度值、系統(tǒng)關(guān)機或突然斷電的時候，會由中斷程序?qū)?dāng)前靈敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用（見圖2主程序流程圖）。為了保證系統(tǒng)的可靠性，看門狗電路也是不可少的。

3　具體實現(xiàn)

3.1 　測量振動量

根據(jù)上面的分析，進行硬件的設(shè)置，繪制測量系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1　總體框圖

通過速度傳感器得到振動速度信號后，進行放大和高、低通濾波處理。濾波后，分為三路，一路經(jīng)過運放匹配電路，得到振動速度信號，一路經(jīng)過積分電路，得到振動位移信號，一路經(jīng)過微分電路，得到振動的加速度信號。三種信號經(jīng)過測量選擇開關(guān)的選擇，將欲測量的一路信號通過模擬開關(guān)，輸送到RMS幅值測量元件 AD637中，將其轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數(shù)。

MCS－51系列單片機內(nèi)部設(shè)置了兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器和定時器兩種工作方式和四種工作模式，通過設(shè)置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時，單片機設(shè)有兩個外部中斷，相應(yīng)信號輸入引腳是INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請求信號。在此，采用計數(shù)器T0的16位計數(shù)模式，用于對輸入頻率信號的計數(shù)，T1采用定時方式，定時時間為0.1s，4次定時0.4s，在中斷服務(wù)程序中讀取T0內(nèi)容并計算和顯示振動值,具體見圖4，T1中斷服務(wù)程序流程圖（可根據(jù)DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率）。顯示值由P3口的低四位輸出百位顯示數(shù)據(jù)，由 P2口的高四位輸出十位顯示數(shù)據(jù)，P2口的低四位輸出個位顯示數(shù)據(jù)。分別驅(qū)動14513進行顯示。

3.2  調(diào)整開關(guān)

靈敏度系數(shù)調(diào)節(jié)通過INT1來完成，如圖1所示的粗調(diào)或細調(diào)信號由一個開關(guān)按鈕產(chǎn)生，即按下按鈕后產(chǎn)生一個邏輯低電平信號，此信號在送往INT1引腳并引起中斷的同時，也送到P1的高四位，這樣，擴展了中斷源的判斷信息，在INT1的中斷服務(wù)程序中，同時對相應(yīng)的P1口的引腳信號進行判斷，進而執(zhí)行不同的處理程序，詳見圖5，INT1中斷服務(wù)程序。同時，對調(diào)節(jié)后的靈敏度值進行邊界條件的判斷，即最大值與最小值的判斷。若進行粗調(diào)或細調(diào)后所得到的靈敏度系數(shù)為0或大于999，則系統(tǒng)認為是不合法（在第一次上電時的情況），重置為200，然后閃爍顯示4～5次。

3.3　存儲模塊

在INT0中斷中完成斷電保存靈敏度系數(shù)SENS的工作，SENS分兩字節(jié)保存，SENS_H存貯于24C04的020H; SENS_L存貯于021H單元，因為MCS－51系列單片機中沒有內(nèi)置的I2C接口，所以，采用軟件模擬硬件電路信號的方法，用P3口的兩個引腳來當(dāng)作 SDA，SCL信號線，接口信號對應(yīng)關(guān)系：SDA對應(yīng)P3.0，SCL對應(yīng)P3.1引腳。程序流程見圖3 INT0中斷。

3.4　看門狗電路

單片機在不讀取片外的擴展芯片時，ALE引腳輸出一定頻率的時鐘信號，看門狗電路的頻率信號即取自此引腳，該信號經(jīng)過兩片CD4020分頻后，送到 RESET復(fù)位引腳，而CD4020的RESET信號由T1引腳階段性輸出，當(dāng)程序正常運行時，有意識地階段性地用指令給T1引腳置低電平，因此在T1引腳不斷的送出復(fù)位信號，此信號不斷地對CD4020的計數(shù)進行清除，所以永遠達不到對單片機的復(fù)位的計數(shù)信號要求。當(dāng)程序走飛時，因為不能正常地執(zhí)行程序，所以T1引腳不能送出復(fù)位信號，不能對CD4020進行復(fù)位，因此，當(dāng)計時到一定時間時，就會有復(fù)位信號送到單片機的RESET復(fù)位引腳，使系統(tǒng)強制復(fù)位，程序從0000H重新開始執(zhí)行，系統(tǒng)回到正確運行狀態(tài)，進行信號的測量與正常顯示。

3.5　 濾波系數(shù)和顯示刷新率

因為采用了數(shù)字濾波技術(shù)，為了調(diào)整濾波系數(shù)和顯示的刷新率，以滿足不同要求，在P1口加了一個濾波系統(tǒng)設(shè)置裝置，即一個DIP開關(guān)，將其撥到"ON"位置，則接＋5V電壓，此時讀取引腳時得到邏輯1信號，將其撥到"OFF"位置，則接地，此時讀取引腳時得到邏輯0信號，由此可根據(jù)DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率。

3.6　程序流程

圖2　主程序

圖3 INT0中斷

圖4　T1中斷服務(wù)程序

3.7  操作面板設(shè)計

在操作面板中，設(shè)計一個3位顯示窗，用于顯示發(fā)動機測得的振動測量值；一個"測量/自校"開關(guān)，用于系統(tǒng)的測量與自校準(zhǔn)模式的選擇，可選擇"自校"方式，進行儀器自我檢驗，打到"測量"，則進行系統(tǒng)的測量。一個三檔測量選擇開關(guān)，用于選擇測量并顯示的是振動的速度，位移還是加速度值，粗調(diào)或細調(diào)信號開關(guān)按鈕可采用觸摸開關(guān)設(shè)計，電源插座和開關(guān)放在儀器的背面。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)基于單片機完成發(fā)動機振動速度、位移和加速度信號的測量，因為采用了RMS幅值測量和VFC轉(zhuǎn)換，提高了測量的精度、準(zhǔn)確性和工作效率。系統(tǒng)中設(shè)置有靈敏度調(diào)整，可以根據(jù)實際工作情況調(diào)整，并在調(diào)整完成后關(guān)機或是系統(tǒng)斷電時自動保存到E2PROM，方便用戶的使用。同時系統(tǒng)中設(shè)置有看門狗復(fù)位電路，能夠自動監(jiān)控程序的運行，在系統(tǒng)走飛死機時可自動復(fù)位，重新進入正常運行狀態(tài)，提高了可靠性，可由DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率，以滿足不同要求。本系統(tǒng)已經(jīng)投入到實際的測量應(yīng)用當(dāng)中，并被證明可完全滿足實際工作要求。

5　參考文獻
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