（机械制造及其自动化专业论文）基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制.pdf

中文摘要 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 研究生姓名：张小波 导师姓名：许飞云副教授 学校名称：东南大学 结合当前智能化试验台的最新技术，设计了采用单片机来实现对喷油泵试验台全面自动控制的 测控系统。论文详细介绍了试验台各项参数测控的方法，包括温度测控、转速闭环控制系统、提前 角的测量、量油次数控制等。 论文针对系统所实现的功能和技术指标的要求，以高性价比的数据采集芯片a d u c 8 1 2 为核心， 设计了喷油泵试验台控制器的硬件电路，包括系统电源电路、信号调理电路( 模拟信号采集与调理 模块以及数字脉冲信号调理转换模块) 、单片机外围扩展电路( 并行i 0 口扩展与定时计数器扩展、 数据存储模块和串行通信模块) 、继电输出控制电路、人机接口模块( 键盘、l e d 显示模块) 等。在 硬件设计的基础上，对喷油泵试验台测控系统的软件进行了定制。软件设计主要围绕用以实现喷油 泵试验台控制器各项功能的单片机程序展开，采用模块化设计方法，包括主程序的设计，转速、喷 油提前角、燃油温度、压力等参数的检测和控制等功能组成。 在论文的最后，给出了进一步提高系统质量的建议。 关键词：a d u c 8 1 2 ，喷油泵试验台，单片机，测控系统 d e s i g no ff u e li 面e c t i o np u m p t e s t _ b e dc o n t r o l l e rb a s e d o n s i n g l e c h i pm i c r o c o i n p u t e r b yz h a n gx i a o b o s u p e n ，i s e db ya s s o c i a t ep r o x uf e i y 呻 s o u m e a s tu n i v e r s i t y c o m b i n e dw i t ht h en e w e s tt e c h n o l o g yo f c u r r e mi n t e l l i g e n t i z e dt e s t b e d ，f u e l i 巧e c i o np u m p e 8 - b e d m e a s u r e c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t oa u t o c o n t r o le n t l r e l y s o m e t e c h n i a u e so fm e a s u r i n ga 1 1 dc o n t r o l l i n g t e s t 七e d se v e r yp a r 锄e t e ra r ed e t a i l l y i n t r o d u c e dmt h e d i s s e 似i o n ，w h i c hi n c l u d et e m p e r a t u r e m e a s u r ea 1 1 dc o n t r o l ，r o t a t es p e e dc l o s e dl o o ps y s t e mc o n 仃o l ， a d v a j l c ea n g l em e a s u r ea n dm e a s u r i n go i l st i m e ，e t c ， a i m e da tt h e 向n c t i o nt ob ea c h i e v e da j l dt h er e q u e s to ft e c h n i c a l i n d e x ，h a r d w a l r ec l r c u l to 士f u e l i n j e c t i o np u m pt e s t _ b e dc o n 仃o l l i n gi n s t m m e n t h a sb e e nd e s i g n e di nt h j sp 印e r b yu s i n ga d u c 8 1 2 ，w h i c h i n c l u d e sp o w e rs y s t e m ，a n a l o ga j l dd i g i t a ls i g n a l a c q u i s i t i o n a n dc o n d i t i o n i n gc l r c u i t ，s l n g l e c h l p m i c r o c o m d u t e re x t e n dc h c u i t ，p a r a l l e li oe x t e n dc i r c u i t ，t i m e r c o u n t e re x t e n dc i 。c u i t ，d a t a8 t o 。a g e e x t e n d c i r c u i t s e r i a lc o m m 埘i c a t i o nc i r c u 沁r e l a yo u t p u tc o n _ t r o lc i r c u i t ，m a i l m a c h i n e i n t e r f a c em o d u i e ，w n l c n i n c l u d e sk e y b o a r dc i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i t ，e t c s e c o n d l y ，b a s e do n f u e li n j e c t i o np u m pt e s t - b e dc o l l l t r o i n s t r u m e n t ，sh a r d w a r e ，s o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d s o m v a r es y s t e mu s i n g t h em e t h o d 斫m o d u l a r l z e s ， c o n s i s t so fm a i l lp r o g r 锄a j l dp a r 锄e t e r ，sm e a s u r i n ga n dc o n t r 0 1 l i n g ，w h i c hi n c l u d e 3 e l e c t r l cm a m n e 。y r o t a t es p e e d a d v a n c ea n 9 1 e ，o i l t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，e t c i nt h ee n do ft h ep a p e r ，s o m es u g g e s t i o n s o nf u n h e ri m p r o v e m e n to f t h i ss y s t e mh a v eb e e ns u p p o s e d k e v w o r d s ：a d u c 8 1 2 ，f u e l i n j e c t i 。np u m pt e s t b e d ，s i n g l e c h i pm i c r 。c 。m p u t e r ，m e a s u r e a n d c o n t r 0 1s y s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：煞! 生丞 日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：弘：l 鲨导师签名：日期：坐矽 第1 章绪论 1 1 课题意义 第1 章绪论 喷油泵是柴油机的心脏，喷油泵的各种技术参数对柴油机的各项性能指标：柴油机加速性能、油 耗大小、尾气排放的质量、工作噪音的大小、动力性能等影响极大u 1 。因此喷油泵性能的好坏直接 决定着柴油机的动力性、经济性及排放。准确测试喷油泵的各种技术参数对提高柴油机的经济性、 动力性、可靠性、耐久性和降低排污、噪声、烟度等具有十分重要的意义。喷油泵试验台是各汽车、 柴油机制造和修理厂研制、生产、检验、调整喷油泵不可缺少的设备。喷油泵试验台的主要用途是 检测和调整喷油泵在各种工况时的喷油量及各缸喷油间隔角。衡量喷油泵试验台性能和质量的一个 重要指标就是喷油量测量的精确性，它需要对主轴转速、喷油次数进行精确测量，作为调整或修校 喷油泵的重要依据。 目前国产喷油泵试验台主要有以下四类： ( 1 ) 机械传动喷油泵试验台自五十年代生产，结构简单，易生产，曾在喷油泵维修行业占有很大 市场，制造和维修方便，价格低廉，但该类型产品传动效率低、变速范围窄，噪音大，控制不方便， 难以满足高速、大功率柴油机配套的喷油泵调试，该类产品己属淘汰产品。 ( 2 ) 液压传动型喷油泵试验台自六十年代生产，具有使用可靠，维修方便，输出扭矩大等特点， 是机械式试验台的更新换代产品，但其液压元件加工精度要求较高，结构相对复杂，使得制造难度 较大，且噪音大，降速值大。 ( 3 ) 电子控制喷油泵试验台采用的是可控硅转差离合器调速系统，从七十年代初到现在，我国相 当多的喷油泵调试者都使用的是可控硅调速系统的喷油泵试验台。电子控制喷油泵试验台具有制造 成本低，转速稳定，观测容易，操作方便，体积小，重量轻等优点，但由于采用电子控制电路，分 立元件多，使得电路复杂，故障多，一旦某个分立元件损坏就会导致整个系统不能正常工作，给维 护和修理带来许多麻烦，使其推广应用受到限制。 ( 4 ) 微机控制喷油泵试验台自九十年代开始研制，采用微机控制直流调测速系统或变频调速系 统，高精度多功能，转速范围内任意预置各种转速，转速、油温、提前角、速度预置、喷油次数全 部数显且自动控制，测试精确，可靠性强，试验台输出扭矩大、超低噪声、操作方便、可靠耐用、 功能齐全、按照负载大小节省电能，便于保养和维修，价格适宜，节能效果显著，劳动效率高。 近十年来，自动控制技术在各行业的应用发展十分迅速，采用自动控制技术的优点：具有多功能 的自动调节性能；减轻重量、缩小尺寸、提高机件的紧凑性；部件安装、连接方便，提高了维修性； 扩展了诊断、联络等功能旧1 。 自动化程度的提高，电子信息技术的发展，使微机控制喷油泵试验台已成为发展主流，也是国 产喷油泵试验台向国际技术靠拢，缩小差距的捷径。将微机引入喷油泵试验台，对实现检测自动化， 提高检测精度和效率，增加检测功能有一定的实际意义和经济效益怕1 。 1 东南大学硕士学位论文 本项目在i t m 公司已有喷油泵试验台基础上，研究具有自动检测能力的新型智能化喷油泵试验台 控制器，其开发不仅可以极大地提高喷油泵试验台的技术水平，而且具有广阔的市场前景。 1 2 喷油泵试验台发展现状与动态 燃油喷射系统是柴油机的关键部分，直接影响着柴油机的动力性能、经济性能和使用性能。其 中喷油泵是该系统至关重要的部件，而喷油泵试验台是调整和检测柴油机喷油泵必须具备的关键设 备。因此，国内外许多厂家对喷油泵试验台的研究极为重视，在形成系列化产品之后，不断采用新 技术并按新的国际标准改进。国内喷油泵试验台在最近十几年发展速度也相当快，增加了许多品种， 彻底改变了依靠进口的局面。 1 2 1 国外喷油泵试验台现状与趋势 目前国外生产喷油泵试验台有名的公司有西德b o s c h 公司，英国h a r t r i d g e 公司，美国b a c h a r a c h 公司，奥地利h a n s m a n n 公司，还有意大利r a b o t t i 公司和日本的n i p p o n d e n s o 有限公司3 3 旷3 3 | 。 国外喷油泵试验台的发展趋势是采用先进的电子技术研制微机量油及数字显示系统，按国际标 准改进结构提高测试精度，主要特点如下： ( 1 ) 数字显示压力、温度、转速与计数( 过去喷油泵试验台采用的机械式转速表、弹簧压力表和 压力式指示温度计，很难达到国际标准要求) ； ( 2 ) 燃油恒温控制在4 0 2 ； ( 3 ) 加大飞轮转动惯量； ( 4 ) 增加喷油泵安装刚度； ( 5 ) 自动控制倒油时间； ( 6 ) 数显油量与屏幕显示油量。 由于科学技术的迅速发展，微机的推广应用，研制数显油量及屏幕显示油量己成为喷油泵试验 台重要的研究课题，且有的公司已有产品投入市场。德国m o e h w a l d 公司研制成功的e p b 2 0 0 0 型、 r p b 2 0 0 0 型喷油泵试验台采用k 姗测量系统可以连续地测量各缸喷油量，既能用屏幕显示喷油量，又 能打出每行程或多次的喷油量，还能利用计算机半自动地检测喷油泵。美国的b a c h a r a c h 公司研制的 p d f m 8 0 8 型燃油喷射测量系统采用c r t 显示喷油量、转速及测量误差。它可以测量单缸以及多至8 缸的 喷油量，还可以测定某一个缸的每行程喷油量；可以按顺序自动地显示各缸的总喷油量。平均喷油 量、单缸喷油量，也可连续不断地读数测量m 1 。 1 2 2 国内喷油泵试验台发展状况 国内开始研制喷油泵试验台起步较晚但发展速度快。1 9 6 3 年以来，经历了从无到有、形成系列 产品和提高技术水平的过程。现在拥有的产品种类和年产量基本满足国内需要，基本上改变了国产 试验台不成系列、性能落后、质量低下或完全依靠进口的状况，还具备一定的开发、研制能力。 ( 1 ) 国产喷油泵试验台的发展简介 1 9 6 3 年之前，国内没有正式的喷油泵试验台制造厂。我国从七十年代开始研制系列化喷油泵试 验台，1 9 7 5 年之前，我国虽有几家工厂生产喷油泵试验台，但由于没有技术标准，加之技术水平限 2 第1 章绪论 制，产品质量和性能不能满足要求，故没有形成系列产品。1 9 7 5 年，由机械部主持委托内燃机研究 所制定了试验台技术标准，并成立了液压传动型试验台联合设计组，至1 9 8 1 年，国内才有了自己的 1 2 p s y 系列喷油泵试验台，很快，又研制出了1 2 p s d 系列喷油泵试验台，至1 9 8 7 年电传动型喷油泵试 验台也形成了系列，随着技术的发展和工艺水平的提高，国产的喷油泵试验台从性能上有了很大的 提高，主要生产厂家有湖北精峰试验设备有限公司，泰安拉宝地试验设备有限公司，成都八机电 设备厂，唐山北方喷油泵检修设备厂等厂家。 ( 2 ) 国内喷油泵试验台动力调速系统现状 国内喷油泵试验台按动力调速分为： j 系列：机械式传动变速喷油泵试验台，如1 2 p s j 5 5 7 5 型； y 系列：液压无级变速传动喷油泵试验台，如1 2 p s y 5 5 7 5 型； d 系列：电子控制无级变速喷油泵试验台，如1 2 p s d 5 5 1 7 s 型； w 系列：变频无级调速喷油泵试验台，如1 2 p s w 5 5 7 5 型。 j 系列正在被淘汰，仅有很少的厂家生产，y 系列生产的数量比d 系列和w 系列少得多，目前颇 具竞争力的主要是d 系列和w 系列，据统计，国内各厂家目前普遍生产的试验台，主要是滑差式离合 器的传动变速和交流变频器调速两种类型的产品。w 系列由于其关键部件变频器均为进口，且技术 含量高，故价格偏高旧“。 ( 3 ) 国内喷油泵试验台测量系统现状 喷油泵测试时所需的条件参数均可由仪表测量数显。喷油泵调试参数主要是各缸油量，目前测 试还是以玻璃量筒计量为主，但这种测量方式的最大缺点是测量过程缓慢。国外现在能利用计算机 测控技术及传感器对油泵的喷油量进行快速、连续的测量，这正是国产喷油泵试验台与国外先进产 品之间真正差距所在。试验台量油屏显目前在国内尚属高科技项目，正在进行攻关哺1 。 似) 国内喷油泵试验台发展趋势 要求试验台的自动化程度要高，如喷油量快速数字化测量及喷油泵快速装夹具等； 喷油泵试验台的技术发展应主要集中于充分利用计算机测控技术，使喷油泵调试中的各项 条件和技术参数的测量完全以数字化方式自动测量，以适应喷油泵产品技术不断提高的需 要。 1 3 本论文研究内容及任务 本论文所研究的喷油泵试验台控制器是专为喷油泵试验台配套的智能化控制装置。可作为目前 市场上高性能喷油泵试验台的配套产品，为喷油泵调试、维修提供了更好的操作使用性能。 主要测控目标：被试喷油泵的转速亦即试验台主轴的转速、被试喷油泵在某一转速下的规定次数 喷油量、试验油温和油压的自动控制、计时功能和相关的保护功能及根据需要增加的其它功能，如 提前角、转速预置等。 本论文的主要研究内容有： ( 1 1 喷油泵试验台测控系统的总体结构设计 系统的结构设计至关重要，结构设计得不合理，可能造成系统代价与系统性能上不可协调的矛 盾。在本章中，首先分析了系统功能要求及各项技术指标，然后就所实现的功能提出了比较合理的 系统结构，最后按照各个功能模块分别进行了设计。 ( 2 ) 喷油泵试验台测控系统的硬件设计 东南大学硕士学位论文 喷油泵试验台测控系统硬件设计是本文的一项重要内容，首先对所选用的微处理器及其系统功 能的扩展电路进行了介绍，然后从信号调理电路、继电输出电路、调速电路、人机交互电路以及c p l d 电路等几个方面分别对喷油泵试验台控制器的硬件进行了设计。在本文在第三章中，详细的阐述了 基于单片机的喷油泵试验台测控系统的硬件设计与实现。 ( 3 ) 喷油泵试验台测控系统的软件设计 喷油泵试验台测控系统软件设计由主程序和转速、喷油提前角、燃油( 回油) 温度、压力等参 数的检测和控制功能子程序组成。在本文在第四章中，详细的阐述了基于单片机的喷油泵试验台测 控系统的软件设计与实现。 从上面可以很清楚的看到，本论文的主要任务就是完成喷油泵试验台测控系统的方案设计以及 软硬件设计。 4 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案 在进行系统设计之前，首先要明确设计任务，分析系统的功能，给出设计任务书。在设计任务 书中，应该将系统要达到的功能描述准确、清楚。描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或 算法描述。在此之后，应该把设计任务书转化为量化的技术指标。本章结合喷油泵试验台测控系统 功能要求和技术指标给出系统的总体设计方案。 2 1 系统的功能要求以及技术指标 2 1 1 系统的主要功能 ( 1 ) 转速测量、显示和预置 准确测量驱动电机转速，并通过l e d 数码管进行显示，同时可进行1 0 档转速预置。 f 2 ) 燃油( 回油) 温度检测、显示和控制 可对燃油( 回油) 温度进行检测、显示和上下限控制。当燃油温度低于设定下限时，自动对燃 油加热；高于上限时则自动制冷。且测量结果与当前状态在显示屏均有提示。 ( 3 ) 喷油次数显示和控制 可根据设定的喷油次数，启动油量检测功能。当启动计数时，打开电磁阀允许喷油进入计量装 置，当次数达到设定值时，自动关闭电磁阀。 ( 4 ) 转速的手动自动控制 设计有手自动控制功能，可以通过旋扭电位器手动调整电机转速，也可在自动运行时，根据 1 0 档预置转速自动调节电机运转速度。此外，自动运行时，还可通过“+ ”、“一”键以5 0 转为问 隔调节当前转速。 ( 5 ) 齿杆行程的显示 对齿杆行程进行动态显示。 ( 6 ) 标准泵型数据输入修改保存 用户可将各种泵型的调试参考数据输入存盘，在调试时用户可任意调用查阅。该泵型数据是调 试、维护喷油泵的参考数据，最多可保存1 0 0 组泵型数据，也可根据用户需要扩充。 2 1 2 系统的技术指标要求 电源电压( a c ) ：2 2 0 v 1 0 控温范围：0 1 0 0 ，精度0 2 测速范围：3 0 5 0 0 0 r m i n ，精度1 r m i n 5 东南大学硕士学位论文 转速预置：0 。3 0 0 0 r m i n ( 1 至9 档) 喷油口数量：1 2 油量范围：o 2 5 m 1 ，精度0 5 喷油次数控制：0 9 9 9 9 次 喷油继电器容量：2 2 0 v 5 a 温控继电器输出容量( 加热和制冷) ：2 2 0 v 5 a 2 1 3 系统监测信号及传感器 ( 1 ) 转速及喷油计次 本系统采用磁电式转速传感器来实现对转速和喷油计次的测量，磁电式转速传感器的结构原理 如图2 1 所示。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻( 如空气间隙) 的大小，则磁通量随之改变。磁 路通过的感应线圈，当磁通量发生突变时，就感应出一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于 磁阻变化的频率。为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘。当待测轴转动时， 齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和间隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯 中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势。于是，其频率与待测转轴的转速成正比。 线圈 永久磁铁 。一 一 一 图2 一l 转速传感器的结构原理图 采用的测速轮有6 0 个齿，测速轮每转过一个齿时，就在测速传感器上感应出一个脉冲信号。这 样，主轴每转一转，产生6 0 个脉冲，设每分钟转数为n 转分，则每分钟感应出6 0 n 个脉冲，那 么每秒钟产生6 0 n 6 0 划脉冲，也就是说测速传感器上感应出的脉冲频率厂= 人7 = 毖。 ( 2 ) 角位移 喷油提前角是描述喷油泵性能的一个重要参数，因此在喷油泵试验台测控系统中，对喷油泵的 喷油提前角的准确测量具有重要的意义。本系统采用双通道霍尔式角位移传感器来对两路转角脉冲 信号进行测量，该传感器采用+ 1 2 v 电源供电，输出量为两路数字脉冲信号，通过后续电路的处理， 可获得适于单片机输入的角位移信号。 ( 3 ) 齿杆位移 本系统对齿杆位移信号的测量采用1 8 f l p b 电位器式位移传感器。电位器是人们常用到的一种 电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的 6 攀耘喾瀑 第2 章系统总体方案设计 电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。 ( 4 ) 两路油温 在喷油泵试验台测控系统中各参数的测量准确与否与油缸油温密切相关，国家标准规定喷油 泵油缸的温度必须在3 8 4 2 。c 之间时，对其它各参数的测量才是准确的，因此系统要对油温进行 实时监控，当油温不符合要求时，进行加热或者制冷。本系统选用的p t l 0 0 温度传感器可满足对油 温进行准确测量的要求。 ( 5 ) 两路压力 油缸压力信号通过h o n e ) w e n4 0 0 0 p c 系列一体化压力传感器测得，该传感器给出的信号为模拟 量，经后续的模拟信号调理电路后输入a d u c 8 1 2 的模拟输入端，通过单片机对其进行处理之后完成 显示以及其它控制功能。h o n e y w e l l4 0 0 0 p c 系列一体化压力传感器采用+ 5 v 电源供电，输出信号为 05 v 4 5 v t ) p 。 2 1 4 系统输出 ( i ) 变频器控制信号 输出：0 1 0 v d c 说明：自动状态电压信号由控制器输出 手动状态电压信号由外部电位器提供。 ( 2 ) 喷油次数继电器 两只双向可控硅，型号：b t a l 6 6 0 0 b 说明：两只可控硅工作于单刀双掷方式。 ( 3 ) 加热继电器 双向可控硅，型号：b 1 a 1 6 6 0 0 b f 4 1 冷却继电器 双向可控硅，型号：b t a l 6 6 0 0 b ( 5 ) 变频器正反转控制信号 双2 4 v 开关量输出 正反转控制信号只能一个有效。 说明：所有双向可控硅工作于过零触发方式。 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 喷油泵试验台测控系统总体设计 为了对试验台进行自动测量和控制，本文按照模块化的设计方法对系统进行了总体设计。喷油 泵试验台控制器是整个系统的核心部分，根据系统的状态信息和系统的目标，进行信息处理，按照 一定的程序发出相应的控制信号，通过输电气接口送往执行机构，控制整个系统按预定程序运行， 并达到预期性能。 系统的信号检测由传感器检测，把工作过程中本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变 7 东南大学硕士学位论文 成可识别信号，送往a d u c 8 1 2 进行信息处理。 系统的电气接口传递各种电气参数，要求被连接的电气彼此间电气参数相互匹配，包括整形电 路、驱动接口和继电器接口。8 2 5 5 接口、7 2 8 9 键盘显示器接口也属于a d u c 8 1 2 接口技术。 系统的执行机构根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行机构是运动部件，将输入的各种 形式的能量转换为机械能。本次设计的执行机构是电气式执行部件，包括交流电机及电磁阀。系统 的总体结构图见图2 2 所示。 图2 2 喷油泵试验台系统总体结构图 本系统以喷油泵试验台控制器模块为核心，因此如何对该仪表进行良好的设计成为本文需要解 决的主要问题。喷油泵控制器由a d u c 8 1 2 测控模块、信号调理、继电输山、键盘、l e d 显示器等模块 组成。本仪表的硬件部分的设计采用了模块化的设计方法，也就是将整个仪表的硬件电路按照功能 要求分成若干个部分，再将它们连接成一个完整的仪表系统。系统总体原理框图如图2 3 所示，下面 结合该图将对本仪表的主要硬件模块电路及其所实现的功能进行简单的介绍。 转速的测量电路由磁电式转速传感器和脉冲整形电路组成；喷油提前角的检测通过霍尔式角位 移传感器、脉冲整形电路及角位移信号处理模块来实现；油温和压力等模拟信号的检测首先通过传 感器采集贩始信号，然后经信号调理后输入至a d u c 8 1 2 的模拟输入端；转速控制电路可实现手动、 自动控制方式切换，即可采用系统的d a 输出信号来对电机进行变频调速，也可以直接通过手动电 位器来进行手动调节；温度控制、喷油计数控制等继电器用来对燃油温度和喷油计数来进行控制， 使温度恒定在系统所要求的范围之内，并对喷汕次数进行准确的测定；系统采用键盘和l e d 显示来 实现人机交互，操作人员对系统的参数预置和对系统发出的具体指令从键盘输入，系统各参数显示 由l e d 显示器实现。 8 第2 章系统总体方案设计 图2 3 系统总体原理框图 2 2 2 喷油泵试验台控制器结构设计 喷油泵试验台控制器是整个控制系统的核心，采用模块化的设计方法，对喷油泵试验台的温度、 压力、转速等主要参数进行测量并对喷油次数和主轴转速等进行控制。模块化的好处是组态灵活、 通用性强、硬件开发周期短、冗余量少、系统成本低：另外故障容易排除，排除故障的速度快。系 统设计结构总框图如图2 4 所示。 圈24 系统总体结构框图 系统由开关电源、a d u c 8 1 2 信号测控板、信号调理板、继电输出板、键盘显示板儿大模块组成。 9 东南大学硕士学位论文 其中，开关电源用丁- 整个系统供电，a d u c 8 1 2 信号测控板作为系统主控单元，实现8 通道模拟信号 输入、1 2 位a d 分辨率、2 通道1 2 位d a 输出、3 通道1 6 位定时瑚一数器及可编程i o 口等功能； 其功能框图如图2 - 4 所示。 键盘习竺e a d u c 8 1 2 一放大卜一 微转换器 l e d 显示 1 ， 一m 控制 图25a d u c 8 1 2 信号测控板结构框图 角 入 信号调理板用于对2 通道热电阻信号调理、2 通道压力信号调理、单通道电阻位移传感器信号 的调理、单通道磁电式转速传感器信号的脉冲整形、双通道霍尔式角位移传感器脉冲整形及转角信 号转换以及模拟输出信号切换等功能。 三通道1：里兰翌 丝壁量8 ：厂i 五习 ： a d u c 8 1 2 1 _ j 2 通道压力一 背 鲤墼剖 滤波 测 板 磁电式转一 控 速挂盛墨一滤波、整形l - 板 鱼鱼丝! 测滤波、整形h 转角变换卜 图2 6 信号调理板结构框图 继电器输出板提供2 通道常开双向可控硅触点，实现燃油温度的加热冷却功能：提供单通道单 刀双掷双向可控硅触点，实现试验台的喷油计次功能；提供双向可控硅过零触发，实现2 4 v 正、反 转控制电平输出功能( 正、反转输出电平硬什保证不同时有效) 。 1 0 第2 章系统总体方案设计 a d u c 8 1 2 1 占 背 测 趣重蚕盏玉 板 控 板 一兰! 竺i 蚕群垦堑 图2 7 继电输出板结构框图 键盘及l e d 显示板用于温度显示( 双通道，键盘切换) 、压力显示( 双通道，键盘切换) 、转速 显示( 含档位) 、喷油次数显示、提前角显示阻及齿杆行程等待测参数的显示功能。 考虑到系统结构的柔性，键盘及显示采用模块化没计，由基本的键盘显示模块和扩展显示模块 两部分组成。 基本键盘显示模块包含2 4 键键盘接口、转速( 含转速档位) 、第一路温度、喷油次数、齿杆行 程；系统状态指示包括正转、反转、自动、手动、加热、制冷、计数、暂停、超温、欠温以及运行 指示：扩展显示模块包含第二路温度、两路压力、提前角的显示等。 2 2 3 控制器控制面板结构设计 ( 1 ) 显示及控制面板设计 考虑到系统结构的柔性，键盘及显示采用模块化设计，由基本的键盘显示模块和扩展显示模块 两部分组成。这两个模块的结构图分别如图2 8 、图2 9 所示。 基本模块包含： 2 4 键键盘接口 转速( 含转速档位) 箔一路温度 喷油次数 齿杆行程 系统状态指示，包括正转、反转、自动、手动、加热、制冷、计数、暂停、超温、欠温以 及运行指示。 口曰曰田 行程圈薯善昌臻3 箍言 曰曰曰田园曰 东南大学硕士学位论文 扩展显示模块包含： 第二路温度 两路压力 提前角 压力l 巨圈m a 角度巨圈度 压力2 叵圆a 温度圈。c 图2 9 扩展显示模块结构图 ( 2 ) 键盘功能说明 数字键o 正常状态下用于选择转速档位设置状态下用于输入参数值 启动停止键 用于启停控制，停止状态下，用作启动键，启动状态下作为停机键。上电默认状态为停机状态。 正转反转键 用于正反转控制，正转状态下，用作反转键，反转状态下作为正转键。上电默认状态为正转状 态。 自动手动键 用于自动和手动控制，手动状态下，用作自动控制键，自动状态下作为手动控制键。上电默认 状态为手动状态。 标准调试键 用于选择喷油泵标准或调试参数，标准状态下，用作调试参数选择键，调试状态下作为标准参 数选择键。上电默认状态为正标准参数状态。 计数暂停键 喷油计数及暂停控制，计数状态下，用作暂停控制键，暂停状态下作为计数控制键。上电默认 状态为暂停状态。 参数设置键 用于进入或退出参数设置状态，系统可设置参数包括：各档位转速、喷油次数、温度高低限。 退出参数设置状态后，当前参数自动保存至系统内部的非易失性存储器，以便下次使用。 光标键( fl 一一) 自动运行状态下，f 键用于微调转速。转速增减量固定为1 0 转，在参数设置状态，fl 键用 于档位增减，一一键用于参数选择( 转速、次数、温度) 。 2 3 本章小结 本章首先对系统的功能和技术指标进行了详细介绍，然后就所实现的功能提出了总体设计方案， 给出了以a d u c 8 1 2 测控模块为核心，由信号调理、继电输出、键盘、l e d 显示器等模块组成的系统 总体框图，最后按照各个功能模块分别进行了设计。 1 2 第3 章系统硬件设计 第3 章系统硬件设计 系统功能的实现在硬件部分就可以体现很大一部分，并且硬件的连接方案直接关系到软件的编 制。好的硬件设计方案不仅可以提高系统的性能，还可以减轻软件编制的难度。另外，在进行任何 系统的设计之前还必须首先明确该系统所能实现的目标。本喷油泵试验台控制器的测控目标主要包 括以下几个方面：被试喷油泵的转速亦即试验台主轴的转速；被试喷油泵在某一转速下的规定次数喷 油量；试验油温的自动控制；计时功能和相关的保护功能及根据需要增加的其它功能，如提前角， 转速预置等。本章就以上各参量测量与控制给出具体的硬件电路设计。 3 1 微处理器的选择及外围数字电路设计 3 1 1 微处理器的选择 微处理器是智能仪表的核心器件，它对智能仪表的性能指标影响很大。单片机有功能强、体积 小、价格便宜、支持软件多，便于开发的特点，因此智能仪表大多采用单片机作为微处理器。一般 的单片机系统设计，都采用m c s 5 1 系列的芯片作为系统的核心芯片，因为它有良好的可扩展性。对 于本次任务的功能要求，如果采用m c s 5 1 系列的芯片，则需要在芯片外围扩展输入信号调理模块、 转速信号调理模块、a d c 转换电路、d a c 转换电路、数据存储器模块、键盘接口、液晶显示接口以及 串口通信模块等电路。其中a d c 和d a c 电路，如果要达到高精度、高转换速度的要求，则电路设计 非常复杂，也使得系统显得庞大。 图3 1a d u c 8 1 2 功能框图 1 3 东南大学硕士学位论文 而如果采用专门的芯片，则这个问题可以得到解决。由美国模拟器件公司( a d i ) 生产的具有 高度集成的1 2 位数据采集芯片a d u c 8 1 2 是全集成的高性能的1 2 位数据采集系统，它在单芯片内集 成了高性能的自校准的多通道a d c ，两个1 2 位d a c 和一个可编程的8 位( 与8 0 5 1 兼容) m c u 。该芯片 不仅可以承担8 0 5 1 的所有工作，并为系统扩展减轻了负担。在a d u c 8 1 2 的基础上，系统只需要在外 围扩展信号调理模块、转速信号调理模块、数据存储器模块、键盘显示接口以及串口通信模块等电 路。采用a d u c 8 1 2 作为主芯片，除了它的功能强、体积小等特点之外，它的开发方式也是很重要的 一个原因。对a d u c 8 1 2 开发可以不使用仿真器，只需将单片机通过比如r s 2 3 2 这样的电路与p c 机 串口相连，再使用可以免费下载的开发调试工具即可出1 。 a d u c 8 1 2 功能框图如图3 一l 所示。该芯片体积小、功耗低、片内外围设备集成度高，可组成单 片数据采集系统，在工业控制、家电、通信、自动化等领域都有用武之地，非常适合于电池供电的 智能传感器、仪器仪表的开发应用。 a d u c 8 1 2 的特点如下： 模拟i o 片内集成了高性能的自校准8 通道、高精度1 2 位a d c ；片内4 0 p p m o c 电压基准；采样速率达 2 0 0 k h z ；高速a d c 至r a m 的d m a 控制器；两个1 2 位电压输出d a c ；片内温度传感器功能。 存储器： 集成8 k b 片内闪速电擦除程序存储器；6 4 0 字节片内闪速电擦除数据存储器；片内电荷泵( 不 需要外部v p p ) ；2 5 6 字节片内数据r a m ；1 6 m b 外部数据地址空间；6 4 k b 外部程序地址空间。 与8 0 5 1 兼容的内核： 额定工作频率为1 2 啪h z ( 最大为1 6 啪h z ) ；3 个1 6 位定时器计数器；3 2 条可编程的i o 线； 高电流驱动能力端口3 ；9 个中断源并有2 个优先级。 电源： 用3 v 和5 v 电压工作；由正常、空闲和掉电工作模式。 片内外围设备： u a i 汀串行i o ；两线( 与1 2 c 兼容) 和s p i 串行i o ；看门狗定时器；电源监控电路。 3 1 2 单片机外围电路设计 单片计算机应该是一个最小应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部， 如晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的电路。本课题选用的是一款特殊的单片机a d u c 8 1 2 ， 为了让单片机能正常工作，需要为其搭建相应的外围电路。 本课题使用芯片内部的时钟振荡器，采用1 1 0 5 9 2 心z 的晶振来激活片内时钟振荡器。a d u c 8 1 2 操作电源供压有两个，分为模拟正电源电压a v 肋和数字电源正电压d v 肋，必需确保a v 和d v 肋的电压 一直保持在彼此的一0 3 v 至+ 0 3 v 内。由于本控制器的只用一个独立的电源供电，可以通过在a v o o 和d v 之间串接一个小阻抗电阻和一个电感来保证a v 。不受d v n o 影响，并将a v 加接地去耦。为了避免 上电和掉电时两电源电压瞬时压差过大，必须在a v 。和d v 。之间连接两只反向并接的肖特基二极管。 为了实现在线下载、调试和编程，不仅需要基本的u a r t 连接，还要使芯片处于下载模式。这样， 就必须使p s e n 引脚经过一个跳线插座由一个1 千欧的电阻下拉。在器件上电或复位前后保持跳线闭 合，就可以使得芯片处于下载模式，器件可以通过串行接口接收新的程序代码。而在器件上电或复 位前移开跳线，则在器件上电或复位后可以使得芯片处于正常的工作模式，并开始运行片内的已下 载程序。单片机外围电路设计原理图见图3 2 。 1 4 第3 章系统硬件设计 c 5 32 0 m h z c 5 4 。= ! 3 0 p f3 0 p f 图3 2a d u c 8 1 2 外围电路设计原理图 3 1 3 数据存储器的扩展电路设计 a d u c 8 1 2 内部有2 5 6 个字节的r a m 存储器。c p u 对内部的r a m 具有丰富的操作指令。但在用于实时数 据采集和处理时，仅靠片内提供的2 5 6 个字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用其 扩展功能，扩展外部数据存储器。结合本系统的功能要求，以及综合各数据存储器的性能之后，我 们选用静态r a m 芯片6 2 2 5 6 作为扩展的外部数据存储器，与动态r a m 相比，静态r a m 无需考虑保持数据 而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。但由于静态r a m 是通过有源电路来保持存储器中的数据，因 此，要消耗较多功率，价格也较高。 6 2 2 5 6 是一种高性能静态随机存储器芯片，采用c m o s 工艺制作，单一+ 5 v 电源，额定功耗2 7 5 m w ， 典型存取时间为5 5 n s ，2 8 线贴片封装，管脚与逻辑符号如图3 3 所示。 1 5 东南大学硕士学位论文 引脚功能： a 0 一a 7 ：低8 位地址线 a 8 一a 1 4 ：高7 位地址线 d 0 一d 7 ：8 位数据线 ：接+ 5 v 电源 g n d ：接地端 c e ：片选端 ( 汜：读信号使能端 砸：写信号使能端 图3 36 2 2 5 6 管脚及逻辑符号图 系统存储扩展中单片机低八位地址的锁存采用7 4 h c 5 7 3 锁存器来实现。7 4 h c 5 7 3 是一种8 d 透 明锁存器，用来锁存单片机p 0 口输出的低8 位地址。p 0 端口线接7 4 h c 5 7 3 的输入端d 0 一d 7 ，同时 又与6 2 2 5 6 的输出端d 0 一d 7 相连1 。 m a 2 u 8s n 7 4 h c 5 7 3 m e m c s m r 2 0 2 7 图3 4 数据存储器扩展电路 o e m d o m d l m d 2 m d 3 m d 4 m d 5 m d 6 m d 7 p 2 端口的p 2 o p 2 3 为6 2 2 5 6 存储器提供高7 位地址a 8 一a 1 4 ；读写及片选信号由c p l d 提供。 其具体电路设计原理如图3 4 所示。 3 1 4 并行工0 口扩展电路设计 ( 1 ) 可编程并行i o 口扩展接口芯片8 2 5 5 i n t e l 公司常用外围器件有很多，它们可以与m c s 一5 l 单片机直接接口。为了满足本系统设计要求， 采用了一片8 2 5 5 来对i 0 口进行扩展。下面对可编程i 0 口8 2 5 5 芯片的组成结构和操作方式进行简要 的介绍。 1 6 旺知鹄恐芷绚难吻嗡嗡吼慨 p w 一8 7 6 5 4 3 2 1 o 9 窖7 6 5冲洲一鹚嚣翁弱斟嚣艘刘鹚伯僧竹伯佰 粼茎；鞫籍 船绺筋舟细舢州彬印刖痂j翮劢棚 。踟叭m m；：m。；s蹦聊瓣_|=誊_：一叠。 垂蓦蓦；|_|；!=_蟹 曩_=_|；垂蓦i二=i垂崩 谢o誊|；|=|嚣 篙舻我喇筮一一孔i舶=：觚=此鸺一斛m瞄们船魍=蜀舭剐 a舞套i一捌i 黜臻西照一 m一，一0一，一0一，一。一，一”一m一肌一一：一拍一 第3 章系统硬件设计 ( a ) 8 2 5 5 的组成结构 在单片机系统中，8 2 5 5 与单片机连接方式简单，其工作方式由程序设定。图3 5 是8 2 5 5 的逻 辑结构框图。 图3 58 2 5 5 的逻辑结构框图 4 8 2 5 5 可编程并行i 0 芯片由以下四个逻辑结构组成： 数据总线驱动器。为双向三态的8 位驱动器，用于和单片机的数据总线相连，以实现单片机 与8 2 5 5 芯片的数据传输。 并行i 0 端口，a 口、b 口和c 口。这三个端口功能完全由编程决定，但每个口都有自己的特 点。 a 口：具有一个8 位数据输出锁存缓冲器和一个8 位数据输入锁存器。是最灵活的输入输出寄 存器，它可编程为8 位输入输出或双向寄存器。 b 口：具有一个8 位数据输入输出锁存缓冲器和一个8 位数据输入缓冲器( 不锁存) 。可编 程为8 位输入或输出寄存器，但不能双向输入输出。 c 口：具有一个8 位数据输出锁存缓冲器和一个8 位数据输入缓冲器( 不锁存) 。这个口在方 式控制下