（电气工程专业论文）便携式发动机不解体故障检测仪的研制.pdf

d e v e l o p m e n to f ap o r t a b l ee n g i n ef a u l td e t e c t o rw i t h o u te n g i n e d i s a s s e m b l y a b s t r a c t t h ee n g i n ew h i c hi st h ea u t o m o b i l ek e yc o r n p o n e n t t h ea u t o m o b i l es o m eb a s i ct e c h n i c a l p e r f o r m a n c ea l ld i r e c t l yo ri n d i r e c t l yr e l a t e st h ee n g i n ep e r f o r m a n c e a f t e rv e h i c l e e n g i n e m o v e m e n tc e r t a i nc o u r s e ，t h ep i s t o ng r o u pa t t r i t i o ni ss e r i o u s ，t h em a c h i n eo i l ，t h ef u e lo i l c o n s u m p t i o ni n c r e a s e s ，t h ee n g i n eo v e r a l lp e r f o r m a n c ed r o p s ，m u s tc a r r yo nt h eo v e r h a u lt ot h e e n g i n e t h et r a d i t i o n a ld e t e r m i n a t i o ne n g i n ec a r r i e so nt h eo v e r h a u lt h es t a n d a r di sd e t e r m i n e s b e t w e e nt h ep i s t o nc u r la n dt h ec y l i n d e rw a l lg a pt o o kt h eo v e r h a u lt h eb a s i s 似i f f e r e n te n g i n eg a p s t a n d a r di sd i f f e r e n t ，f o re x a m p l ee q 6 1 0 0e n g i n eo v e r h a u lg a pf o r1 5l am ) ，t h e r e f o r em u s tf i r s t c a r r yo nt h ed i s i n t e g r a t i o nt ot h ee n g i n e ，a f t e rb u ts u r v e y sb e t w e e nt h ep i s t o nc u r la n dt h ec y l i n d e r w a l lg a p t h u sd e t e r m i n e st h ee n g i n ew h e t h e rn e e d st h eo v e r h a u l n l i sr e q u e s t st h er e p a i rs h o p t e c h n i c a lw o r k e rt oh a v et od i s m a n t l et h ee n g i n ef r o mt h ev e h i c l e c a r r i e so nt h ed i s i n t e g r a t i o nt o t h ee n g i n e ，b e t w e e nt h es u r v e yp i s t o nc u r la n dt h ec y l i n d e rw a l lg a p ，t h ee f f i c i e n c yi sl o w t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h el o c a lt r a i nd o e sn o td i s i n t e g r a t ew i t ht h ee n g i n et h eb r e a k d o w nt o d i a g n o s et h ei n s t r u m e n tt h ed e s i g n ，i nv i e wo ft h ev e h i c l ew i t ht h ee n g i n eu n i q u ef e a t u r e , h a s d e s i g n e dt h es p e c i a l - p u r p o s et e s ts e n s o r , h a dp o i n t e do u tt h es e n s o ru s es c o p e ，h a sd e t e r m i n e d i t s c h a r a c t e r i s t i cc u r v et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , a n dt oa f f e c t e dt h em e a s u r i n ge r r o rt h ef a c t o rt oc a t t y 0 nt h e a n a l y s i s ，r e a l i z e dt h e a u t o m o b i l el e a k - p r o o ft h r o u g ht h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yw i t ht h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ec y l i n d e rw e a r i n gc a p a c i t y , t h ep i s t o n c u r lh a sn o td i s i n t e g r a t e dt h eb r e a k d o w nd i a g n o s i s t “3 ，t h ei n s t r u m e n td e s i g ns e p a r a t e l yf r o m r e d u c e st h ep o w e rl o s sa n du s e sn e w , t h eh i g ha c c u r a c ya i ds w i t c ho b t a i n i n go p t i m i z a t i o n i n s t r u m e n td e s i g n i sr e d u c i n gt h ep o w e rl o s sa s p e c t ：t h em i c r o p r o c e s s o ru s e ss o cc h i p m s p 4 3 0 f x x x t h ed e m o n s t r a t i o np a r tu s e st h eb e l tc h i n e s ef o n t st h eg x m l 6 0 3 2m i c r op o w e r l o s sl i q u i d - c r y s t a ld i s p l a y , t h ep e r i p h e r ye l e c t r i cc i r c u i tu s e st h ec o r r e s p o n d i n gl o wp o w e rl o s s c h i p ，r e d u c e dt h ei n s t r u m e n tp o w e rl o s s ，m a yr e a l i z et h ei n s t r u m e n t a t i o np o r t a b l ea s s e m b l y , t h e a d a p t a t i o nn o wt h e i n s t r n m a n td e v e l o p m e n tt i d a lc u r r e n t - 一t h eg r e e ni n s t r u m e n t f a c i l i t a t e d e x a m i n e dt h es c e n eo p e r a t i o n ” k e yw o r d s ：s p e c i a l p u r p o s es e n s o rd e s i g n ，m s p 4 3 0 f 1 4 9m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，f u z z y c o n t r o l ，d e m a r c a t i o ni n s t a l l m e n t ，t e s tc u r v e ，i n s t r u m e n td e s i g n 插图清单 图2 1 发动机检测与诊断系统框图7 图2 2 传感器结构图9 图3 - i 便携式发动机故障检测仪传感系统硬件图l o 图3 2m s p 4 3 0 的时钟1 2 图3 - 3 差动放大电路1 4 图3 - 4 电源电路 1 6 图3 - 5p w m 输出电路1 6 图3 - 6r s 2 3 2 接口电路 1 8 图3 7r s 4 8 5 接口电路 1 8 图3 - 8 温度传感器对应关系曲线 1 9 图3 - 9g m l 6 0 3 2 一i s l 液晶显示端子接线图 2 0 图3 1 0 液晶初始化流程图 2 l 图4 一l 仪表软件主流程图 2 2 图4 - 2 限速滤波流程雷 2 4 图5 - 1 汽车发动机故障诊断专家系统结构图 2 9 图6 - 1 便携式发动机不解体故障检测仪实物与面板3 3 图6 2 输出电压与流量的关系曲线3 4 表格清单 表卜1 几种车型发动机的气缸压缩压力标准4 表5 1 汽车发动机异响诊断模糊关系矩阵3 0 表6 - l 测量仪器与流量计测量结果比较3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金坠王些塞堂 或其他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谢 意。 学位论文作者签字：才。住字日期：b 7 年月叫日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：( # l 一砂7 签字日期：叼年c f 月 日 学位论文作者毕业j 亓去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 啦枣斑 签字日期：口7 年i1 月 1 日 电话 邮编 莎r。 j 、，一 致谢 首先，要向我的导师张崇巍教授表示深深的谢意。张老师渊博的学识、高尚 的品格和严谨的作风使作者受益匪浅，在此向他表示由衷的感谢。正是他的悉心 指导使我顺利完成三年的硕士学业。 在项目进展过程中，得到了本单位同事和企业工程师的很多合作和支持，作 者在此深表感谢。 在本文的写作与完成过程中，得到了张崇巍教授、李卫权高工悉心的指导， 作者对他们表示非常诚挚的感谢。 在此，我要感谢我的家人默默无闻的支持，还要向为本文的顺利完成提供帮 助的人们表示诚挚的谢意! 杜卫华 2 0 0 7 - 11 1 0 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义”2 “”1 1 1 1 国外发展概况 国外一些发达国家，早在2 0 世纪4 0 、5 0 年代就研制成功一些功能单一的 检测或诊断设备，发展成为了以性能调试和故障诊断为主的单项检测、诊断技 术。2 0 世纪6 0 年代后期，检测设备的应用获得较大发展，设备使用率大大提 高，逐渐将单项检测、诊断设备连线建站( 出现汽车检测站1 ，成为既能进行安全 环保检测，又能进行维修诊断的综合检测技术。随着微机的发展，不仅单个检 测、诊断设备实现了微机控制，而且于2 0 世纪7 0 年代后期出现了检测控制自 动化、数据采集自动化、数据处理自动化、检测结果自动存储并可打印的现代 综合检测技术，检测效率较高。进入2 0 世纪8 0 年代后期，一些先进国家的现 代检测诊断技术已达到广泛应用阶段，不仅社会上针对汽车的专业汽车检测站 众多，而且汽车制造厂装配线终端和汽车维修企业内部也都建有汽车检测线， 给交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本和提高运力等方面带来了明 显的社会效益。 ，。1 2 国内发展概况 我国的现代汽车检测技术起步较晚。在2 0 世纪7 0 年代，国家有关部门也 从国外引进过少量现代检测设备，国内不少科研单位和企业对汽车检测设备也 组织过研制，但由于种种原因，该项技术一直发展缓慢。跨入2 0 世纪8 0 年代 以后，随着国民经济的发展，特别是随着汽车制造业、公路交通运输业的发展 和进口车辆的增多，我国的机动车保有量迅速增加。车辆增加必然带来一系列 社会问题，如何保证这些车辆安全运行和降低社会公害，逐渐被提到了政府有 关部门的议事日程上来，从而促进了汽车检测、诊断技术的发展，使之成为国 家“六五”期间重点推广项目，并被视为推进汽车现代化管理的一项重要技术措 施。交通部门自1 9 8 0 年开始，有计划地在全国公路交通运输系统筹建汽车综合 性能检测站，取得了很大成绩。公安部门在全国中等以上城市中，也建成了许 多安全性能检测站。到2 0 世纪9 0 年代初期，除交通、公安两部门外，机械、 石油、冶金、煤炭、林业、外贸等部门和部分大专院校也建成了相当数量的汽 车检测站。进入2 1 世纪以后，交通、公安部门的汽车检测站己建至县市级城市。 可以说，中国已基本形成了全国性的汽车检测网，汽车检测诊断技术已初具规 模。不仅如此，全国各地的汽车维修企业使用的检测诊断设备也日益增多。 可以预见，随着公路交通运输企业、汽车维修企业、汽车制造企业和整个国 民经济的发展，我国的汽车检测诊断技术，在2 l 世纪必将获得进一步发展，而 且会取得更加明显的经济效益和社会效益。 1 1 3 国内市场现状和发展态势 根据业内人士预测，到2 0 0 6 年，随着我国汽车产业的蓬勃发展，仅汽车行 业产值可达到4 2 0 亿元，维修行业产值达4 0 0 亿元。在随后的几年里，企业的 规模还会有更大的增长空间。巨大的市场使得近几年国内许多企业涉足汽车诊 断仪器这一领域。如：深圳元征、深圳威宁达、深圳创威联、北京金山、山西 三原等。可以预测，还会有更多的公司加入这个行业来分享这个市场。发动机 是汽车动力的源泉，是汽车的关键部件之一，汽车的一些基本性能都与发动机 的相关性能有直接或间接的联系，因此发动机的故障检测仪在汽车检测仪器中 占有相当重要的地位。现有的汽车发动机检测仪由于受结构设计、前期技术等 原因影响，仪器的可靠性、准确性、低功耗、便携等方面还有待进一步提高。 因此新一代汽车发动机检测仪的研究很有必要。 1 2发动机检测技术的研究现状 1 2 1 气缸密封性对发动机工作的影响【州 发动机的动力性取决于发动机各气缸内平均压缩压力，气缸的密封性是保 证发动机缸内压力正常，保证有足够的动力输出和能正常工作的基本条件。如 气缸密封性变差，则发动机动力性下降。其主要现象是：发动机起动困难甚至 不能起动、最高车速下降、加速距离延长、爬坡能力下降、燃料与机油消耗增 加、排烟增多且有异常气味等。检测气缸密封性最简便的手段就是测量气缸压 缩终了压力( 以下简称气缸压力) 。汽车发动机在压缩比己定的条件下，气缸压 缩行程终了的压力大小，反映了气缸与活塞组零件的配合间隙和磨损情况、气 缸垫的密封性、配气机构调整的准确性以及气门关闭是否严密等。此外还与燃 烧室积炭、活塞顶积灰、机油粘度等有关。另外还可通过测定气缸漏气率、曲 轴箱窜气量来做进一步的诊断。 1 2 2 用气缸压力表测定气缸压力1 5 由于仪表具有价格低廉、轻便小巧、实用性强和检测方法简便等优点，在 汽车维修企业中应用非常广泛。气缸压力表是一种气体专用压力表，它一般由 压力表头、导管、单向阀和接头等组成。压力表头多为鲍登管( b o r u r d o n t u b e ) 式，其驱动元件是一根扁平的弯曲成圆圈状的管子，一端为固定端，另一端为 活动端。活动端通过杠杆、齿轮机构与指针相连。当气体压力进入弯管时，弯 2 管伸直。于是，通过杠杆、齿轮机构带动指针运动，在表盘上指示出压力的大 小。气缸压力表的接头有两种形式：一种为螺丝管接头，可以拧紧在火花塞或 喷油器螺纹孔内；另一种为锥型或阶梯型的橡胶接头，可以压紧在火花塞或喷 油器孔上。接头通过导管与压力表头相连通。导管也有两种，一种为软导管； 另一种为金属硬导管。软导管适用于螺纹管接头与压力表头的连接，硬导管适 用于橡胶接头与表头的连接。气缸压力表还装有能通大气的单向阀。当单向阀 处于关闭位置时，可保持压力表指针位置以便于读数。当单向阀处于打开位置 时，可使压力表指针回零。 测量气缸压力应在发动机运行至正常温度后，使发动机熄火，拧出各缸火花 塞或喷油嘴，使节气门和阻风门处在全开位置，将气缸压力表锥形橡胶头压紧 在火花塞安装孑l 上。柴油机则应将压力表接在喷油器安装孔上，用起动机带动 发动机在一定转速下运转3 5 s ，测量气缸压力，每缸测量2 3 次，取其读数 的平均数进行分析。 不能起动的发动机在测量气缸压力前，至少应用手摇柄摇转发动机数十圈， 或用起动机带动发动机运转2 0 3 0 s ，使气缸、活塞零件得到润滑。气缸压力测 量完毕后，根据其读数可分析发动机的技术状况。通常根据以下几种情况作出 判断： 1 有的气缸在2 3 次测量中，压力读数时高时低，相差较大，说明气门有 时关闭不严密。 2 相邻两缸压力读数偏低或很低，而其他缸正常，是由于相邻两缸间气缸垫 漏气或缸盖螺栓未拧紧所致。 3 二缸或数缸压力读数偏低，可以用清洁而粘度较大的机油2 0 3 0 m l 注入 气压偏低的缸内，再测量气缸压力。若压力读数上升说明气缸与活塞组零件磨 损过大，如果读数基本上无变化说明气门关闭不严。 4 一缸或数缸压力偏高，汽车行驶中伴随出现过热或爆燃现象，则属于积炭 过多或压缩比过大。 5 由于发动机结构和压缩比的不同，各车型发动机气缸压缩压力的标准值不 尽相同，几种车型发动机气缸压缩压力标准值见表1 一l 。根据g b t 1 5 7 4 6 2 1 9 5 5 汽车修理质量检查评定标准发动机大修的规定，发动机大修竣工后， 气缸压力应符合原设计规定：每缸压力与各缸平均压力的差，汽油机小于8 ， 柴油机小于1 0 。 用气缸压力表检测气缸压力，尽管应用广泛，但存在测量误差大的缺点。 气缸压力的测量结果不仅与气缸的密封程度有关，而且还与曲轴的转速有关， 研究表明，检测转速是否符合规定是检测误差是否存在的主要原因。因此在检 测气缸压力时，应该对曲轴转速进行监测。 表1 1几种车型发动机的气缸压缩压力标准 车犁压缩比气缸压力k p a 测定转速( r m i n 1 ) 解放c a l 0 9 l7 49 3 0 1 0 0 1 5 0 东风e q l 0 9 0 e 7 0 0 8 3 3 ( 各缸差 1 4 7 )1 0 0 1 5 0 跃进n j l 0 4 l 7 59 8 0 2 0 0 2 5 0 天津大发9 o o1 2 2 52 0 0 2 5 0 上海桑塔纳 8 2 8 5 1 0 0 0 1 3 0 02 0 0 2 5 0 三菱柴油车1 7 52 6 0 02 0 0 2 5 0 1 0 6 8 1 2 7 5 ( 各缸差 北京切诺基 8 62 0 0 2 5 0 2 0 6 ) 9 0 01 2 0 0 ( 各缸差 一汽捷达 8 5 2 0 0 2 5 0 3 0 0 ) 1 2 3 曲轴箱窜气量的检测 2 l 】 测定曲轴箱窜气量是检测气缸密封性的重要手段，气缸一活塞组配合副磨 损，间隙增大，或活塞环对口、断裂及拉缸时，窜入曲轴箱的气体量将会增加， 发动机动力性能会随之下降。国外资料介绍，新发动机曲轴箱窜气量约为1 5 2 0 l m i n ，磨损后的发动机窜气量高达8 0 1 3 0 l m i n 。所以，采用曲轴箱窜气量 作为诊断参数，间接了解气缸一活塞组结构参数的变化状况，并诊断其故障是 很重要的技术手段。曲轴箱窜气量还与发动机的负荷、转速及曲轴箱的密封性 有关，因而在测定这项参数时，应注意密封曲轴箱和选择适当的发动机负荷与 转速范围。 1 2 4 人工经验诊断法 人工经验诊断法【9 】：是通过路试和对汽车总成作情况的观察，凭借诊断人 员丰富的实践经验和一定的理论知识，利用简单工具以及眼看、手摸、耳听等 手段，边检查、边试验、边分析，进而对汽车技术状况进行定性分析或对故障 部位和原因进行判断的诊断方法。该诊断方法不需要专用仪器设备，可随时随 地使用、但其缺点在于：判断速度慢，准确性差，并要求诊断者具有丰富的实 践经验和较高的技术水平。 1 3 课题的研究的主要内容 车用发动机在运行一定里程之后，活塞组磨损严重，机油、燃油消耗增大， 发动机综合性能下降，需对发动机进行大修。传统判定发动机进行大修的标准 4 是测定活塞环与缸壁之间的间隙作为大修的依据( 不同的发动机的间隙标准不 同，例如e q 6 1 0 0 发动机的大修间隙为1 5 1 t m ) ，所以需先对发动机进行解体， 而后测量活塞环与缸壁之间的间隙，从而判定发动机是否需要大修。这就要求 修理厂技术工人需从车上拆下发动机，对发动机进行解体，测量活塞环与缸壁之 l 日j 的间隙，效率较低。本项目就是不解体发动机，通过测量曲轴箱窜气量，实 现对发动视故障诊断的一种新仪器。 车用发动机燃烧室内的高压气体经活塞与气缸壁窜入曲轴箱后从机油口排 出，我们称这一气体流量为曲轴箱窜气量( 单位l m i n ) ，其值的大小是表征气缸 活塞组磨损程度一个非常重要的参数，但由于曲轴箱内的气体压强较低 ( e q 6 1 0 0 发动机在2 0 0 0 转，分钟的负荷下，只有1 0 - - 2 0 k p a ) ，加之气体的流量 小、脉动性强等不利因素的影响，现有市场上尚无成熟的检测仪器能进行故障 诊断。为此构造了该检测仪器，基本能够满足发动机故障诊断要求。 该项目是我校受承德市金运驾驶学校委托，与承德市金运驾驶学校内燃机 修理厂联合开发的机电一体化产品，同时也是河北省科技攻关项目。 主要研究、开发内容分成如下七点： 1 构造专用测试用传感器。从而对内燃机曲轴箱的气压动态特性进行检测。 测试传感器输出信号量的大小，通过人工神经网络智能技术实现汽车用内燃机 气缸磨损量、活塞环密封性的不解体故障诊断。找出影响其动态测量精度的原 因，并推导出其数学模型，找出用软、硬件提高精度的方法。 2 测试数据的分析处理方法。由于发动机窜气量的大小与传感电路输出信 号之间存在非线性关系，所以在软件中应对其进行逐段线性化处理，找出线性 段，并预先进行计算机仿真模拟。测试方法及测试环境对测量精度影响因素的 分析。通过在不同环境温度、不同工作时间采用不同的测量方法，由试验画出 其补偿曲线，并通过软件对其进行线性化补偿。测量数据通过内部单片机的串 口实现与p c 机数据通讯，确定通讯方式及通讯协议。 3 探索微功耗测试技术在便携式设备上的应用。m s p 4 3 0 f 1 4 9 及低功耗仪 用放大器的应用特点及接口方式等。 4 探索故障诊断与专家系统的具体应用。 5 在合理的成本与质量要求考虑下提出硬件的总体设计方案以及完成元器 件的选型工作。 6 完成m s p 4 3 0 f 1 4 9 核心控制处理模块、通讯模块以及信号调理与电源模 块的电路设计。 7 完成汽车发动机检测仪的总体构架的编制，最终完成软、硬件设计与调 试。 第二章传感器系统的设计 当计算机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机 拾取必要的输入信息，对于测量系统而言，如何准确获取被测量信号是其核心 任务。对于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号，其信号 幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、 滤波量化等处理过程中需考虑干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素， 而这种信号又是测控系统中最普通、最常碰到的输入信号。 对被测对象状态的拾取，一般都离不开传感器或敏感器件，这是因为被测 对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算机只是一个能识剐和处理电信 号的数字系统，因此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控 制的任务。 2 1 传感器的作用 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、 通信技术和传感器技术等，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而 传感器就相当于人的感官。从广义上讲。传感器就是能感受外界信息并能按一 定规律将这些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界 信息转换成电信号的装置。传感器与人的感官一一对应，它能够把自然界的各 种物理量和化学量等精确地变换为电信号， 再经电子电路或计算机进行处理， 从而对这些量进行监测或控制，其主要作用为； 1 信息的收集 科学研究中的计量测试、产品制造与销售中所需的计量等都要经测量才获 得准确的定量数据。对某种特定要求、需要检测目标物的存在状态，并把某状 态信息转换为数据。对系统或装置的运行状态进行监测，发现异常情况时，发 出报警信号并启动保护电路，这样可以对系统或装置进行安全管理。 2 信息数据的转换 把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转 换成计算机、传真机等能够处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介体上的 信息并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。 3 控制信息的采集 对控制系统的某种状态的信息进行检测，并由此控制系统的状念或者跟踪 系统变化的目标值。 2 2 传感器的选用 传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传 6 感器。因此，要根据需要选用最适宜的传感器 1 7 】。 1 测量条件 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明 确使用的目的，绝对不要采用不适宣的传感器。测量条件列举如下：测量目的、 测量的选定、测量的范围、输入信号的带宽、要求的精度、测量所需要的时间、 输入发生的频繁程度等。 2 传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能：精度、稳定性、响应速度、模 拟信号或者数字信号、输出量及其电平、被测对象特性的影响、校准周期、过 输入保护等。 3 传感器的使用条件 传感器的使用条件有设置的场所、环境( 湿度、温度、振动等) 、测量的时 间、与显示器之间的信号传输距离、与外设的连接方式以及供电电源容量等。 传感器的种类繁多，应用的场合也各式各样，用户在使用传感器之前应特 别注意阅读说明书。现把传感器一些常见的使用注意事项总结如下：精度较高 的传感器都需要定期校准，一般来说，须3 6 个月校准一次；传感器通过插头 与供桥电源和二次仪表连接时，应注意引线号不能接错；各种传感器都有一定 的过载能力，但使用时尽量不要超过量程；在搬运和使用中不应碰传感器的探 头处：传感器不使用时，应存放在温度为1 0 3 5 。c 相对湿度不大于8 5 r h 、无 酸、无碱和无腐蚀性气体的室内。 2 3 测试用传感器的原理及构造 发动机检测与诊断系统。3 可分为信号获取部分、信号处理部分、人机接口部 分以及激励装置。系统的结构示意图如图2 一l 所示： 图2 - i 发动机检测与诊断系统框图 l 信号获取部分 信号获取部分的任务是拾取发动机被测点的参数值，使我们得到所关注的 有用的信息。对于电量参数可以通过直接接触或感应获得，而对于非电量参数 则需要先经过传感器将非电量信号转变成电量信号。传感器作为获取信息的主 要工具和手段，在检测与诊断系统中占有极为重要的地位，它能把特定的被测 量信号( 包括物理量、化学量等) 按一定规律转换成便于运算、传输、储存和进一 步处理的电量信号。由于被测点参数性质的多样性，所以信号获取装置必须具 有多种形式以适应不同的测试要求。 2 信号处理部分 信号处理部分的主要作用是对获得的信号进行预处理，即进行衰减、滤波、 放大、整形、运算和数字化等处理，将采集的信号转换成标准数字信号后送入 计算机。信号处理部分是检测系统的中心部分，应该在对检测目的、检测对象 进行了充分的研究之后再确定具体方案，有时还需要对加工处理后的信息做出 初步判断，及时修改处理的方法和参数。 2 3 1 传感器基本原理： 对气体流量的测量，一般采用压差式气体流量计，即在流体的气道内安装 节流板，当连续流动的气体经过节流板时，节流板的上游侧和下游侧之间存在 静压差( 6p ) ，此静压差在一定条件下，与气体流量有着确定的数值关系”，其 实用公式为： r - q = 0 0 1 2 5 耐、誓 噘 ( 2 - 1 ) 其中：口为流量系数，占为空气膨胀校正系数，d 为节流板开孔直径，p 为在上 游取孔处的气流密度( k g m 3 ) 。其中口。s 可查表与计算得到。 传感器采用的是环隙节流，其基本原理与公式( 2 - i ) 气体流量的基本原理 一样，只是节流形式不同，所以公式( 2 1 ) 可作为传感器的理论设计依据。 根据发动机故障诊断对流量传感器的技术要求，在设计中，初步先确定传感器 的设计参数，然后再进行试验，修正设计参数。 2 3 2 传感器设计： 传感器”主要由节流板1 、座体2 、输出接口5 、检测装置7 等部件组成( 见 图2 2 ) 其中检测装置用量程5 m 、输出电压o m v 一5 0 m v 的d a o 5 型直流差动 变压器位移传感器。测量原理：将传感器与发动机加注机油口用胶管连接，从曲 轴箱窜出的气体，经过节流平板与座体气道之间的间隙排到大气中。由于静压 差的作用，节流板联动测量杆件产生位移，测量装置输出电压信号，其流量的 大小与输出的电压信号成一定比例关系。 图2 - 2 传感器结构图“。 1 节流扳2 座体 5 输出接口6 密封圈 9 气 体 漉 a 3 芯体4 固定夹板 7 检测装置8 测量杆件 第三章电气测量部分的设计 3 1 测量系统设计原则及结构 3 1 1 系统设计原则 为了保证系统稳定可靠地运行，系统在设计时应该遵循以下几个方面的原 则： 1 硬件电路应尽可能采取模块化和标准化进行设计； 2 软件结构清晰，模块化强，通用性强，便于程序的移植和修改； 3 系统应具备一定的可扩展性，以方便进行系统的升级。 3 1 2 系统总体结构 根据课题的功能需求，设计了便携式发动机故障检测仪，本章将具体介绍 以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心的传感器信号处理系统的硬件设计及其相应的软件。便 携式发动机故障检测仪传感系统硬件设计如图3 - 1 所示。 图3 - 1便携式发动机故障检测仪传感系统硬件框图 考虑到系统中涉及到温度补偿、a d 转换、低功耗等性能需求，中央处理 单元的微控制器需具备三个方面的功能： 1 内部自带温度传感器，以便于对传感器的输出信号进行温度补偿： 2 自带高精度的d 转换器，且a d 转换速度快； 3 功耗低，内部资源丰富。 经过调研，a v r 系列单片机带l o 位的a d 转换，精度偏低，不满足要求。 m i c r o c h i p 公司也推出了低功耗的p i c 系列，但资源不满足本系统的需求。课题 选择了1 1 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，价格适中，它具有1 6 位的r i s c 结构，自带1 2 位的a d 转换，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 f 1 4 9 1 0 能达到最高的代码效率。其最大的特点在于其灵活的时钟源可以使器件达到最 低的功率消耗，其主要特点是： 低电压、超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机，在1 8 - - 3 6 v 电压、1 m h z 的时钟条件下运行，耗电 电流( 在0 1 4 0 0 h a 之间) 因不同的工作模式而不同；具有1 6 个中断源，并且 可以任意嵌套：用中断请求将c p u 唤醒只要6 n s ，可编制出实施性特别高的源 代码；可将c p u 置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位的r i s c 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源 操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令； 大量的寄存器指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还 有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期 为1 2 5 n s 。这些特点都保证了可编制出高效率的源程序。 系统工作稳定 上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始 执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存 器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟 m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞， 可用看门狗将其复位。 丰富的片内外设 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。他们分别是以 下一些外围模块的不同组合： 看门狗( w d t )定时器( t i m e ra )定时器( t i m e rb ) 比较器串口0 、1 ( u s a r t 0 、1 )硬件乘法器 液晶驱动器1 0 位1 2 位a d c1 4 位a d c ( a d c l 4 ) 端口0 ( p 0 )端口1 - - 6 ( p 1 一p 6 )基本定时器( b a s i ct i m e r ) 其中，看门狗可使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压的比较，配 合定时器可以设计为a d 转换器；定时器具有捕获，比较功能，可用于事件计数、 时序发生、p w m 等：有的器件更具有两个串口，可方便的实现多机通信等应用； 具有较多的并行端口，最多达6 x 8 条i o 口线，而且i o 线具有中断能力：1 2 1 4 位硬件a f d 转换器具有较高的转换速率，最多可达2 0 0 k b p s ，能满足大多数数 据采集应用；能直接驱动液晶多达1 2 0 段。m s p 4 3 0 系列单片机的这些片内外 设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境 目前m s p 4 3 0 系列有4 种类型器件：o t p 型、f l a s h 型、e p r o m 型、r o m 型。这些器件开发手段不同。对于o t p 型和r o m 型的器件是用相对的e p r o m 型器件作为开发片，或使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片；而对于 f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为片内有j t a g 调试接口，还有可 电擦写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过 软件控制程序的运行，有j t a g 接日读片内信息供设计者调试傻用的方法进行 开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要仿真器和编程 器。开发语言有汇编语言和c 语言。 工业级的产品 m s p 4 3 0 系列的器件均为工业级的，运行环境为一4 0 + 8 5 ， 它的主要片内外围功能模块有： 2 个u a r t 通道： 2 个带捕获比较寄存器的1 6 位定时器： 内部温度传感器： 多达6 0 k b 的f l a s h r o m 和2 k b r a m 微处理器时钟模块的应用使其实现了超低功耗的应用，这里做一个简单介 绍，图3 2 为基本时钟模块的输入输出关系。 图3 - 2m s p 4 3 0 的时钟 扶图3 - 2 中可以看出，该微处理器有3 个时钟输入源： l f x t i c l k 由标准高频晶体或陶瓷振荡器产生或外接时钟信号源； x t 2 c l k 由标准晶体或陶瓷振荡器产生或外接4 5 0 k h z - m h z 时钟信号 源； d c o c l k 片内可以数字控制的r c 振荡器， 同时，它也提供3 种时钟信号： a c l k ( 辅助时钟) 由l f x t i c l k 信号经l ，2 ，4 ，8 分频后得到，分频系数可选。 a c l k 可由软件选做各个外围模块的对钟信号。 m c l k ( 主系统时钟) 可由软件选择来自l f x t l c l k ，x t 2 c l k ，d c o c l k 三 者之一，然后经1 ，2 ，4 ，8 分频得到。m c l k 主要用于c p u 和系统。 s m c l k ( 子系统时钟) 可由软件选择来自l f x t i c l k , x t 2 c l k ，d c o c l k 三 者之一，然后经1 ，2 ，4 ，8 分频得到。s m c l k 主要用于各外围模块。正是由于有3 1 2 种不同频率的时钟输出给不同的模块，整个系统的超低功耗才成为可能。系统 时钟初始化如下： v o i do s c _ i n i t ( v o i d ) 时钟初始化 w d t c t l = w d t p wiw d t h o l d ； b c s c t l i1 = x t s 十d i v a2 ： 停止看门狗 | | x t la sh i 啦f r e q u e n e y , a c l k = 2 m h z b c s c t l i & = 一r s e l 2 ；r s e l o = o ，r s e l l = 0 ，r s e l 2 = 0 ， l l l j 选择最低标称频率d c o c l k = 1 0 0 k h z ，t u mo nx t io s c i l l a t o r b i cs rr e g i s t e r ( o s c o f f ) ； i f g i & - 一o f i f g ； c l e a ro f i f g ，振荡器失效中断标志 t e s to s c i l l a t o rf a u l tf l a g w h i l e ( i f g i & o f i f g ) ； b c s c t l 2 = s e l m3 + d i v s 3 ；s e tx t ia sm c l k , 对d c o 进行8 分频= 1 0 0 8 = 1 2 5 k h z 本课题选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为便携式发动机故障检测仪还在于该m c u 的 f l a s h 存储器模块中有2 段信息段存储器，分别为信息存储器a 和b ，每段各 为1 2 8 字节。在对流量计进行标定时，每段的流量值及其对应的a d 值、温度 标定值需要保存下来；传感器在处于正常工作状态下，当前的总流量值也需要进 行实时保存，因此，在程序实现时将需要保存的信息都写入了信息段，实现了 简易的掉电保护，并减少了外挂e p r o m 带来的额外电流损耗。 由图3 1 可以看出，整个系统的功能实现模块化较强，而对各个模块的功能 实现要综合考虑硬件的选取和相应的软件实现措施。结合本课题的具体实现过 程，整个传感系统的软件程序分为：初始化模块、按键参数标定模块、l c d 显 示模块、a d 转换模块、流量数值计算存储以及p w m 调制输出模块等。 由系统的主流程图可以看出，整个主程序采用查询法，系统有三种工作模 式：正常工作模式，流量标定模式、温度标定模式。后两种模式均属于参数设 置，由按键和液晶模块完成。定时器和a d 采样程序采用中断实现，在 m s p 4 3 0 f 1 4 9 中有特定的各个模块的中断入口。a d 中断程序中完成对差动变 压器式位移传感器信号和温度信号的采样。定时器采用t o ，在定时器中设置了 4 个计数值，分别用于控制a d 值的更新时间、l c d 的闪烁显示时间、计算累 积流量的时间和把总流量写入信息段a 的间隔时间。主程序中，每隔5 m s 对 a d 值更新一次，l c d 的闪烁显示时间根据各个工作模式来决定，每隔1 0 s 把 当前总流量写入m s p 4 3 0 f 1 4 9 中的信息段，方便显示及查找。 下面分别介绍传感系统的各个模块的设计，主要为传感器输入信号电路、 4 2 0 m a 电流环输出电路、串口通信模块、参数设置及功能实现等。 3 2 信号调理电路设计 3 2 1 放大电路的设计 由于d f a 0 5 型传感器的信号输出较小( 用量程5