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飞机发动机转速智能检测控制系统的设计胡清阳,王庸贵,任德均（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：文章介绍了以AT89C52单片机为核心的飞机发动机智能检测控制系统，通过对转速信号的采集、运算、分析及对步进电机的驱动控制，带动仪表指针转动相应的刻度来检测速度变化，从而实现了速度在线智能检测；给出了系统电路和系统软件的设计方案及采样信号频率的算法。系统具有硬件体积小、成本低、检测精度高、操作方便、智能化较高等特点，应用前景十分广阔。关键词：单片机；飞机发动机；转速；步进电机1引言随着飞机性能的不断发展，飞机发动机愈来愈复杂，需监控参数由几个增加到几十。因此，以前靠分离仪表已不能适应现代飞机发动机性能监控的要求，现代飞机发动机装备有发动机参数采集器，而发动机参数采集器是计算机化的全自动设备，它实时采集飞机发动机的工作状态，并适时将数据传送给其他机载设备使用，其性能的地面维护和检测比较困难，为提高校测设备的自动化水平和检测精度，设计了飞机发动机实时在线检测控制系统，该系统采用先进的计算机数据采集与控制技术。解决了在地面模拟飞机发动机工作状态与数据实时采集与传送的矛盾，大大提高了检测精度，缩短了检测时间，为提高发动机参数采集器的维修效率具有十分重要的意义。2系统工作原理系统实现对飞机发动机转速的在线检测控制，其工作原理是通过硬件设计对外部转速信号转换、采集，并经过AT89C52单片机芯片进行运算处理分析，然后对步进电机进行控制，带动仪表指针转动到相应的刻度来反映速度变化，并通过串行通讯接口RS232将数据传输到上位机的软件接口，来显示速度变化，从而达到速度在线检测控制，主要包括三个过程：信号转换、采集过程；信号运算处理、分析过程；步进电机驱动控制过程。（1）信号转换、采集过程主要是将飞机发动机转速信号转换成单片机可以处理的信号，首先将飞机发动机转速信号通过转速传感器转换成正弦电压信号，转速与正弦电压信号成一定比例转换，即正弦电压信号变化反映速度的变化，正弦电压信号经过放大整流、电压比较，转换成的方波脉冲信号送入单片机的外部中断口（INT0），对信号进行采集。（2）信号运算处理过程主要是经过转换的信号进入单片机系统通过软件和算法进行运算处理和分析。（3）步进电机控制过程主要是单片机向驱动器发送一定的控制信号，来驱动步进电机转动相应的角度，从而带动仪表指针转动到相应的刻度，这样实现对飞机发动机转速的在线检测。其原理图如图1所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:24-Mar-2004SheetofFile:E:\发表论文及资料\新建文件夹\控制接口5.DDBDrawnBy:12JP3CL+1CL-3CL+4CL-5TIN11ROUT12RIN13TOUT14V-6V+2VCC16GND15IC1MAX232123JP4+5IN1TXDRXDEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189C52XTAL2+5XTAL1转速RS232C19C20C17C18U9V+V-Q+Q-U6TLP521-1VCC1R6+5C6R2C7D4D3D5D2R5542312U7ALM339W1GNDAGNDAR4GNDAVCC112U4A74LS14C5IN112JP1D1LEDVin1GND12Vout3GND25WS05-24S05+C1+C2C3C4R1+5电源VCC1GNDAP10P12GNDAR3V+V-Q+Q-U3TLP521-1R10+58910U5C74LS0012345678JP5R7+5OUT1步进方向复位R8+589U4D56U4CR9+5输入MR1VCC2GND3WDI6RST7WDO8U2MAX705D6+512JP2复位P11P13C8C9CRYSTAL1XTAL1XTAL2U8GNDA+5VCC1C15C16C14C10C11+5C12+5C13图2硬件设计电路图3单片机系统硬件设计根据其工作原理设计出硬件电路图，如图2所示，主要包括信号检测部分、信号通讯部分、信号抗干扰部分。3.1信号检测部分（1）单片机：本系统选用ATMEL公司生产的MCS-51系列AT89C52单片机，内置8K字节电擦除可编程EEPROM片内程序存储器和256字节RAM，片内程序存储器空间能发动机转速信号正弦电压信号直流电压信号转换电机单片机CPU方波脉冲信号驱动器RS232传感器放大整流光电隔离显示器仪表电压比较图1系统原理框图满足本系统程序存储之需要,可省去片外EPROM程序存储器和地址锁存器,使电路结构简捷，误差可达1/100000。AT89C52单片机而且还具有性能价格比高，控制方式可靠，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点。（2）整流电路：整流电路主要是将交流正弦电压变换成直流电压，它是靠二极管的单相导通作用。系统所采用的是单向桥式整流电路。正弦波电压信号经过整流处理后得到直流电压信号。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。（3）电压比较放大电路（迟滞电压比较器）：电压比较放大电路主要功能是将整流后的直流电压信号进入LM339电压比较器，将波形的电压信号变换为矩形方波电压信号。系统输入电压由运放的反相端4输入，给定电压由同相端5输入。当输入电压高于给定电压时，运放输出为反向饱和电压。当输入电压低于设定电压时，运放迅速翻转，输出为正向饱和电压。且迟滞电压比较器具有较强的抗干扰能力。3.2信号通讯部分系统设计为了精确显示反映速度变化，设计一个通过串行通讯接口RS232传输数据信号，选用了MAX232芯片，将信号传输到上位机，通过软件接口显示速度变化，从而准确实现速度在线检测。3.3信号抗干扰部分（1）光电隔离：光电隔离电路主要功能是为了防止外部信号与单片机CPU产生干扰，将外部矩形方波电压信号再经过一个TLP521-1光电隔离器进行隔离，然后再一次经过74LS14施密特反向器整型后进入单片机CPU系统，且CPU加隔离后进入驱动系统。（2）硬件滤波：常用RC低通滤波器接在一些低频信号传送电路中（如热电偶输入线路）。它可以大大削弱各类高频干扰信号（各类“毛刺”形干扰相对于慢变有效信号均属高频干扰）。但硬件滤波电路的主要缺点是体积大，要增加成本，如果截止频率定得很低（如0.1Hz），硬件滤波很难胜任的，必需配合软件滤波（数字滤波）来实现。（3）看门狗：为了系统设计可靠性，采用了MAX705复位/看门狗电路，主要功能是防止程序运行时失控和提供外部复位功能。当系统受到干扰，程序发生“飞逸”或“死机”时，看门狗可以使程序复位。如图2所示WDI是看门狗输入端，WDO是看门狗输出端，MR是人工复位输入端，RST是复位输出端。（4）抗干扰稳压电源：主要为控制器其它各部分电路提供可靠的工作电源。电源电压首先经DC~DC变压器降压，再经整流、滤波及不同的稳压电路之后，一方面为给定电路提供稳定的设定电压，另一方面也为比较放大电路、驱动执行电路提供可靠的工作电源。外部信号提供的工作电源电压为DC28V，而设计的硬件控制接口工作电压为DC5V，因此设计个电源模块DC28V转换为DC5V，即DC~DC转换电源模块。4驱动控制系统设计步进电机不能直接连接到交直流上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器。因此，步进电机及其驱动系统是一个有机整体，其运行性能是两者配合的综合表现。系统的驱动集成电路选用的是以美国MOTOROLA公司生产的产品MC3479为核心的驱动集成电路芯片。MC3479是一种用于驱动双极方式的两相步进电动机的单片集成电路。MC3479是一种非常实用的步进电动机驱动芯片，可用于磁盘驱动器、步进电机驱动及机器人驱动装置等。MC3479外接元件少结构简单，使用方便，具有质量轻、体积小等特点，这有效的提高了系统的可适用性。驱动控制系统原理图如图3所示。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:20-Mar-2004SheetofFile:E:\发表论文及资料\新建文件夹\驱动器设计.ddbDrawnBy:U3TLP521U3TLP521U3TLP52112U2A74LS14R31kR21kR11k1234567834U2B74LS1456U2C74LS1412345678910111213141516U1MC3479123V27812123VI7818123R567.5K12J1CON2U4IN4742A307R4330R02KC30.1uFC20.1uFC10.33uF123V47805123V37812C60.1uFC50.1uFC40.33uFD1IN4007D3IN4007D4IN4007D2IN4007C80.1uFC70.1uFC90.1uFC100.1uF1234CON4图3驱动控制系统原理图5系统软件设计软件设计思想采用模块化编程思想，子程序包括：采样信号子程序（T0中断和外部中断INT0子程序），频率计算子程序，除法、乘法子程序，发送脉冲数和发送某频率方波子程序，正反转判断子程序，加减速控制子程序，指针返回初始位置子程序。5.1主程序模块主程序主要完成初始化、设置T0中断方式及初值、T0和INT0中断的开启、进行标志位判断并调用各个子程序功能。主程序流程图如图4所示。主程序开始前N个采样周期采集完？设置寄存器组并初始化单元留下后一个周期的频率溢出前一个周期的频率调用频率计算子程序计算当前采集到的信号频率发送正反方向转控制信号根据前后两个采集到的频率调用正反转向判断子程序调用加减速控制子程序控制指针转动结束NYYN设置定时器T0工作方式并赋于计数初值初始化所有标志位开外中断0和定时器T0中断指针返回？调用指针返回初始位置控制子程序判断正反转方向图4主程序流程图5.2单片机采集信号的频率算法（1）测周法：测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为f=N/t，测量频率误差△f≈N△t/t2，相对误差△f/f=△t/t，误差主要来自采样到的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量精度高。（2）测频法：在设定t时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为f=N/t,测量频率误差△f≈△N/t，相对误差△f/f=△N/N，误差主要来自脉冲个数±1计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。5.3单片机采集信号子程序和频率计算子程序系统由于信号的频率较高故采用了测频法，当外部信号经过整形比较得到的方波脉冲信号输入单片机INT0，产生INT0中断响应，设置外部中断标志位，并设计一个基准定时（0.1ms），即定时器T0产生定时中断，根据外部中断设置的标志位，进行基准定时计数n，从而可以确定外部信号每个采样周期内(N个脉冲内)的信号周期T=0.1n/N(ms)，根据采集到外部信号的各周期，再调用频率计算子程序求出相应的频率变化，从而知道外部信号频率变化。5.4正反转判断子程序和发送脉冲数子程序根据前后频率变化，也即是速度变化大小，设计表指针正反方向判断以及发送脉冲个数子程序。从而控制表指针的转向和相应的角度，即根据外部信号频率的变化也是速度的变化，来控制表指针转向和相应的角度，这样表指针的转动就可以反映外部速度的变化。5.5加减速控制子程序为了实现表指针平稳转动，设计表指针有一个加减速过程，先经过加速阶梯过程，达到最高的速度，然后再经过减速阶梯过程，也即是发送低频率脉冲，然后向高频率过渡，达到一定高频率后再发送低频率脉冲，发送高低频率脉冲是根据步进电机的启动频率和正常工作频率而