基于單片機的燃油計量單元控制系統設計

孟武勝，范曉晶，李明翔，高曉珍

(西北工業大學自動化學院，西安710072)

1 引言

飛機的一種啟動方式是由輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，APU)提供空調引氣和電源，從而提供壓縮空氣供發動機啟動。此外，在飛行過程中，如果發動機停車，APU也可以用來向飛機提供氣源和電源。燃油計量單元(Fuel Metering Unit，FMU)作為APU的子部件，用于控制和計量APU工作過程中燃油的流量與壓力，從而保證APU的正常工作。因而，對燃油計量單元控制系統的設計與研究具有重要意義。

燃油計量單元內部有步進電機和旋轉變壓器。步進電機具有快速啟停、受干擾影響小的優點，但驅動信號一般由專用模擬芯片提供，因而提出用80C58單片機對其控制，并由專用芯片驅動。旋轉變壓器的輸出角度對步進電機構成閉環回路，可由旋變數字轉換器對角度進行采集與轉換，并通過液晶顯示屏顯示。針對以上要求，設計出由80C58單片機、4×4矩陣鍵盤、步進電機驅動芯片STK672-040、旋變數字轉換器 AD2S80A和液晶顯示器LCD1602所組成的燃油計量單元控制系統。

2 燃油計量單元

燃油計量單元用于計量流過飛機發動機的燃油流量，工作原理如圖1所示。高壓燃油從燃油泵中流進燃油計量單元入口時會通過高壓溢流閥。當入口燃油的壓力高于限定值時，高壓溢流閥動作并將超出額定值的燃油回流到燃油泵中。外部的輔助電源給步進電機上電后，步進電機帶動計量閥動作并改變閥開口的大小，閥開口的大小決定了燃油的流量，因此，通過控制步進電機的運轉可實現燃油流量的計量。泵旁路的壓力調節閥用于維持計量閥兩端的壓降恒定，從而得到穩定的流量與壓力。除此之外，系統由主電磁閥和次電磁閥組成兩個獨立的關閉系統，當電磁閥斷電后，最小壓力閥關閉，系統無燃油輸出。

圖1 燃油計量單元原理圖

3 系統硬件設計

3.1 控制系統原理

系統控制模塊選用內部帶有32kB ROM和256B RAM的高性能單片機80C58，控制系統總體框圖如圖2所示。在系統中，通過4×4矩陣鍵盤中的命令鍵對步進電機工作方式設定，數字鍵用于步進電機運轉步數的輸入;專用步進電機控制芯片STK672-040用于步進電機功率驅動;旋變數字轉換器AD2S80A獲得旋轉變壓器的角度，當采集到計量閥最小、最大止動點的角度后存儲在單片機中，并經過內部擬合后在液晶屏上輸出角度值;同時，液晶屏上所顯示的角度值與步進電機運轉角度形成誤差，從而構成閉環控制系統。由于單片機IO口有限，在此采用可編程并行接口芯片8255A對端口進行擴展。此外，控制系統中軟件模塊較多，為防止程序受干擾而發生異常，引入了看門狗電路X25045。

圖2 控制系統總體框圖

3.2 單片機模塊

控制系統選用80C58系列單片機，程序存儲器與數據存儲器滿足要求，震蕩電路與單片機的XTAL1、XTAL2相連，上電復位、手動復位、看門狗復位三者通過邏輯或門與單片機RST相連，單片機的P1口用于液晶顯示屏的數據傳輸。單片機的P0口通過上拉電阻作為擴展芯片8255A的數據口，通過控制命令將8255A的PA口用于旋變數字轉換器的角度輸入，PB口作為輸出用于步進電機的控制，PC口連接矩陣鍵盤。此外，單片機的P2、P3口作為各芯片的控制命令選擇和特殊功能使用，硬件電路如圖3所示。

圖3 單片機模塊硬件電路圖

3.3 步進電機

燃油計量單元的步進電機工作方式為四相四拍，即以AB-BC-CD-DA-AB方式不斷循環。利用8255A輸出功能，通過對步進電機驅動芯片STK672-040進行控制，完成脈沖的分配與功率驅動，從而控制步進電機的運行，如圖4所示。A、B、/A、/B為驅動芯片的4相脈沖輸出，由于芯片內部經過了功率放大，所以它們可以直接用于驅動步進電機的A、B、C、D相。輸入時鐘CLK決定了輸出脈沖信號的頻率，即相位變換的頻率，因此決定了步進電機的轉速，該時鐘與P3.3相連，通過定時器中斷產生時鐘。

圖4 步進電機驅動電路

3.4 旋變數字轉換器

為了實現對旋轉變壓器角度信號的采集與處理，需要將旋轉變壓器通過旋變數字轉換器與單片機相連，硬件電路如圖5所示。系統采用12位的分辨率，因此，通過在AD2S80A的引腳SC1、SC2分別加低電平和高電平實現，根據使用手冊，確定AD2S80A外圍電路各器件參數。在12位數據傳輸過程中，選擇BYTE SELECT為高電平時，將高4位數據輸出;為邏輯低電平時，低8位數據通過DB1～DB8傳輸至8255A的PA口。

3.5 電源模塊

在控制系統中需要提供三種電源，因此采用穩壓器CW7805、CW7812為單片機和旋變數字轉換器分別提供+5V和+12V的直流電源，采用輸出范圍為1.25～37V的LM317可變電源為步進電機提供所需的+17～+23V的工作電壓。

4 系統軟件設計

在燃油計量單元控制系統中，通過鍵盤設置步進電機的工作方式并輸入轉動步數后，步進電機帶動計量閥運轉，此時液晶屏上會顯示已轉動的步數和剩余的步數;然后AD2S80A采集并獲得最小、最大止動點角度;最后通過單片機內部的計算與擬合，輸出旋轉變壓器的擬合角度，同時將角度值反饋給步進電機，根據誤差校正步進電機運轉步數。因此，軟件部分由4大模塊組成:鍵盤掃描及處理、步進電機控制、AD2S80A采集與轉換、顯示部分。

4.1 鍵盤掃描及處理

在控制系統中，8255A的 PC口高4位用于列控制，和4根列線相連用作檢測輸入線;PC口的低4位用于行控制，和4根行線相連用作行掃描輸出線;行線需加上拉電阻，以使其處于高電平。在程序中，首先利用查詢的方法檢測鍵盤中是否有鍵按下。當有鍵按下時，經過延時，再進行一次相同的查詢，若按鍵仍處于被按下的狀態，則認為確實有鍵按下，否則認為是抖動引起的，這樣可做到“消抖”。當確實有鍵按下時，確認按鍵位置并獲得按鍵值，根據所得鍵值進行處理(若是數字鍵，要將其轉換為十進制數字并在液晶屏上顯示;若是控制鍵，則執行相應的控制命令)，其流程如圖6所示。

圖5 旋變數字轉換器硬件電路

4.2 步進電機控制流程

單片機上電復位后，首先對定時器0及中斷進行初始化，用以產生步進電機驅動芯片的時鐘信號;然后通過單片機和8255A的各引腳對驅動芯片進行初始化，設置其驅動步進電機的輸出方式;最后通過鍵盤的按鍵控制命令，使電機按照要求轉動。在此過程中，已轉動的步數和剩余步數均在液晶屏上實時顯示，流程圖如圖7所示。

4.3 旋轉變壓器角度采集與轉換

步進電機工作后，旋轉變壓器檢測到其運轉角度的變化，在勵磁的作用下有正弦、余弦兩路輸出，利用旋變數字轉換器可實時得到角度值。啟動AD2S80A工作后，首先檢查轉換結束標志，當BUSY引腳為低，即轉換結束后開始讀取轉換結果。通過對BYTE SELECT高低電平的控制，分別得到高4位和低8位數據，經過單片機內部運算后，得到角度值并在液晶屏上顯示，軟件流程如圖8所示。

5 實驗結果

在燃油計量單元試驗臺(HS-RJ-00，西安海聲航空技術有限公司)上，利用所設計的燃油計量單元控制系統對FMU-801053進行實驗，得到表1所示的實驗結果。從表中數據可知，除了第3組數據(外界環境所引起的誤差)外，實際流量都達到測試要求。

表1 燃油計量單元控制系統試驗數據

6 結束語

基于80C58單片機的燃油計量單元控制系統實現了對燃油流量的控制，系統操作簡單并具有實時性?？刂葡到y在西安海生航空技術有限公司使用，對型號為801053的燃油計量單元進行控制，達到了測試要求。此外，對不同型號的燃油計量單元，可以通過修改程序中的相關數據實現控制，因而具有通用性。

圖6 鍵盤掃描及處理流程圖

圖7 步進電機控制流程圖

圖8 AD2S80A轉換流程圖

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