飛機發動機轉速實時檢測與顯示系統的設計

唐永紅 史賢俊 劉陵順

(煙臺職業學院船舶工程系1，山東 煙臺 264676;海軍航空工程學院控制工程系2，山東 煙臺 264001)

0 引言

飛機發動機的工作狀態直接影響飛機的飛行速度和戰術性能的發揮，也密切關乎飛機的飛行安全，所以在飛行過程中及時準確了解和控制發動機的工作狀態非常重要。與飛機發動機工作狀態密切相關的參數就是發動機轉速。因此，在飛機的飛行過程中，確保發動機轉速顯示系統的穩定性、準確性和快速性是十分必要的［1－4］。

為提高飛機使用過程中發動機轉速指示表的穩定性和準確性，本文設計了一種基于步進電動機控制技術的飛機發動機轉速實時檢測與儀表顯示系統。該系統主要通過對模擬轉速信號的采集處理與分析，由單片機對步進電機驅動進行控制，通過步進電機帶動轉速指示表轉動來直觀地反映轉速的變化。

1 系統設計基本原理與組成

本文設計的轉速實時檢測與顯示系統主要由信號變換電路、AT89C51單片機、步進電動機三大模塊組成。信號變換電路用來完成飛機發動機轉速模擬信號到單片機可采集信號的轉換;信號采集與處理分析部分由AT89C51單片機完成，是轉速指示表轉動角度大小的依據;步進電機為轉速指示表指示角度提供動力。系統采用模塊化設計思想，避免了因局部故障引起整體故障的發生;各部分電路之間加入電氣隔離環節，避免了信號間的相互干擾。

系統基于轉速指示器工作原理，由轉速傳感器檢測轉速信號并轉換為正弦交流電壓信號;正弦波電壓信號經過單相橋式整流、電壓比較后變換為矩形波電壓信號;矩形波電壓信號進入單片機89C51芯片系統;單片機采集到脈沖信號后經過軟件處理與分析，發送相應的控制信號到步進電機驅動器對步進電機進行控制，使驅動步進電機帶動儀表指針指示［4］。

系統的技術指標具體如下。

①輸入信號

假設模擬的飛機發動機轉速為100～5 000 r/min，負載為100 kΩ。當轉速為100 r/min時，輸出電壓不小于0.7 V;當轉速為5 000 r/min時，輸出電壓不小于5 V。信號頻率f=n/60，為單相正弦波。

②輸出信號

發動機轉速為 0.45°/10(r·min－1)，即飛機發動機轉速每改變10 r/min，儀表指針轉動0.45°。

系統實現了對飛機發動機轉速的在線檢測與儀表顯示，其工作原理是通過硬件設計對外部轉速信號進行轉換、采集，并經過AT89C51單片機芯片進行運算處理分析;然后對步進電機進行控制，帶動儀表指針轉動到相應的刻度來反映速度變化;最后通過數碼管來顯示速度值，從而實現速度的在線檢測與顯示。

系統工作主要包括信號轉換與采集、信號運算處理與分析、步進電機驅動控制三個過程。信號轉換與采集過程主要是將飛機發動機轉速信號轉換成單片機可以處理的信號并進行頻率采集。首先，將飛機發動機轉速信號通過轉速傳感器轉換成正弦電壓信號，轉速與正弦電壓信號成一定比例轉換，即正弦電壓信號變化反映速度的變化;然后，正弦電壓信號經過放大整流和電壓比較，轉換成矩形波脈沖信號，并送入單片機的外部中斷口，對信號進行采集。信號運算處理過程是單片機將采集到的信號，利用一定的算法，經過軟件編程后產生驅動電機轉動所需要的控制信號。步進電機控制過程主要是單片機向驅動器發送一定的控制信號，以驅動步進電機轉動相應的角度，從而帶動儀表指針轉動到相應的刻度，實現對飛機發動機轉速的儀表顯示［3－4］。

轉速實時檢測與儀表顯示系統原理框圖如圖1所示，其采用模塊化設計思想，將系統分為整流、比較放大、AT89C51單片機、步進電機、儀表、顯示和報警等模塊。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Principle diagram of system

在本設計中，飛機發動機轉速傳感器信號由函數信號發生器提供。整流電路是該系統的基礎，它是由四個整流二極管搭建而成的單相橋式整流電路，其功能是將輸入的正弦波電壓信號變換成直流電壓信號。但是僅靠二極管搭建成的整流電路輸出的直流電壓存在紋波，因此需要在電路中加入濾波環節。本設計采用的是C型濾波電路，由于該系統采用的電源是小功率整流電源，并且系統的負載變動不大，因此這里所采用的電容濾波電路結構簡單，負載直流電壓較高，紋波也較小。

比較放大電路是整個系統的重要部分，它主要是由集成芯片LM339組成的遲滯電壓比較器。工作過程中，較平滑的直流電壓信號進入電壓比較器，將帶有波形的電壓信號變換為矩形波電壓信號(0～5 V)，以便單片機進行采集。

單片機模塊是飛機發動機轉速實時檢測與儀表顯示系統的核心，內部軟件設計采用C語言編寫。它實現了信號采集、信號頻率測定與比較、步進電機控制、顯示與報警等功能。步進電機帶動儀表指針轉動的角度是由單片機輸出的信號來控制的，影響儀表指示精度的主要因素就在該環節。步進電機的驅動采用的是集成芯片達林頓驅動器ULN2803。該芯片體積小、結構簡單、易于掌握使用，只需單片機的幾個輸出接口便可控制［5－8］。

除此之外，本設計中還有一個蜂鳴器和一個共陰極的數碼管組，共四個數碼管。數碼管用來顯示步進電機轉動的角度，這樣就可以更直觀地看到飛機發動機轉速的變化。蜂鳴器用來實現轉速超出設定范圍時的自動報警。

2 系統工作流程與程序結構

當系統正常工作時，外部模擬的飛機發動機轉速傳感器信號進入系統，先經過整流濾波變換為直流電壓信號，再經LM339電壓比較器變換為矩形波電壓信號。經過光電隔離電路后的方波信號通過AT89C51單片機外部中斷INT0引腳輸入單片機進行采集［9－10］。單片機采集到外部信號后調用內部子程序計算出采集到的信號頻率，并進行分析處理。單片機采集到第一個信號頻率后，直接發送控制信號給步進電機，控制其啟動并轉動到相應的角度位置，至此完成一個采樣周期。

當第二個采樣周期完成后，單片機將此時采集到的信號頻率與上一個采樣周期采集到的信號頻率相比較，如果大于上一個采樣周期采集到的信號頻率，則控制步進電機帶動儀表指針正向偏轉一定的角度;如果小于上一個采樣周期采集到的信號頻率，則控制步進電機帶動儀表指針反向偏轉一定的角度;如果與上一個采樣周期采集到的信號頻率相等，則控制步進電機保持儀表指針上一個采樣周期指示的角度;如果此時刻采集到的信號頻率為零，則步進電機帶動儀表指針歸零。如此一直循環下去。

由于儀表表盤刻度是有一定范圍的，為防止外部信號頻率變化引起儀表指針過零或超過最大刻度，本設計加裝了報警裝置。一旦出現指針過零或超過最大刻度，裝置立即自動報警。總結以上分析，飛機發動機轉速實時檢測與儀表顯示系統的工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程圖Fig.2 Operational flowchart of the system

軟件設計中也采用模塊化設計思想，主程序主要完成初始化、T0中斷方式及初值設置、T0和INT0中斷的開啟、進行標志位判斷并調用各個子程序的功能，子程序包括采樣信號子程序(T0中斷和外部中斷INT0子程序)、頻率計算子程序、發送脈沖數和發送某頻率方波子程序、正反轉判斷子程序、加減速控制子程序、顯示報警子程序、指針返回初始位置子程序。程序結構框圖如圖3所示。

圖3 程序結構圖Fig.3 Structure of the program

當信號頻率初值輸入時，儀表指針啟動并轉到相應的角度位置;當信號頻率不斷變化時，儀表指針轉動相應的角度;當停止輸入頻率信號時，指針自動回零，外部信號重新輸入后，則儀表指針又轉到相應的角度位置。總之，當改變頻率時，儀表指針就轉動相應的角度，當中途按下復位按鈕，儀表指針便停在相應的位置，停止按下復位按鈕，則儀表指針繼續轉動相應的角度。

信號頻率的輸入是在一定的范圍內的，根據系統的技術要求，單相正弦波交流信號的頻率f=n/60，范圍為100 ～5 000 r/min，計算的頻率范圍為1.83 ～83.3 Hz，當轉速改變Δn=10 r/min時，即頻率改變Δf=1/6 Hz時，儀表指針轉動0.45°。因儀表表盤刻度是有一定范圍的，為防止外部信號頻率變化引起儀表指針過零或超過最大刻度，軟件設計為當兩路信號頻率變化不在規定的范圍內時，若頻率突變，則儀表指針在原位置不動;當頻率變化又恢復在規定的范圍內時，儀表指針重新轉動相應的角度。

試驗結果表明，當改變頻率稍大時，精度達到了控制要求;當頻率改變非常小時，即當頻率改變Δf＜1 Hz時，儀表指針轉動的角度可能在0.3°～1°范圍內波動，存在一定的誤差。誤差產生的主要原因是由于頻率信號變化很小時產生波動以及減速機構裝置有間隙而引起的。

3 結束語

本文設計了一種基于單片機技術的飛機發動機轉速實時檢測與儀表顯示系統。該系統采用模塊化設計思想，避免了因局部故障引起整體故障的發生。試驗結果表明，系統具有檢測與指示精度高、工作性能穩定、體積輕巧、成本低等優點，能夠滿足飛機發動機轉速檢測的需要，有利于保證飛機飛行的完好率和安全性，便于地勤人員的使用和維護。

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