發動機轉速電控系統設計研究范文

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摘要：

為保障發動機的正常運行，文章設計了以AT89C52單片機為核心的發動機轉速電控系統，對發動機轉速進行實時檢測，并在發動機怠速、超速時進行相應的控制。設計主要包括轉速采集模塊、單片機核心控制模塊、顯示模塊、步進電機控制模塊四大部分，并對系統硬件設計和軟件程序進行仿真調試，達到了預期設計效果。

關鍵詞：

單片機；發動機；轉速電控系統；系統設計；系統仿真

1概述

隨著汽車工業的發展，各項汽車新興技術的應用，汽車的智能化程度、動力性、安全性將越來越高。而有“汽車心臟”之稱的發動機作為汽車動力的來源，與汽車動力性、燃油經濟性、可靠性和使用壽命等直接相關。發動機由于結構復雜，工作條件不穩定，經常處于轉速、負荷變化的條件下運轉，因此對于發動機轉速的檢測和控制就顯得非常重要。而對于發動機轉速的檢測和控制，要求發動機轉速信號可動態顯示，在發動機運行過程中，當傳感器出現故障導致信號中斷時，發動機應立刻熄火而無法運轉；當發動機轉速過低時，可提高怠速轉速；發動機轉速過高時，可限制最高轉速，防止損壞發動機。本設計基于單片機技術原理，以單片機芯片AT89C52作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，設計了一個實時檢測和控制發動機轉速的系統。該控制系統主要由轉速采集模塊、單片機核心控制模塊、顯示模塊、步進電機控制模塊組成。系統具有簡單清晰的結構，可隨時進行系統擴張。

2系統控制方案

以單片機AT89C52為核心，若直接通過電磁感應式傳感器產生模擬信號，放大，再送入單片機進行處理，傳感器容易受發動機內環境的影響，會導致檢測不準。故采用霍爾式傳感器A3144，對發動機轉速進行實時檢測，它具有對于轉速信號的采集頻率高、抗干擾能力強、線性強等特點，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性價比。AT89C52為中央處理芯片，用于數據處理、初值設定、定時和計數、顯示數據的輸出。當時鐘電路的晶振產生外部振蕩脈沖信號送入單片機時，單片機開始有條不紊地工作。AT89C52執行內部的程序，處理從霍爾傳感器送來的信號，輸出到LED顯示，并在超過上下限值時開啟報警系統和控制電機轉動控制發動機轉速。

3系統硬件架構設計

3.1單片機接口電路本方案以AT89C52單片機系統為核心，此單片機為ATMEL公司的51系列單片機，除兼容標準MCS-51指令系統，AT89C52是一個內置8位中央處理單元，擁有512B內部數據存儲器RAM和8K片內程序存儲器ROM，滿足了系統程序存儲需要。其共有32個雙向輸入/輸出（I/O）口，應用靈活方便。3個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口以及片內時鐘振蕩電路，控制方式更加可靠。AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。

3.1.1單片機的時鐘電路。單片機內部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。用其內部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內部振蕩電路便產生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構成穩定的自激震蕩器。單片機內部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。

3.1.2單片機的復位電路。單片機的復位是靠外部電路實現的。單片機工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機就能夠有效的復位。

3.2轉速信號的獲取采用霍爾傳感器A3144作為轉速傳感器，利用霍爾元器件將發動機轉速轉化為單片機可識別的脈沖信號，并通過每分鐘脈沖信號頻率數與發動機轉速間的固定比值，計算出發動機轉速。由于在Proteus中無法使用霍爾傳感器，故在仿真時通過信號發生器產生模擬信號，送入單片機進行處理。

3.3顯示電路的設計當前常用的顯示方法有LCD液晶顯示和LED數碼管顯示兩種。液晶顯示雖然功能強大，可以顯示較為復雜的數字、圖形、文字、符號等，但是也存在成本高、能耗高、二次開發困難、顯示亮度低、不利于觀察、與單片機連接時接口電路驅動復雜等缺點。數碼管顯示不僅硬件電路簡單、造價低廉，而且亮度較高、利于觀察讀數。本系統雖只顯示數字，但考慮到能耗較少、數碼管內部元件比較簡單、容易編程等因素，所以選擇了LED數碼管顯示。考慮到硬件設計的方便，采用了四位動態顯示方案。由于采用共陽極LED，P0不用加上拉電阻。通過單片機P2.4-P2.7控制對應的LED位選線，利用段碼的數組對個十百千位進行循環顯示，顯示每一位要注意延時時間是否合適，否則導致顯示不清晰。

3.4報警電路的設計在發動機轉速超過上下限值或發動機故障長時間轉速為零時進行聲光報警。由于單片機在正常狀態下各個端口是高電平，而正常狀態下發動機轉速不會超速，所以在發動機轉速超速時可以使一個IO口變為低電平信號使sounder發聲，這時在sounder前加一個反向放大器就可以使得其在正常狀態不發聲，在低電平信號時發聲，而當發動機故障時進行聲光報警。

3.5步進電機控制電路的設計轉速控制單元是系統的執行器件是系統的最后一個環節，也是系統中最重要的一部分。這里四相八拍步進電機通過減速機構（傳動比為10）帶動節氣門轉動以控制發動機進氣量，從而控制發動機轉速，步進角0.9度。步進電機正轉增加節氣門開度為怠速控制，反轉減小節氣門開度為超速控制。

4系統軟件程序設計

在完成上述系統硬件架構設計的基礎上，通過對軟件程序的編寫，擴充和完成發動機轉速電控系統的設計。系統的程序主要實現系統的定時器計數器初始化，定時中斷，顯示數據，步進電機控制，報警。軟件主程序如圖2所示，定時器計算器初始化后，計算器開始對脈沖計數。定時中斷時，在中斷程序中計數中斷關閉，傳遞計數器存儲的數據，之后再開啟定時計數中斷。單片機對數據進行處理并在數碼管上顯示，同時判斷當前的頻率是否超過上下限和長期為零，如果在發動機怠速和超速時則啟用步進電機控制子系統，進而控制發動機的轉速。在Keil軟件里面進行程序的編寫和調試，0Error（s），0Warning（s）表明文件編譯結果沒有錯誤。

5系統仿真調試

通過上面發動機轉速電控系統硬件架構和軟件程序的設計，系統設計工作已經基本完成。接下來在Proteus中搭建虛擬的單片機仿真平臺，先對單片機系統電路設計、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等，然后在Proteus平臺上進行單片機系統源程序設計、編輯、匯編編譯、調試，最后生成目標代碼文件（*.hex），將目標代碼文件加載到單片機系統中，實現單片機系統的實時交互、協同仿真。完成對系統進一步的調試和改善工作后，按下開始仿真按鈕，開始進行仿真實驗。圖3為當發動機轉速過高（高于設定的門限值6500r/min），處于超速狀態，此時AT89C52單片機控制步進電機開始反轉，節氣門開度減小，同時喇叭報警。

6結語

發動機作為汽車動力的來源，其工作狀態的好壞直接影響汽車的使用和安全。發動機轉速是影響發動機功率的重要參數，因此對發動機轉速進行實時檢測和控制具有重大意義。本文在完成以單片機AT89C52作為核心控制器的發動機轉速控制系統硬件架構設計和軟件程序設計的基礎上，在Proteus中搭建虛擬的單片機仿真平臺，對系統進行仿真調試，當發動機發生故障長時間轉速為零時，單片機控制指示燈和報警器進行聲光報警；當冷啟動發動機轉速過低時，步進電機正轉，節氣門打開可提高怠速轉速；發動機轉速過高時，喇叭報警，同時步進電機開始反轉，節氣門開度減小，限制最高轉速，防止損壞發動機。

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作者：張國方 楊少武 單位：武漢理工大學汽車工程學院