用于汽油机的感应式数字转速表的设计
2008年
第 10期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor
2008
No110
收稿日期 : 2007 - 09 - 30 收修改稿日期 : 2008 - 07 - 18
用于汽油机的感应式数字转速表的设计
杜太行 ,杨海燕 ,董志然
(河北工业大学电气与自动化学院 ,天津 300130)
摘要 :设计了一种用于测量汽油发动机转速的感应式数字转速表 ,介绍了该表的工作原理以及硬件电路和软件构成。
利用 PROTEL软件设计了硬件电路 ,由天线取得脉冲信号 ,经放大、整形后输入信号处理单元。运用了脉冲周期测量法 ,
使采样测量周期缩短 ,灵敏度提高 ,测量数据精确 ,读数稳定。对实验板进行了实车测量 ,结果证明了其有效性。
关键词 :感应式 ;脉冲周期测量法 ;汽油机 ;转速表
中图分类号 : TH86 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1841 (2008) 10 - 0028 - 03
Design of Inductive Num eric Tachom eter for Gasoline Engine
DU Tai2hang, YANG Hai2yan,DONG Zhi2ran
( Institute of Electrization and Automa tion, Hebei Un iversity of Technology, Tianjin 300130, China)
Abstract:A kind of inductive numeric tachometer was designed to measure the speed of gasoline engine. This paper intro2
duced itsworking p rinciple, hardware circuit and software composition. It used PROTEL to design hardware circuit. The pulse signal
was obtained by antenna and then was amp lified, rectified, sent to the signal processing unit. The design used pulse cycle measure2
ment to shorten sampling time, advance the delicacy, and make the metrical result precise and stable. It verifies its effectiveness in
practical measurement.
Key words: inductive; pulse cycle measurement; gasoline engine; tachometer.
0 引言
发动机转速表能准确地反映发动机的工作状况。现在 ,轿
车一般都是电子式转速表 ,包括指针式和液晶数字显示式 ,表
内有数字集成电路 ,它将点火线圈输送过来的电压脉冲经过计
算后驱动指针移动或数字显示。另外还有一种转速表是从发
电机取出脉冲信号送到转速表电路解释后显示转速值 ,不过因
受发电机皮带打滑等因素影响 ,数值不太精确 [1 - 2 ] 。目前 ,手
持式转速表应用很广 ,有光电式转速表、感应式转速表 ,还有用
RF401等集成电路芯片来实现对汽车发动机转速的遥测。有
些产品虽然能达到很高的精度 ,但是在快速性和稳定性上还存
在一定的欠缺 ,而且有些高端产品价格昂贵 [3 ] 。
针对上述问题 ,设计了一种非接触型汽油发动机转速表 ,
由天线接收脉冲信号 ,单片机通过测量脉冲周期的方法得到脉
冲频率 ,并通过按键设置冲程与汽缸数 ,计算出发动机转速 ,并
显示数据。
1 转速表工作原理
汽油发动机的工作循环包括进气、压缩、点火、排气。对于
二冲程发动机 , 1个工作循环发动机曲轴转 1周 ,发动机点火 1
次。对于四冲程发动机 , 1个工作循环曲轴转 2周 ,点火 1次。
所以发动机点火脉冲的频率与发动机的转速存在对应关系。
发动机汽缸有单缸和多缸 ,汽缸数与发动机转速成反比关系。
在发动机点火时 ,高压软管会产生点火脉冲 ,测得此脉冲
信号的频率 ,按照发动机的具体冲程和气缸数 ,通过一定的计
算便可得到发动机的转速值 :
n = 30·f·s/c
式中 : n为发动机的转速 , r/m in; f为点火脉冲频率 , Hz; s为冲程
数; c为气缸数。
工作原理图如图 1所示。
图 1 原理图
文献 [4 ]中将采集到的脉冲信号发大整形 ,通过计算在一
定时间内测得的脉冲个数来计算点火脉冲的频率。这种方法 ,
当测量由每秒转速来表示发动机每分钟转速时 ,误差就会被放
大。虽然文献 [4 ]中采用一定方法法来降低误差 ,但是不能消
除误差 ,在实际应用时测速精度仍然没有明显提高。而且抗干
扰性能不佳使得测量读数有很大波动。由于采样周期长导致
到达稳定值的过渡时间较长 ,尤其是在测低速时。
文中采用了脉冲周期测量法来测量转速。由于频率与周
期成反比 ,所以如果可以精确测到相邻点火脉冲间的宽度 ,那
么结果在理论上将可以比上一种方法更精确。为了进一步提
高精度 ,在算法中还加入了平均值数字滤波模块。脉冲周期测
量法可以快速并且稳定地显示读数 ,而且精度很高。对实验板
进行了实车测量 ,结果证明了此方法的有效性。
2 硬件电路设计
硬件部分包括信号采集单元、信号处理单元和显示单元。
信号采集单元由天线、放大、整形电路组成 ,由天线取得脉冲信
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第 10期 杜太行等 :用于汽油机的感应式数字转速表的设计 29
号 ,经放大、整形后输入信号处理单元 ;信号处理单元为单片
机 ,按键连接单片机的输入 ,单片机的输出连接显示单元 ;脉冲
信号经单片机处理后进行数字显示。
2. 1 信号采集单元
天线集成在电路板上 ,在 35～220 mm的测定范围内 ,将转
速表靠近高压软线 (无分电器的靠近高压软线束 ) ,高压点火信
号将被天线感应 ,通过 RCL前端网络耦合。由三极管组成共射
放大电路对信号进行放大 ,如图 2所示。
图 2 放大电路
由 LM339组成的迟滞比较器对信号进行初步的整形。输
出的信号经过由 CD4011组成的触发电路和 LM339组成的迟
滞比较器进一步整形 ,如图 3所示。
图 3 整形电路
2. 2 信号处理单元和显示单元
采用 AT89C4051作为控制核心 ,AT89C4051是基于 MSC -
51内核的简化单片机 ,指令与标准的 51单片机兼容 ,带有 4K
可重新编程片上程序存储器 , 128B的数据存储器 ,多达 15条可
编程 I/O线 , 2个 16位定时器 /计数器 ,片上模拟比较器 , 1个标
准串行通讯口 ,内部带有振荡器和时钟电路。
显示单元选择 6位 8段的液晶显示模块 LCM06XA. 图 4为
单片机与按键、液晶显示器等的接口电路。其中按键 1和 2用
来选择页面设置汽缸和冲程参数。LED (发光二级管 )在测量
到脉冲信号时不断闪烁。图 4中的 S1为选择开关 ,可选择将
整形后的脉冲信号输出给外部设备或通过单片机采样计算出
转速然后显示。
图 4 单片机外围电路
3 软件程序设计
3. 1 主程序
(1)调用液晶初始化子程序。
(2)设置定时计数器 T0、T1的工作方式和初值 ( T0和 T1
均设为 16位定时器 )。
(3)初始化中断系统。
(4)循环检测按键是否按下并刷新显示屏。
3. 2 中断服务程序
(1) T1溢出中断子程序。在测量模式下工作 ,计算溢出次
数。
(2)外部中断子程序。图 4所示处理后的信号与外部中断
1连接 ,当信号的第 2个上升沿到来时 ,开始读取 T1寄存器中
的数值和溢出次数 ,并将它们清零 ,计算出 1个周期的时间并
存入平均值滤波数组 ,开 T1等待下一次中断。
(3) T0定时中断子程序。判断转速表工作模式 ,在设置模
式下 , T0用于 015 s的显示闪烁 ;在测量模式下 , T0用于 2 s的
显示刷新 ,每 2 s计算 1次转速值并显示。
3. 3 液晶初始化和显示子程序
该程序完成 LCD显示模块的显示驱动。
4 实测结果
利用 PROTEL软件设计了硬件电路 ,利用 KEIL C软件完
成了单片机程序的编写 ,制作出实验板 ,并且在实验室和实地
分别做了测试。
在实验室使用频率信号发生器作为信号源 ,测得误差在
0103%以内。在室外对某普通型号的摩托车 (嘉爵 JJ150T -
4)、金杯牌普通化油器的汽车和丰田牌电喷汽车进行了实车测
量。测量数据如表 1所示 ,参考值为日本小野测器 SE - 2500
转速表的测量数据。实测结果证明了采用脉冲周期测量法的
转速表测量准确 ,响应速度快 ,读数稳定 ,而且成本低 ,适用于
二冲程、四冲程的单缸、多缸汽油机转速测量以及汽油机的维
修检测及野外测量 ,有利于推广。
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30 Instrument Technique and Sensor Oct12008
表 1 测量结果 r/m in
次数
嘉爵 JJ150T - 4 金杯 丰田
测量值 参考值 测量值 参考值 测量值 参考值
1 1 582 1 583 823 823 605 605
2 3 253 3 254 1 754 1 755 1 487 1 488
3 4 518 4 519 3 241 3 242 2 498 2 498
5 结束语
设计的基于脉冲周期测量法的非接触汽油机转速表 ,采样
测量周期短 ,灵敏度高 ,测量数据精确 ,操作简单 ,并且达到了
很高的性价比。可广泛用于发动机教学、科研和汽车、摩托车
的检修中 ,同时可以为其他汽车检测设备提供准确的转速信
号。该设计已成功投入生产并销售。
参考文献 :
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作者简介 :杜太行 (1963—) ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,从事电器、计算机
应用、工业自动化研究。E2mail: yhygk@163. com
(上接第 8页 )
图 3 协议栈流程图
采集应用为例 :
void osalAddTasks( void )
{osalTaskAdd ( TempSensor_ Init, TempSensor_ProcessEvent, OSAL _
TASK_PR IOR ITY_LOW ) ;
}
osalTaskAdd函数是已经在 OSAL层定义好的。TempSensor
_ Init, TempSensor_ProcessEvent是用户自己定义的。
TempSensor_ Init函数主要是对温度采集应用在网络中的
接口进行定义。首先赋予该应用在 OSAL层的 Task ID:
Apus_TaskID = task_id;
初始化网络地址 ,设定消息所要发送到的目标板的网络地
址 ( coordinator network address: 0x00)以及接收对象 ZDO ( end2
point 0x00) ,程序如下 :
TempSensor _DstAddr. addrMode = ( afAddrMode_t) AddrNotPresent;
TempSensor _DstAddr. endPoint = 0;
TempSensor _DstAddr. addr. shortAddr = 0;
对应用程序对象初始化 ,这样可以使通讯层 (AF)正确地
把接收到的指令发给对象。
TempSensor _epDesc. endPoint = APUS_ENDPO INT;
TempSensor _epDesc. task_id = &Apus_TaskID;
TempSensor _epDesc. simpleDesc = ( SimpleDescriptionFormat_ t 3 )
&Apus_SimpleDesc;
TempSensor _epDesc. latencyReq = noLatencyReqs;
4 结束语
目前 ,国内在 ZigBee方面的研究都是在各自的硬件平台上
研发不同的通讯协议 ,造成了很大的资源浪费 ,而且使应用层
开发还是停留在比较初级的层面。该项目创新点就在于为以
后 W SN的开发提供了一个基础的平台。该平台实现了通讯层
的统一 ,兼容性高 ,便于移植 ,在 TI协议栈的支持下 ,已经可以
实现与 CC2430开发板的通讯与混合组网 ,与其他硬件平台的
兼容也只需要修改硬件层即可 ,从而可以使 W SN 的研发更多
地放在顶层的应用方面 ,可以极大降低开发成本和周期 ,加快
W SN在国内的商用化。
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作者简介 :陈莉 (1984—) ,硕士研究生 ,研究领域为在线检测新技术与
仪器。E2mail: ydncl@ sina. com
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