基于單片機設計的發(fā)動機測量方法

1 引言

在航空發(fā)動機中，對振動的監(jiān)控具有重要的作用，它可以有效的分析發(fā)動機的工作情況，同時振動值也是發(fā)動機性能評定的重要標準之一，而如何正確測量發(fā)動機的振動參數(shù)，如振動的速度，位移和加速度也就成為了一個重要的研究內(nèi)容。本文即從此方向入手，進行一種方法的論述與實現(xiàn)。

2　測量原理分析

由于發(fā)動機振動速度傳感器輸出的頻率信號與發(fā)動機振動速度成正比，可采用頻率測量法，即通過測量發(fā)動機傳感器的輸出頻率來得到相應的振動速度。同時，由發(fā)動機振動形成機理和實踐經(jīng)驗可知，傳感器的輸出頻率中混雜有高頻和低頻噪聲信號，為了提高測量精度，必須將其過濾掉，因此首先對得到的振動速度信號進行放大和高、通濾波處理。振動的速度、位移和加速度信號之間存在著一定的關系，將濾波后的振動速度信號經(jīng)過積分，可得到振動位移信號，經(jīng)過微分，可得到振動的加速度信號。為了提高測量的準確性，通過模擬開關和RMS幅值測量元件將上述信號轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，這樣可得到非常穩(wěn)定的頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數(shù)。

脈沖頻率的計數(shù)由單片機內(nèi)部16位計數(shù)器完成，計數(shù)的閘門時間（時基）由晶振提供，此設計中還利用了數(shù)字濾波技術來提高轉(zhuǎn)速的測量精度和測量穩(wěn)定性。

在設計中，為了提高系統(tǒng)的維護性，增加了自校功能，將選擇開關打到自校時，由頻率信號給定器給出頻率信號送入系統(tǒng)中，通過看輸出結果來決定是否進行校正。同時為了方便使用，加入靈敏度系數(shù)調(diào)整機制，并在每次系統(tǒng)開機后自動由E2PROM加載到系統(tǒng)的內(nèi)存RAM中，在調(diào)整了靈敏度值、系統(tǒng)關機或突然斷電的時候，會由中斷程序?qū)斍办`敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用（見圖2主程序流程圖）。為了保證系統(tǒng)的可靠性，看門狗電路也是不可少的。

3　具體實現(xiàn)

3.1 　測量振動量

根據(jù)上面的分析，進行硬件的設置，繪制測量系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1　總體框圖

通過速度傳感器得到振動速度信號后，進行放大和高、低通濾波處理。濾波后，分為三路，一路經(jīng)過運放匹配電路，得到振動速度信號，一路經(jīng)過積分電路，得到振動位移信號，一路經(jīng)過微分電路，得到振動的加速度信號。三種信號經(jīng)過測量選擇開關的選擇，將欲測量的一路信號通過模擬開關，輸送到RMS幅值測量元件 AD637中，將其轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數(shù)。

MCS－51系列單片機內(nèi)部設置了兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器和定時器兩種工作方式和四種工作模式，通過設置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時，單片機設有兩個外部中斷，相應信號輸入引腳是INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請求信號。在此，采用計數(shù)器T0的16位計數(shù)模式，用于對輸入頻率信號的計數(shù)，T1采用定時方式，定時時間為0.1s，4次定時0.4s，在中斷服務程序中讀取T0內(nèi)容并計算和顯示振動值,具體見圖4，T1中斷服務程序流程圖（可根據(jù)DIP開關選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率）。顯示值由P3口的低四位輸出百位顯示數(shù)據(jù)，由 P2口的高四位輸出十位顯示數(shù)據(jù)，P2口的低四位輸出個位顯示數(shù)據(jù)。分別驅(qū)動14513進行顯示。

3.2 調(diào)整開關

靈敏度系數(shù)調(diào)節(jié)通過INT1來完成，如圖1所示的粗調(diào)或細調(diào)信號由一個開關按鈕產(chǎn)生，即按下按鈕后產(chǎn)生一個邏輯低電平信號，此信號在送往INT1引腳并引起中斷的同時，也送到P1的高四位，這樣，擴展了中斷源的判斷信息，在INT1的中斷服務程序中，同時對相應的P1口的引腳信號進行判斷，進而執(zhí)行不同的處理程序，詳見圖5，INT1中斷服務程序。同時，對調(diào)節(jié)后的靈敏度值進行邊界條件的判斷，即最大值與最小值的判斷。若進行粗調(diào)或細調(diào)后所得到的靈敏度系數(shù)為0或大于999，則系統(tǒng)認為是不合法（在第一次上電時的情況），重置為200，然后閃爍顯示4～5次。