一种汽油发动机感应式数字转速表设计

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　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.
          　　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:
                  
          　　式中:n为发动机的转速,r/min; 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。
                  
          　 　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。
                  
          　　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。
       
           
          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。
                  
           
          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0·5 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0 .03%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。
                  
           
          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。