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1、基于AT89C51 单片机的测功机控制系统Dynamometer Control System Based on AT89C51MCU江汉大学 朱 伟Zhu,Wei摘要：本文表述了一种用于测试发动机功率的自动控制系统，其采用AT89C51 单片机和多功能外围部件组成。文章介绍了系统的工作原理，并对系统的总体结构和各部件的功能给出了详细说明。实践结果说明该系统具有调速快、定位准、成本低及可靠性高等优点 ，具有良好的市场应用前景。关键词：AT89C51 单片机；测功机；控制系统中图分类号：TP273 文献标识码：AAbstract：This paper presents an automatic
2、control system for testing power of engine. The control system iscombined with AT89C51MCU and multi-function peripherals. Its working principle is introduced. The overallarchitecture and every component functions are discussed in detail. The results show that this system has manyadvantages, such as
3、high speed, high precision, low cast and stable. So it will have the good market applicationprospect.Keywords: AT89CSIMCU, Dynamometer, Control System1 引言在发动机的研发和成品检测过程中要进行产品负荷能力的测试，即在发动机启动运转后人为施加负荷扭矩，使发动机以不同的转速在不同的扭矩下运行，也称为在不同的工况下运行。能产生扭矩的设备称为测功器，测功器配上控制调节部件才能构成实用的测功机。控制调节部件的性能会直接影响测功机的整体性能。本系统以单片机
4、为主控元件，配以外围电路对测功器进行控制，构成的测功机系统具有工况定位准确迅速，操作简单，性能稳定，抗干扰能力强等特点，给发动机测试工作带来大的便利。2 系统总体设计系统总体组成框图如图1 所示，该系统主要的控制对象是发动机油门的开度和测功器的绕组电流。油门的开度越大，发动机转速越大；绕组电流越大，测功器产生的扭矩越大。调节控制这两个量就能使发动机工作在各种工况下，进而检测发动机的各项性能，如输出功率、耗油量、机油温度、排气管的温度等等。系统可以预先设置多种工况实验流程，由操作人员根据实际情况选择。操作人员也可以自己设置或修改工况实验流程和每个工况运行的时间。假设用Ni 来表示某一个转速，用M
5、j 来表示某一个扭矩，用Ni ，Mj表示某一个工况，每个工况运行的时间用t 来表示，则对于具有m 个转速和n 个扭矩的工况实验总的实验时间为 Ttmn，工况实验总的流程可以表示为：N1 ，M1N1 ，M2N1 ，M3N1 ，MnN2 ，M1N2 ，Mj2N2 ，M3N2 ，MnNi ，M1Ni ，M2Ni ，M3Ni ，MjNm ，M1Nm ，M2Nm ，M3Nm ，Mn。操作者可以根据实际需要改变M 和N 的组合，设置运行时间，以定义各种工况流程。启动运行程序，系统就能自动运行已定义的工况流程。另外，考虑到某些操作人员习惯于人工操作，本设计保留有手动操作旋扭。3 硬件系统设计3.1 测功器的
6、选择测功器可分为水力测功器和电涡流测功器两大类。水力测功器的价格较廉价，但是不易控制，定位精度差，而且受水压波动的影响较大，只用于对测试精度要求较低的实验，例如磨合、耐久实验等。本设计采用电涡流测功器，其起始扭矩低，速度范围宽，响应迅速，控制方便，可双向控制，不受冷却水压力波动的影响。但是，运行时必须监测冷却水的供水情况，假设发生停水或水压太低的情况，应立刻停止实验，否则测功器将因为无法散热而导致绕组烧毁。故此，本设计安排有冷却水水压低限报警、停机功能。3.2 单片机的选择本系统采用ATMEL 公司推出的AT89C51 单片机为控制部件，它是一个低功耗、高性能的CMOS 八位单片机，兼容标准M
7、CS-51 指令系统。由于本系统的控制程序不大，能将控制程序写入单片机内自带的4KBFLASHROM 中，不必再扩展ROM。但是SRAM 需要扩展到4KB，主要用于存放采集的数据和作为显示缓冲区。3.3 显示与键盘的设计本系统要显示转速和扭矩，还要显示工况运行的时间。转速和扭矩都需要用显示五位数字，所以采用了十位LED 数码管显示器。这十位LED 还可以在工况稳定时轮换显示功率、温度、压力等参数。显示工况时间的时、分、秒共用六位LED。由于要设置或修改工况参数和运行时间，键盘必须设有09 十个数字按键，并且安排有设置、修改、选择、复位、确认、停机六个功能键。共有十六个按键，可用44 阵列键盘。
8、本设计采用了CH451 芯片，CH451 是具有数码管驱动和按键控制能力的多功能外围集成芯片，内置RC振荡电路，能进行64 键的扫描并且内置有去抖动电路，采用CH451 能简化硬件设计，提高系统的抗干扰能力。3.4 执行部件的设计执行部件的主要功能是调节油门的开度和控制测工器线圈绕组的电流。本系统用微型电机的旋转角度来调节油门的开度，用可控硅控制器来控制测工器绕组的电流强度，从而到达控制发动机转速和负荷的目的。要使工况稳定在一段时间内运行，必须采用闭环控制系统，但是，这两个量各自用闭环系统来调节实际效果并不理想。本系统设计出一种双变量互偶合闭环控制方法，在实际的应用中效果良好。这种控制方法的原
9、理框图如图2 所示。4 系统软件的设计本系统的软件采用模块化设计，便于以后的扩展和升级。主要有主程序模块、键盘管理模块、显示模块、A/D 和D/A 转换模块、工况设置修改模块、工况运行模块、应急处理模块主程序模块管理着系统的全部硬件和软件资源，系统通电后先初始化并对有关部件进行检查，假设查出故障则给出故障提示，然后进行键盘扫描，根据操作者按键的指示转向相应的模块执行。在应急处理模块中，冷却水水压低限报警优先级、A/D 和D/A 最高，故A/D 和D/A 采用非屏蔽中断处理。主程序模块流程图如图3 所示。5 结束语本文作者创新点：采用了AT89C51 单片机进行测功机工况流程的控制，提高了工况实
10、验的效率，操作人员能够根据实际需要随时改变工况点，增加了实验的灵活性。设计了双变量互偶合闭环控制器提高系统的稳定性和精度，使得系统切换工况点时过度过程缩短，振荡幅度减小，使发动机各项指标的检测更准确。另外操作人职工作量的减轻节省了人力成本，无效运行时间减少节约了测试燃油。故本系统具有较高的实用价值。参考文献；1李明学等. 电脑控制技术M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,20012范立南,李雪飞,尹授远. 单片微型电脑控制系统设计M.北京:人民邮电出版社,2004.3刘良福. 基于AT89C51 的燃气泄漏报警与应急处理器J.微电脑信息,2005.9-2:122-124作者简介：朱伟，男，1959
11、 年生，汉族，毕业于哈尔滨工程大学自动控制系，现任江汉大学数学与电脑学院副教授。主要研究方向：电脑控制系统和智能仪表仪器Biography: Zhu Wei , male, the Han nationality, born in 1959. Graduated from Harbin Engineering University.Associate professor, College of Mathematics and Computer Science, Jianghan University, major in computercontrol system and intelligent meter/device. E-mail: zzw806sohu (430056 武汉江汉大学数学与电脑科学学院) 朱 伟College of Mathematics and Computer Science, Jianghan University, Wuhan, 430056 ,ChinaZhu Wei转速给定量 扭矩给定量比拟 比拟PID 控制 PID 控制电机控制 可控硅控制油门机构 测功器绕组发动机测量转速 测量扭矩转速反应扭矩反应图2学习文档 仅供参考