基于ATC单片机的测功机控制新版系统.doc

基于AT89C51 单片机测功机控制系统
Dynamometer Control System Based on AT89C51MCU
（江汉大学） 朱 伟
Zhu,Wei
摘要：本文表述了一个用于测试发动机功率自动控制系统，其采取AT89C51 单片机和多功效外围部件组成。文章介绍了系统工作原理，并对系统总体结构和各部件功效给出了具体说明。实践结果表明该系统含有调速快、定位准、成本低及可靠性高等优点 ，含有良好市场应用前景。
关键词：AT89C51 单片机；测功机；控制系统
中图分类号：TP273 文件标识码：A
Abstract：This paper presents an automatic control system for testing power of engine. The control system is
combined with AT89C51MCU and multi-function peripherals. Its working principle is introduced. The overall
architecture and every component functions are discussed in detail. The results show that this system has many
advantages, such as high speed, high precision, low cast and stable. So it will have the good market application
prospect.
Keywords: AT89CSIMCU, Dynamometer, Control System
1 引言
在发动机研发和成品检测过程中要进行产品负荷能力测试，即在发动机开启运转后人为施加负荷扭矩，使发动机以不一样转速在不一样扭矩下运行，也称为在不一样工况下运行。能产生扭矩设备称为测功器，测功器配上控制调整部件才能组成实用测功机。控制调整部件性能会直接影响测功机整体性能。本系统以单片机为主控元件，配以外围电路对测功器进行控制，组成测功机系统含有工况定位正确快速，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便利。
2 系统总体设计
系统总体组成框图图1 所表示，该系统关键控制对象是发动机油门开度和测功器绕组电流。油门开度越大，发动机转速越大；绕组电流越大，测功器产生扭矩越大。调整控制这两个量就能使发动机工作在多种工况下，进而检测发动机各项性能，如输出功率、耗油量、机油温度、排气管温度等等。
系统能够预先设置多个工况试验步骤，由操作人员依据实际情况选择。操作人员也能够自己设置或修改工况试验步骤和每个工况运行时间。若用Ni 来表示某一个转速，用Mj 来表示某一个扭矩，用[Ni ，Mj]表示某一个工况，每个工况运行时间用t 来表示，则对于含有m 个转速和n 个扭矩工况试验总试验时间为 T＝t×m×n，工况试验总步骤能够表示为：
[N1 ，M1]→[N1 ，M2]→[N1 ，M3]→→→[N1 ，Mn]→[N2 ，M1]→[N2 ，Mj2]→[N2 ，M3]→→→[N2 ，Mn]→[Ni ，M1]→[Ni ，M2]→[Ni ，M3]→→→[Ni ，Mj]→[Nm ，M1]→[Nm ，M2]→[Nm ，M3]→→→[Nm ，Mn]。
操作者能够依据实际需要改变M 和N 组合，设置运行时间，以定义多种工况步骤。开启运行程序，系统就能自动运行已定义工况步骤。另外，考虑到一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。水力测功器价格较廉价，不过不易控制，定位精度差，而且受水压波动影响较大，只用于对测试精度要求较低试验，比如磨合、耐久试验等。本设计采取电涡流测功器，其起始扭矩低，速度范围宽，响应快速，控制方便，可双向控制，不受冷却水压力波动影响。不过，运行时必需监测冷却水供水情况，若发生停水或水压太低情况，应立即停止试验，不然测功器将因为无法散热而造成绕组烧毁。故此，本设计安排有冷却水水压低限报警、停机功效。
3.2 单片机选择
本系统采取ATMEL 企业推出AT89C51 单片机为控制部件，它是一个低功耗、高性能CMOS 八位单片机，兼容标准MCS-51 指令系统。因为本系统控制程序不大，能将控制程序写入单片机内自带4KBFLASHROM 中，无须再扩展ROM。不过SRAM 需要扩展到4KB，关键用于存放采集数据和作为显示缓冲区。
3.3 显示和键盘设计
本系统要显示转速和扭矩，还要显示工况运行时间。转速和扭矩全部需要用显示五位数字，所以采取了十位LED 数码管显示器。这十位LED 还能够在工况稳定时轮换显示功率、温度、压力等参数。显示工况时间时、分、秒共用六位LED。因为要设置或修改工况参数和运行时间，键盘必需设有0~9 十个数字按键，而且安排有设置、修改、选择、复位、确定、停机六个功效键。共有十六个按键，可用4×4 阵列键盘。本设计采取了CH451 芯片，CH451 是含有数码管驱动和按键控制能力多功效外围集成芯片，内置RC振荡电路，能进行64 键扫描而且内置有去抖动电路，采取CH451 能简化硬件设计，提升系统抗干扰
能力。
3.4 实施部件设计
实施部件关键功效是调整油门开度和控制测工器线圈绕组电流。本系统用微型电机旋转角度来调整油门开度，用可控硅控制器来控制测工器绕组电流强度，从而达成控制发动机转速和负荷目标。要使工况稳定在一段时间内运行，必需采取闭环控制系统，不过，这两个量各自用闭环系统来调整实际效果并不理想。本系统设计出一个双变量互偶合闭环控制方法，在实际应用中效果良好。这种控制方法原理框图图2 所表示。
4 系统软件设计
本系统软件采取模块化设计，便于以后扩展和升级。关键有主程序模块、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全部硬件和软件资源，系统通电后先初始化并对相关部件进行检验，若查出故障则给出故障提醒，然后进行键盘扫描，依据操作者按键指示转向对应模块实施。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 采取非屏蔽中止处理。主程序模块步骤图图3 所表示。
5 结束语
本文作者创新点：采取了AT89C51 单片机进行测功机工况步骤控制，提升了工况试验效率，操作人员能够依据实际需要随时改变工况点，增加了试验灵活性。设计了双变量互偶合闭环控制器提升系统稳定性和精度，使得系统切换工况点时过分过程缩短，振荡幅度减小，使发动机各项指标检测更正确。另外操作人职员作量减轻节省了人力成本，无效运行时间降低节省了测试燃油。故本系统含有较高实用价值。
参考文件；
[1]李明学等. 计算机控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,
[2]范立南,李雪飞,尹授远. 单片微型计算机控制系统设计[M].北京:人民邮电出版社,.
{3}刘良福. 基于AT89C51 燃气泄漏报警和应急处理器[J].微计算机信息,.9-2:122-124作者介绍：朱伟，男，1959 年生，汉族，毕业于哈尔滨工程大学自动控制系，现任江汉大学数学和计算机
学院副教授。关键研究方向：计算机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 computer
control system and intelligent meter/device. E-mail:
(430056 武汉江汉大学数学和计算机科学学院) 朱 伟
（College of Mathematics and Computer Science, Jianghan University, Wuhan, 430056 ,China）Zhu Wei
转速给定量 扭矩给定量
比较 比较
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
转速反馈
扭矩反馈
图2