MCS96单片机在船舶柴油机转速检测中的应用

第3l卷(2009)第1期 柴油机 DieselEn西ne pⅢM⋯⋯^ {智能化与控制{10Ⅲ⋯～，·，十J MCS一96单片机在船舶柴油机转速检测中的应用 徐敏航 (海军驻七一一研究所军事代表室，上海201108) 摘要：介绍了用MCS一96系列单片机组成的转速检测电路及软件，其特点是检测速率快、测量精度 高(10。4)、硬件结构简单。实际应用表明，该转速检测方法应用于柴油机监控系统中是可行的。 关键词：船舶柴油机；转速检测；MCS一96单片机 中图分类号：TP216文献标识码：A 文章编号：10014357(2009)01-(1006-03 TheApplicationofSinglechipMCS一96inMarineDieselSpeedMonitoring XuMinhang (NavalDeputyOfficeofShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute，Shanghai201108) Abstract：Thedieselspeedmonitoringcircuit．mainlycomposedofMCS一96singlechipsystemanditscor- relativesoftwareisintroduced．Itfeatureshighspeedcalculation，hiighprecisionofmonitoringandsimplecon— figuration．Acturalapplicationindicatesthatthismethodisfeasibleindieselmonitoringsystem． Keywords：marinedieselen舀ne：speedmonitoring；MCS一96singlechip 1 概述 在船舶柴油机的控制系统中，通常要检测或控 制柴油机的转速。目前，柴油机的转速信号一般是 通过测量安装在柴油机上的转速传感器的脉冲频率 获得的。测最脉冲频率的方法主要有两种：一种是 频率法，即测量单位时间内的脉冲数；另一种是周 期法，即测量脉冲的周期。问题是当被测频率过低 时采用频率法、被测频率过高时采用周期法，均会 产生较大误差，从而影响检测和控制的精度。在一 些自动．t。lA-,*。f1．d场合，可以牺牲一些时间来满足测量精 度，但在一些自动控制系统中(特别是对时间有 一定要求的控制系统中)，如果牺牲时间满足测量 精度就会造成控制精度下降。目前，大部分柴油机 的转速脉冲频率f<1000Hz，在这样的频率范围 内，光采用频率法或周期法都不能很好解决测量精 度和控制精度这对矛盾。有的采用倍频电路的方 法，即把被测频率增加，v倍以后，再用测频法测 量频率，这虽然解决了上述问题，但又带来了硬件 收稿El期：2008—11．15 电路复杂、调试不易、可靠性不高的问题。 采用MCS一96系列单片机的高速输入(HSI) 系统可较好地解决这一问题。本文介绍的用MCS 一96系列单片机组成的转速检测电路及软件，其 特点是检测速率快，转速脉冲频率f>100Hz时， 检测速率大于10次／s；转速脉冲频率／>1000Hz， 检测速率大于100次／s、测量精度高(10。4)、硬 件结构简单。 2 硬件 测量转速的硬件电路如图l所示，其中V1= 12V，Vcc=5V。 由于不需负电源的输出，因此采用单电源给运 放供电。转速传感器输出的正弦信号坼，经过限 流电阻R1后由运放组成的比较器整形为矩形脉 冲，该矩形脉冲经R5和c2的RC滤波电路滤毛刺 后再送人CD40106斯密特反相器整形以获得更干 净的矩形输出信号。斯密特反相器输出的矩形脉冲 通过光电耦合器送到80C196的HSI．0引脚，通过 万方数据 2009年1月 徐敏航：M(：s一96单片机往船舶柴油机转速检测‘f|的应用 ·7· 光耦一方面可将输入通道前端的现场干扰信号与 CPU隔离开，另一方面又耦合传输‘r信号，将矩 形脉冲电平转换为仃I。电平，以便CPU能准确读 取。R2、cl的作用足防止静电感应干扰。 2．1 门槛电压的设置 R3、R4组成的分压电路为转速脉冲信号的输 入设置了门槛电压，与后端运放形成比较器，当输 入电压高于门槛电压时，运放输出低电平；而当输 入电压低于门槛电压时，运放输出高电平。另外， 町以通过调整R3、R4的电阻大小设置门槛电压的 大小，以适应幅值大小不I一】的转速信号。二极管 Vl、V2的作用有两个，一是对V，信号整流，二 是保护运放。 2．2光耦及电阻的选择 考虑到器件的通用程度，以及转速测量在速度 上的要求，选择使用TI公司生产的光耦MOC211， MOC211的工作频率町达到lMHz以上，根据转速 传感器输出信号频率与转速的关系： 厂：尝(H：)。 60 ”～7 ．厂-频率(Hz)、凡一柴油机转速(r／min)、 后一齿轮齿数，该光耦完全町满足设计要求。在选 择电阻时，需考虑以下问题：首先，在输入端，上 拉电阻应将输入电流控制在一个较合适的大小，根 据芯片的参数介绍，将输入电流控制在10mA左右 比较合适，二极管进入饱和、退出饱和的速度正合 适，并且，在这样的电流下工作使用寿命也较长； 另外，在输出端应考虑两方面的凶素，一方面应尽 快让三极管进入饱和区工作，同时，要考虑到 MOC211的电流传输增益CTR最小为20％。 应注意的足，光耦输入端和输出端的电源应不 同源，否则无法起到隔离作用。 图1 测量转速的硬件电路 3 检测原理 MCS一96系列单片机的特色之一就是具有高 速输Ⅳ输出系统，48及51系列单片机无此功能。 MCS一96系列的高速输入口可以相对于内部定时 器产生的实时时钟，记下某个外部事件发生的时 间。HSI中断的原理图见图2。 00：8次廿靛变 图2 HSl中断原理图 “高速”意味着“自动地”实现，无需CPU 干预。总之，与普通的输入口相比，高速输入 (HSI)[J有以下三个特点：①HSI不仅能检测输入 引脚上的状态变化，同时能记录变化发生的时刻， 当系统采用16MHz频率晶振时，HSI可在无需CPU 参与的情况下，以l斗s的分辨率记录从其输入引脚 送入的脉冲；②HSI内部没有FIFO(先入先出) 寄存器，可同时记录多达8个事件，通过编程在适 当的时候读取和处理它们；③町通过HSI的四条输 入引脚检测多种方式的状态变化。正是由于HSI有 上述功能，故HSI最常见的用途之一就是测量脉 冲，可以用来测量脉冲序列信号的频率、周期、占 空比以及统计脉冲数。 由于转速脉冲信号的频率一般都比较小，用频 率法测量不叮能获得令人满意的结果，故用周期法 来测量。转速|一J转速脉冲的周期关系如下： 忍：矽：K{ 』 (2) 式中K为比例系数，／为转速脉冲频率，丁为 转速脉冲周期。从E式中可以看出，只要知道转速 脉冲的周期r，就可以得出转速n。用HSI来测量 转速脉冲的周期时，假定第n个脉冲发生时，定时 器Tl的数值存放在REGl寄存器里，第n+1个脉 冲发生时，定时器Tl的数值存放在REG2寄存器 路，定时器Tl的溢出次数存放在REG3寄存器里， 那么转速脉冲周期71应为(采用16MHz晶振)： T=(REG2一REGl+65536XREG3)-X1 p．s 用这种方法检测柴油机的转速，影响转速测鼍 精度的主要因素是定时器T1的分辨率和采样速率。 当系统用16MHz晶振时，定时器Tl的计数周期为 l斗s，当要求采样速率为10次／s时，理论上的误 差为10一。 4软件设计 转速检测程序的流程图如图3所示，整个程序 主要由三部分组成：主程序、HSI中断服务程序、 T1中断服务程序。这里HSI中断服务程序编制的 万方数据 ·8· 柴油机 第3l卷第1期 好坏是整个程序的关键。HSI中断服务程序中计算 丁值虽然使中断服务时间加长，但这可以保证r值 计算的准确性。另外当转速脉冲频率相对较大时， HSI中断就会显得较频繁，这会使得CPU的大部 分时间在忙着处理中断，从而影响到CPU处理其 它事情的速度，这是所不期望的。解决这一问题的 方法有两种，一是置HSI的工作方式为方式0， HSI引脚上每8次正跳变为一事件；另一种方法 是，当HSI中断后，仅记录中断次数，中断服务程 序并不把本次中断的T1值放入REG2，也不进入 计算周期T程序，只有当中断次数达到所规定的 次数后才把本次中断的Tl值放入REG2并进入计 算周期T程序。 主程序： MAIN：DI ；主程序 LDREGl，#4000H；TI中断程序入口地址 STREGI。INVEC0[O]； LDREGI．#4100H；HSI中断程序入口地 址 STREGl，INVEC2[O]； LDBIOC0。#01H；允许HSI．0输入 LDBHSI—MODE，#00H；设置HSI触发方式 LDBICCI。#04H；允许T1溢出中断，允 许HSI装载中断 CLRREGl ；寄存器REG!一REG3 初始化 LDREG2，T1MEI CLRREG3 LDBINT—MASK，#05H；开TI、HSI中断 CLRBINT—PENDING；清中断悬挂寄存器 EI ；开总中断 LOOP：计算转速n程序 其它处理程序 LJMPLOOP 5 实际应用 将上述转速检测方法应用于实船的柴油机监控 系统中，获得了很好的效果。以下是应用情况： 5．1 应用环境 传感器：CT一18型磁电式转速传感器 柴油机：16PA6一STC 安装位置：飞轮端 安装距离：1．5mm 飞轮齿数：350 根据前文中提到的理论频率计算公式1，通过 控制柴油机给定转速，测得在不同给定转速下的实 际控制转速和测量频率，验证该检测方法的准确性。 5．2测试数据 表l为各给定转速下测得的数据。 表1测试数据表 给定转速 实际控制转速 理论频率 测鳢频率 ／(r／min) ／(r／min) ，Hz ，Hz 300 299—30l l 750 l 750 400 399～40l 2333 2332 500 498—502 2916 2914 600 598。602 3500 3498 700 698—702 4083 4079 800 797—803 4666 4660 900 897—903 5250 5242 1 000 997～1003 5833 5823 ／’————————、 ( 主程序 ) r_——～一t一⋯ ] ’设霞TI中断服务人口地址1 i设置HsI中断服务入rJ地址j - 允许HSI．嘴人 ；置HsI保持寄存器装载中断| r_—一⋯!～一]寄存器REGl～ REG3初始化 ／一一＼fHsI中断服务程序) 、、、．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．／ l上一次中断T1值装入REGI ’ |本次中断Tl值装入REG2 一—— ，——— !清Tl溢出次数寄存器I !!竺 厂亲嘉蠹辈蚕] L蔓清中断悬挂寄 “8“”l!兰竺竺!塑l L一一_一一宙 1．．．，．．．．．．．．．．．一 每五谕服务确 lTl溢出次数寄存器I REG3+I 固 图3转速检测程序流程图 (下转第39页) 万方数据 2009年1月 Il冬生等：7500D～VI"化学品船主推进动力系统没计简介 ·39· 速器、安全控制监测系统等；配套提供有空气瓶、 柴油机缸套水预热装置、机旁控制箱、滑油自清式 滤器等辅助设备。该制丰机具有尺寸小、重量轻， 模块化结构，流线型无管道，零部件数量较少，维 护要求低，功率大，噪声低，运行经济和低废气排 放等特点。 主推进传动系统为两套高弹性联轴器(每套 各两台)和两台齿轮箱组成，高弹性联轴器为伏 尔康公司产品，一套连接主机和齿轮箱，额定转矩 25kNm，最人转矩37．5kNm；另一套联轴器由齿 轮箱输出端连接轴带发电机，额定转矩5kNm，最 大转矩7．5kNm，该利联轴器除传递功率和转速 外，具有减振降噪，补偿轴向、径向和角向位移的 功能，同时具有更换扇形弹性块方便、使用维护简 单等特点。 齿轮箱为国际知名公司ZF海事集团产品，减 速比5．917，输入方向与主机相同，输出与主机转 向相反，为两轴，单级减速，内置带液压驱动多片 式离合器。该离合器由一个位于齿轮箱顶部的控制 单元内的电力驱动的电磁阀控制接排和脱排，紧急 情况下离合器保持原位并呵手动与主机脱开，离合 器内置减压阀，叮以控制离合器内的压力升高，以 使各种情况下都能够平稳动作。同时齿轮箱内置式 的推力轴承町以满足承受螺旋桨在前进和倒车时的 最人推力，轴向自对中滚动轴承能够将螺旋桨推力 经由壳体传递到船的基座上。 可调浆及推进轴系也是由ZF海事集团供货， 可调桨为4叶桨，螺旋桨直径3300mill，桨毂直径 850mm，桨毂单壳体设计，在齿轮箱前端装有配 油器，配油器一LIII有机械式螺距指针，可显示调距 桨叶的实际位置，桨毂内置的伺服装置可使液压油 能通过轴系中的油管往返至桨毂内置活塞的空腔。 对螺距的控制巾电子调节电磁控制阀完成，b，保证 从全螺距正车到伞螺距倒车只需30s。 本船选用的ZFECS一4000遥控系统为以PLC 控制为基础的船舶推进机械闭环控制系统，主要用 于对螺旋桨螺距和主机转速的遥控，该遥控系统町 使主推进系统在以下工况下运行：主机转速恒定以 满足拖带轴带发电机的要求，按负荷调节可调桨的 螺距运行；还可以操作综合控制手柄，对主机和螺 距进行综合跟踪控制，使宅机按照预订的最佳运行 特性曲线运行，主机始终保持最佳工作状态[4]， 当遥控装置发，E故障或需要时，可转换至机舱集控 室和机旁实现对主机和调距螺旋桨进行遥控或手动 操作，其转换联锁满足BV相应要求。 4 结论 该主推进动力系统，很好地解决了主机、齿轮 箱、调距桨、高弹、轴带发电机、遥控系统等各设 备间的接门协调，为船东和船厂提供了该船主推进 动力系统最优化的整体解决，有效地保证了该 船动力系统运行的稳定性和经济性。 参考文献 [1]徐筱欣．船舶动力系统[M]．上海：J：海交通大学出版 社，2007． [2]吴立斌．省级500T渔政船主推进系统简介[J]．船舶， 2003．10． [3]美国Hydrocomp公司。HydrocompPropExpert2004Help [R]．2004． [4]朱树文，陆志强．船机桨工况与配合[M]．上海：上海交 通大学出版社，1990． 6 及结论 参考文献 出的频率信号和当前转速F的理论频率基本保持了 航空航天大学出版社，2002· 一致，较小的误差保证了测速时的准确性；利用该 121奄诗白等·模拟电子技术基础(第3版)[M]·北京：高等 竺型袭蓑婴銎裂譬耋鉴蓑烈篓芝篡二套各个工况下 [3]王华fl祥出t等lUfl．传：,2感00器3．原理及应用(修订版)[M]．天津：天l!I登嬖暨孽宝訾翌罂氅遣兰制冀嬖望至篓：⋯此,1，4．⋯。嘉美墨孟≤S“J：。,2”00“3。：““”“”“⋯“⋯⋯“。“”“。 该转速检测方法应用于柴油机监控系统中是可行 一‘一 万方数据 MCS—96单片机在船舶柴油机转速检测中的应用 作者： 徐敏航， Xu Minhang 作者单位： 海军驻七一一研究所军事代表室,上海,201108 刊名： 柴油机 英文刊名： DIESEL ENGINE 年，卷(期)： 2009，31(1) 引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.徐爱卿 INTEL16位单片机 2002 2.童诗白 模拟电子技术基础 2003 3.王华祥 传感器原理及应用 2003 相似文献(1条) 1.学位论文 黄爱平 柴油机电子调速器系统仿真及故障诊断智能系统 2002 该文结合中远集团科研项目《SPC-33电子调速器计算机辅助分析系统》,对中国近几年在新建船舶中采用的SPC-33电子调速器,运用FTA故障树分析理 论及计算机仿真,实现电子调速器故障计算机分析和诊断,并对调速器操作面板和转速控制系统进行仿真.论文所解决的问题是:调速器接口、原理仿真;调 速器控制面板仿真;电子调速器故障信息流分析;转速控制系统仿真.该文将电子调速器分为转速调节单元、驱动控制单元、电动执行单元,对这些功能单 元从结构、功能上进行原理仿真,建立单元的热点信息链与具体功能建立二次热点信息链.对调速器相关的单元:遥控控制台、电子VIT控制、高压油泵、 转速检测单元、SPC-33外部接口等建立热点信息,并以图形界面显示. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cyj200901002.aspx 下载时间：2010年1月2日