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 硬件设计
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
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
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规范相应要求。
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
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社,2007.
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6
及结论 参考文献
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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)
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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
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下载时间:2010年1月2日