基于单片机的燃油计量单元控制系统设计

2012-07-25孟武胜范晓晶李明翔高晓珍

微处理机 2012年3期

孟武胜，范晓晶，李明翔，高晓珍

(西北工业大学自动化学院，西安710072)

1 引言

飞机的一种启动方式是由辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)提供空调引气和电源，从而提供压缩空气供发动机启动。此外，在飞行过程中，如果发动机停车，APU也可以用来向飞机提供气源和电源。燃油计量单元(Fuel Metering Unit，FMU)作为APU的子部件，用于控制和计量APU工作过程中燃油的流量与压力，从而保证APU的正常工作。因而，对燃油计量单元控制系统的设计与研究具有重要意义。

燃油计量单元内部有步进电机和旋转变压器。步进电机具有快速启停、受干扰影响小的优点，但驱动信号一般由专用模拟芯片提供，因而提出用80C58单片机对其控制，并由专用芯片驱动。旋转变压器的输出角度对步进电机构成闭环回路，可由旋变数字转换器对角度进行采集与转换，并通过液晶显示屏显示。针对以上要求，设计出由80C58单片机、4×4矩阵键盘、步进电机驱动芯片STK672-040、旋变数字转换器 AD2S80A和液晶显示器LCD1602所组成的燃油计量单元控制系统。

2 燃油计量单元

燃油计量单元用于计量流过飞机发动机的燃油流量，工作原理如图1所示。高压燃油从燃油泵中流进燃油计量单元入口时会通过高压溢流阀。当入口燃油的压力高于限定值时，高压溢流阀动作并将超出额定值的燃油回流到燃油泵中。外部的辅助电源给步进电机上电后，步进电机带动计量阀动作并改变阀开口的大小，阀开口的大小决定了燃油的流量，因此，通过控制步进电机的运转可实现燃油流量的计量。泵旁路的压力调节阀用于维持计量阀两端的压降恒定，从而得到稳定的流量与压力。除此之外，系统由主电磁阀和次电磁阀组成两个独立的关闭系统，当电磁阀断电后，最小压力阀关闭，系统无燃油输出。

图1 燃油计量单元原理图

3 系统硬件设计

3.1 控制系统原理

系统控制模块选用内部带有32kB ROM和256B RAM的高性能单片机80C58，控制系统总体框图如图2所示。在系统中，通过4×4矩阵键盘中的命令键对步进电机工作方式设定，数字键用于步进电机运转步数的输入;专用步进电机控制芯片STK672-040用于步进电机功率驱动;旋变数字转换器AD2S80A获得旋转变压器的角度，当采集到计量阀最小、最大止动点的角度后存储在单片机中，并经过内部拟合后在液晶屏上输出角度值;同时，液晶屏上所显示的角度值与步进电机运转角度形成误差，从而构成闭环控制系统。由于单片机IO口有限，在此采用可编程并行接口芯片8255A对端口进行扩展。此外，控制系统中软件模块较多，为防止程序受干扰而发生异常，引入了看门狗电路X25045。

图2 控制系统总体框图

3.2 单片机模块

控制系统选用80C58系列单片机，程序存储器与数据存储器满足要求，震荡电路与单片机的XTAL1、XTAL2相连，上电复位、手动复位、看门狗复位三者通过逻辑或门与单片机RST相连，单片机的P1口用于液晶显示屏的数据传输。单片机的P0口通过上拉电阻作为扩展芯片8255A的数据口，通过控制命令将8255A的PA口用于旋变数字转换器的角度输入，PB口作为输出用于步进电机的控制，PC口连接矩阵键盘。此外，单片机的P2、P3口作为各芯片的控制命令选择和特殊功能使用，硬件电路如图3所示。

图3 单片机模块硬件电路图

3.3 步进电机

燃油计量单元的步进电机工作方式为四相四拍，即以AB-BC-CD-DA-AB方式不断循环。利用8255A输出功能，通过对步进电机驱动芯片STK672-040进行控制，完成脉冲的分配与功率驱动，从而控制步进电机的运行，如图4所示。A、B、/A、/B为驱动芯片的4相脉冲输出，由于芯片内部经过了功率放大，所以它们可以直接用于驱动步进电机的A、B、C、D相。输入时钟CLK决定了输出脉冲信号的频率，即相位变换的频率，因此决定了步进电机的转速，该时钟与P3.3相连，通过定时器中断产生时钟。

图4 步进电机驱动电路

3.4 旋变数字转换器

为了实现对旋转变压器角度信号的采集与处理，需要将旋转变压器通过旋变数字转换器与单片机相连，硬件电路如图5所示。系统采用12位的分辨率，因此，通过在AD2S80A的引脚SC1、SC2分别加低电平和高电平实现，根据使用手册，确定AD2S80A外围电路各器件参数。在12位数据传输过程中，选择BYTE SELECT为高电平时，将高4位数据输出;为逻辑低电平时，低8位数据通过DB1～DB8传输至8255A的PA口。

3.5 电源模块

在控制系统中需要提供三种电源，因此采用稳压器CW7805、CW7812为单片机和旋变数字转换器分别提供+5V和+12V的直流电源，采用输出范围为1.25～37V的LM317可变电源为步进电机提供所需的+17～+23V的工作电压。

4 系统软件设计

在燃油计量单元控制系统中，通过键盘设置步进电机的工作方式并输入转动步数后，步进电机带动计量阀运转，此时液晶屏上会显示已转动的步数和剩余的步数;然后AD2S80A采集并获得最小、最大止动点角度;最后通过单片机内部的计算与拟合，输出旋转变压器的拟合角度，同时将角度值反馈给步进电机，根据误差校正步进电机运转步数。因此，软件部分由4大模块组成:键盘扫描及处理、步进电机控制、AD2S80A采集与转换、显示部分。

4.1 键盘扫描及处理

在控制系统中，8255A的 PC口高4位用于列控制，和4根列线相连用作检测输入线;PC口的低4位用于行控制，和4根行线相连用作行扫描输出线;行线需加上拉电阻，以使其处于高电平。在程序中，首先利用查询的方法检测键盘中是否有键按下。当有键按下时，经过延时，再进行一次相同的查询，若按键仍处于被按下的状态，则认为确实有键按下，否则认为是抖动引起的，这样可做到“消抖”。当确实有键按下时，确认按键位置并获得按键值，根据所得键值进行处理(若是数字键，要将其转换为十进制数字并在液晶屏上显示;若是控制键，则执行相应的控制命令)，其流程如图6所示。

图5 旋变数字转换器硬件电路

4.2 步进电机控制流程

单片机上电复位后，首先对定时器0及中断进行初始化，用以产生步进电机驱动芯片的时钟信号;然后通过单片机和8255A的各引脚对驱动芯片进行初始化，设置其驱动步进电机的输出方式;最后通过键盘的按键控制命令，使电机按照要求转动。在此过程中，已转动的步数和剩余步数均在液晶屏上实时显示，流程图如图7所示。

4.3 旋转变压器角度采集与转换

步进电机工作后，旋转变压器检测到其运转角度的变化，在励磁的作用下有正弦、余弦两路输出，利用旋变数字转换器可实时得到角度值。启动AD2S80A工作后，首先检查转换结束标志，当BUSY引脚为低，即转换结束后开始读取转换结果。通过对BYTE SELECT高低电平的控制，分别得到高4位和低8位数据，经过单片机内部运算后，得到角度值并在液晶屏上显示，软件流程如图8所示。