一种汽油发动机转速表检定装置的研制

倪杭飞

(杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019)

0 引言

手持式汽油发动机转速表是一种利用高压点火信号测量汽油发动机转速的计量仪表，具有非接触测量、小巧轻便、操作简单等优点，在汽车和发动机生产、研究、维修和检测部门得到广泛的应用。由于这类发动机转速表检测原理的特殊性，与传统的转速表有较大的区别，计量技术机构现有的标准转速装置无法对汽油发动机转速表进行计量检定。因此，有必要研制一种检定装置，用于解决对汽油发动机转速表的转速计量检定难题。

1 检定装置的设计

检定装置分别由信号发生器、点火系统和直流稳压电源三部分组成,是模拟汽油发动机点火系统设计而成。电路采用了89C2051单片机、ICL8038振荡集成芯片、L497点火模块、点火线圈等元器件。根据汽油发动机点火脉冲频率与转速的关系，检定装置模拟发动机转速50～30000r/min，而一般汽油发动机转速表测量范围在50～20000r/min，所以检定装置完全能满足对汽油发动机转速表的转速计量检定的需要。

1.1 信号发生器的设计

信号发生器的硬件由两部分组成：1)具有多种波形输出的精密振荡集成电路ICL8038组成的信号发生器部分；2)单片机89C2051组成的数字控制部分。

信号发生器工作原理：首先设置需要产生的信号频率,单片机89C2051根据设置的频率段选择相应的定时电容，经计算获得相应数字量送数字电位器实现A/D转换，同时与参考电压相加后形成数控调压去控制ICL8038第8脚，从而实现相应频率的正弦波、三角波、矩形波信号输出，信号发生器的硬件结构图如图1所示。

图1 信号发生器的硬件结构图

ICL8038芯片是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,通过少量的外围元件及电路，产生正弦波、三角波、矩形波信号，选择不同参数的外电阻和电容等元器件，可以获得0.001Hz～300kHz范围的信号，通过调节可使占空比在2%～98%之间；调节ICL8038第8脚的电压，可控制信号输出的频率[1]。函数发生电路电路图如图2 所示。

在设计电路中， 频率主要是通过外接的定时电容和数字电位器来调节，改变定时电容进行频段的选择作为频率粗调，定时电容C1至C8决定了信号频率的八个倍频程，从50μF开始，依次减小十倍直到550pF，频 率 范 围 相 应 地 为 0.005Hz～0.05Hz～0.5Hz～5Hz～50Hz～500Hz～5kHz。电路通过CD4051连接8路来选择控制频段的C1至C8定时电容，CD4051是一个单8通道数字控制模拟电子开关，相当于一个单刀八掷开关,开关需要接通哪一个定时电容,由输入的3位地址码ABC来决定。

图2 函数发生电路电路图

电路采用了MCP41010集成数字电位器，主要是在某一频段范围内作为输出频率的细调。设计中将MCP40101接成8位字长的D/A转换器，根据输入串行数据，对基准电压进行分压后由中间抽头输出模拟电压，输出模拟电压通过LM324芯片与参考电压相加后形成数控调压去控制ICL8038第8脚，以此来精确控制信号发生器输出的频率值。

电路的控制是以单片机89C2051为核心，完成对信号发生器的频率设置、测量、输出、显示等控制。AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机[2]。电路中P1.4～P1.7、P1.2、P1.3、P3.0 、P3.1作为数码管显示；P3.3、P3.5、P3.7作为键盘入口；P3.4作为计数口，用于测量信号源频率。P3.0～P3.2作为数字电位器的SPI总线，P1.0、P1.1、P3.6作为选择ICL8038第10脚与第11脚之间的定时电容C。

信号发生器的软件设计，采用模块化编程结构，分为初始化程序、键盘处理程序、频率调节程序、信号状态显示程序，信号发生器上电执行初始化程序，初始化后根据键盘命令，转入相应的频率调节程序，最后通过信号状态显示程序在LED上显示信号的频率，从而完成所需频率的设置和输出。

1.2 点火系统的设计

点火系统的核心部件是点火模块(开关装置)和点火线圈。点火模块是根据输入信号频率大小，控制驱动功率电子开关的导通、截止的时间，使点火线圈产生同频率脉冲高压放电。点火系统电路原理如图3所示。

图3 点火系统电路原理图

点火模块实际是一个功率电子开关，它受信号发生器产生的信号频率电压控制。当频率信号输入到点火模块后，控制点火线圈初级电路电流的接通时间和断开时间，使点火线圈高压输出端产生高压点火脉冲。

点火线圈采用普通汽车的点火线圈，当电流在初级线圈上流过时，在铁芯上将产生磁力线；当初级线圈的电流被切断后，将使铁芯的磁力线发生变化，变化的磁力线在次级线圈上产生高达上万伏感应电压[3]。

放电极由两个放电针组成，工作时在两个放电针产生放电火花，两个放电针间隙可根据放电火花的大小调整，间隙越大放电的火花越大，一般在5～15mm之间。

放电极也是汽油发动机转速表检定的区域，当被检转速表靠近该区域，就能测量到点火脉冲频率信号并显示出相应的转速值。

2 实验与分析

汽油发动机转速表检定装置的频率经我院高精度标准智能测速频率计实际标定数据如表1所示。汽油发动机点火脉冲的频率与发动机的转速存在对应关系，按照不同的气缸数、冲程数、点火脉冲频率，通过计算便可得到相应的标准转速，其对应关系的计算公式[4]如下：

N=30kf/m

(1)

式中：N为转速，f为点火脉冲频率，k为冲程数，m为气缸数。

可见表1检定装置频率相对误差在0.03%范围内，同样检定装置模拟发动机转速的相对误差也在0.03%范围内。

表1频率标定结果

按式(1)计算标准转速，例如：当信号发生器产生100Hz频率信号、某1缸二冲程汽车发动机每转点火2次，标准转速应为6000r/min，4缸四冲程汽车发动机每转点火4次，标准转速应为3000r/min。

用检定装置分别对SZG-1100型、HT-6100型、PET-1000型三种型号的汽油发动机转速表进行检测，数据如表2所示。

表2汽油发动机转速表检测结果

续表

3 结束语

经实验验证，所设计的汽油发动机转速表检定装置能产生准确、稳定的脉冲信号频率，模拟发动机转速50～30000r/min，达到了预期设计的目标，完全满足对汽油发动机转速表的转速计量检测需要；检定装置的制作有电路简单、器件易购、成本低、操作简便、稳定可靠等特点，具有广泛的应用前景。

[1] 陈泽宗.单片精密函数发生器ICL8038及其应用[J].电子应用技术,1997(9)：2

[2] 张晓君.89C2051单片机应用浅析[J].长春大学学报,2004(8)：6-7

[3] 麻友良.汽车点火系统原理[M].北京:机械工业出版社，2010

[4] 路占波.通过点火脉冲测量汽油机转速的方法[J].西安工业学院学报,2010(12):4

[5] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001

[6] 陈国先.单片机原理与接口技术[M].北京:电工工业出版社,2004