发动机转速电控系统设计及仿真研究

张国方 杨少武

摘要：为保障发动机的正常运行，文章设计了以AT89C52单片机为核心的发动机转速电控系统，对发动机转速进行实时检测，并在发动机怠速、超速时进行相应的控制。设计主要包括转速采集模块、单片机核心控制模块、显示模块、步进电机控制模块四大部分，并对系统硬件设计和软件程序进行仿真调试，达到了预期设计效果。

关键词：单片机；发动机；转速电控系统；系统设计；系统仿真 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）05-0021-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.011

1 概述

随着汽车工业的发展，各项汽车新兴技术的应用，汽车的智能化程度、动力性、安全性将越来越高。而有“汽车心脏”之称的发动机作为汽车动力的来源，与汽车动力性、燃油经济性、可靠性和使用寿命等直接相关。发动机由于结构复杂，工作条件不稳定，经常处于转速、负荷变化的条件下运转，因此对于发动机转速的检测和控制就显得非常重要。而对于发动机转速的检测和控制，要求发动机转速信号可动态显示，在发动机运行过程中，当传感器出现故障导致信号中断时，发动机应立刻熄火而无法运转；当发动机转速过低时，可提高怠速转速；发动机转速过高时，可限制最高转速，防止损坏发动机。本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89C52作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计了一个实时检测和控制发动机转速的系统。该控制系统主要由转速采集模块、单片机核心控制模块、显示模块、步进电机控制模块组成。系统具有简单清晰的结构，可随时进行系统扩张。

2 系统控制方案

以单片机AT89C52为核心，若直接通过电磁感应式传感器产生模拟信号，放大，再送入单片机进行处理，传感器容易受发动机内环境的影响，会导致检测不准。故采用霍尔式传感器A3144，对发动机转速进行实时检测，它具有对于转速信号的采集频率高、抗干扰能力强、线性强等特点，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。

AT89C52为中央处理芯片，用于数据处理、初值设定、定时和计数、显示数据的输出。当时钟电路的晶振产生外部振荡脉冲信号送入单片机时，单片机开始有条不紊地工作。AT89C52执行内部的程序，处理从霍尔传感器送来的信号，输出到LED显示，并在超过上下限值时开启报警系统和控制电机转动控制发动机转速。

3 系统硬件架构设计

3.1 单片机接口电路

本方案以AT89C52单片机系统为核心，此单片机为ATMEL公司的51系列单片机，除兼容标准MCS-51指令系统，AT89C52是一个内置8位中央处理单元，拥有512B内部数据存储器RAM和8K片内程序存储器ROM，满足了系统程序存储需要。其共有32个双向输入/输出（I/O）口，应用灵活方便。3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，1个全双工串行通信口以及片内时钟振荡电路，控制方式更加可靠。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.1.1 单片机的时钟电路。单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。

3.1.2 单片机的复位电路。单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效的复位。

3.2 转速信号的获取

采用霍尔传感器A3144作为转速传感器，利用霍尔元器件将发动机转速转化为单片机可识别的脉冲信号，并通过每分钟脉冲信号频率数与发动机转速间的固定比值，计算出发动机转速。由于在Proteus中无法使用霍尔传感器，故在仿真时通过信号发生器产生模拟信号，送入单片机进行处理。

3.3 显示电路的设计

当前常用的显示方法有LCD液晶显示和LED数码管显示两种。液晶显示虽然功能强大，可以显示较为复杂的数字、图形、文字、符号等，但是也存在成本高、能耗高、二次开发困难、显示亮度低、不利于观察、与单片机连接时接口电路驱动复杂等缺点。数码管显示不仅硬件电路简单、造价低廉，而且亮度较高、利于观察读数。本系统虽只显示数字，但考虑到能耗较少、数码管内部元件比较简单、容易编程等因素，所以选择了LED数码管显示。考虑到硬件设计的方便，采用了四位动态显示方案。由于采用共阳极LED，P0不用加上拉电阻。通过单片机P2.4-P2.7控制对应的LED位选线，利用段码的数组对个十百千位进行循环显示，显示每一位要注意延时时间是否合适，否则导致显示不清晰。

3.4 报警电路的设计

在发动机转速超过上下限值或发动机故障长时间转速为零时进行声光报警。由于单片机在正常状态下各个端口是高电平，而正常状态下发动机转速不会超速，所以在发动机转速超速时可以使一个IO口变为低电平信号使sounder发声，这时在sounder前加一个反向放大器就可以使得其在正常状态不发声，在低电平信号时发声，而当发动机故障时进行声光报警。

3.5 步进电机控制电路的设计

转速控制单元是系统的执行器件是系统的最后一个环节，也是系统中最重要的一部分。这里四相八拍步进电机通过减速机构（传动比为10）带动节气门转动以控制发动机进气量，从而控制发动机转速，步进角0.9度。步进电机正转增加节气门开度为怠速控制，反转减小节气门开度为超速控制。

4 系统软件程序设计

在完成上述系统硬件架构设计的基础上，通过对软件程序的编写，扩充和完成发动机转速电控系统的设计。系统的程序主要实现系统的定时器计数器初始化，定时中断，显示数据，步进电机控制，报警。

软件主程序如图2所示，定时器计算器初始化后，计算器开始对脉冲计数。定时中断时，在中断程序中计数中断关闭，传递计数器存储的数据，之后再开启定时计数中断。单片机对数据进行处理并在数码管上显示，同时判断当前的频率是否超过上下限和长期为零，如果在发动机怠速和超速时则启用步进电机控制子系统，进而控制发动机的转速。

在Keil软件里面进行程序的编写和调试，0 Error（s），0 Warning（s）表明文件编译结果没有错误。

5 系统仿真调试

通过上面发动机转速电控系统硬件架构和软件程序的设计，系统设计工作已经基本完成。接下来在Proteus中搭建虚拟的单片机仿真平台，先对单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等，然后在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex），将目标代码文件加载到单片机系统中，实现单片机系统的实时交互、协同仿真。完成对系统进一步的调试和改善工作后，按下开始仿真按钮，开始进行仿真实验。仿真结果如图3所示：

图3为当发动机转速过高（高于设定的门限值6500r/min），处于超速状态，此时AT89C52单片机控制步进电机开始反转，节气门开度减小，同时喇叭报警。

6 结语

发动机作为汽车动力的来源，其工作状态的好坏直接影响汽车的使用和安全。发动机转速是影响发动机功率的重要参数，因此对发动机转速进行实时检测和控制具有重大意义。本文在完成以单片机AT89C52作为核心控制器的发动机转速控制系统硬件架构设计和软件程序设计的基础上，在Proteus中搭建虚拟的单片机仿真平台，对系统进行仿真调试，当发动机发生故障长时间转速为零时，单片机控制指示灯和报警器进行声光报警；当冷启动发动机转速过低时，步进电机正转，节气门打开可提高怠速转速；发动机转速过高时，喇叭报警，同时步进电机开始反转，节气门开度减小，限制最高转速，防止损坏发动机。

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（责任编辑：周 琼）