单片机在船舶主机转速测量中的应用研究

2021-10-28秦珩

船电技术 2021年10期

关键词：方波单片机船舶

秦珩

单片机在船舶主机转速测量中的应用研究

秦珩

（海军大连舰艇学院，大连 116018）

本文研究以单片机为核心，以磁电式转速传感器做探头的转速测量装置。介绍了主机转速测量装置的技术要求、系统组成及转速信号的获取原理。给出了转速信号处理电路及工作原理，有着广泛的应用场合和使用价值。

主机转速单片机传感器

0 引言

船舶主机运行最重要的参数-主机转速，这个参数直接反映船舶状态和主机工况，是船舶航行和主机运行管理的最核心参数。对于它的测量精度、可靠性要求十分高。同时，现代船舶的电子信息技术广泛应用，船上许多部位都需要转速参数，不同部位不同设备要求不同的转速信号形式。因此，十分必要研究一种测量精度高、可靠稳定、输出多种信号形式的主机转速测量装置。单片机由于有强大的计算和接口功能，很好的工作稳定性和高的可靠性，十分适合用于转速测量装置。本研究采用单片机及其外部信号处理接口，设计制作了先进的主机转速测量装置。

1 主机转速测量装置技术要求

对于现代船舶主机对转速测量提出以下技术要求：测量精度≤0.5%；测量方法：磁脉冲非接触测量；测量周期：1秒；输出信号：电压输出：-10 V～+10 V，-5 V～+5 V，0～+10 V；正反转输出：正转+24 V，反转0 V（隔离输出）；转速脉冲光电隔离输出；数据输出：RS485；工作电源DC24V

2 系统组成

本测速装置由磁电式转速传感器、测速装置（由滤波、整形、处理、单片机、输出接口等电路组成)，其组成框图如下（图1）

3 转速信号的获取

船舶主机输出端飞轮（或轴系）外围都布置有一圈齿轮，其齿数量一般为60～120个，飞轮齿与转速传感器安装示意如下图2。

图1 测速装置结构框图

图2 转速传感器安装示意图

转速信号获取原理如下：主机启动有转速后，每转过一个齿，磁电传感器与齿项和齿隙会发生一次磁通量的变化，根据电磁感应定律，则在传感器内部线圈产生一个感应电压，由线圈输出端以电压形式输出，此电压的频率高低与转速快慢成正比，传感器输出电压频率信号与主机转速的关系：

=/60×（1）

式中：-传感器输出电压频率Hz；

-主机转速min/r；

-飞轮一圈的齿数。

由上式可知：只要测量出传感器输出信号的频率，便可计算出主机转速。

4 硬件设计

4.1 转速信号输入前端处理电路

传感器输出的频率信号是一个不规则的波形，并带有干扰和毛刺。为此，须对此信号进行滤波与整形，去掉毛刺和干扰，整形成规则的方波，其电路如下图3。

两支转速传感器分别输入至n1，n2，不规则带有毛刺的频率信号经RC滤波，经D1～D4二极管限幅后，进入电压比较器LM393/P3端，经LM393比较整形，由P1输出干净规范的方波信号，再送到单片机8031的计数器输入端，LM393P/2端引入一个电阻分压的门槛电压，可减少地线及其他干扰。为保证整形方波的正确与准确，防止外界干扰对单片机运行的影响，转速方波信号进入单片机之前，再加一道光电隔离，图中TLP521光电耦合器完成此工作。

图3 转速信号输入处理电路

4.2 单片机及其外围电路工作原理

测速装置的电路图见图4。本文中采用的89C52单片机，是一种内带程序存储器的高性能单片机，功能强大，接口丰富且方便，多年来一直在工控领域广泛应用。89C52的主要性能功能如下：

8位CPU；3个16位定时/计数器；片内数据RAM256B；片内8KEEPROM；64K外部ROM；64K外部RAM；6个中断源；32根可编程I/O线；可编程串行通讯口；51指令集。

本装置中的89C52单片机负责转速频率方波信号采集、处理、运算及其输出。

4.2.1单片机转速信号采集原理

由图4可见，1#转速传感器信号经处理成方波信号输入至89C52的TO（P3.4）及INTO（P3.2），2#转速传感器信号输入至T1（P3.5)及INT1（P3.3），89C52的T0定义为计数器，INT0定义为外部中断输入，INT1定义为外部中数输入，89C52的T1定义为定时器即时钟，T1设置为1秒周期定时中断。对于转速测量要完成2个任务，一是测量其频率，二是测量其转向即相位。

主机转速测量原理：T1定时器启动时，同时启动TO计数器，计数外部转速脉数，T1定时器1秒计时到停止计时，T0计数器停止计数，则T0计数器的计数值便是主机转速的频率值，按公式1便计算出主机转速值。

主机转向测量原理；2支转速传感器安装同一飞轮处，但2支传感器安装时应错开一定位置。即：1#传感器对准一个齿项面中心线，2#传感器则错开齿项面半个齿面距。正转时，1#传感器应脉冲超前2#传感器，而反转时2#传感器感应脉冲超前1#传感器，单片机的INT0和INT1中断输入分别输入1#传感器和2#传感脉冲，由中断的先后可判断1#还是2#超前，从而判断主机的转向。在单片机初始化程序里对定时器、中断、串口进行如下设置：

定时器设定：TMOD=00010101

中断设定：EX0=1 ET0=0 EX1=0 ET1=1 ES=1 EA=1 PX0=1

串口设定：SCON=01110000

图4 测速装置的电路图

4.2.2转速信号输出电路原理

（1）光电隔离输出转速频率脉冲

见图4 由整形隔离后的转速方波信号89C52T0（P3.4）输入至74S04/P3，反向驱动后至光电耦合器TLP521-4/P4，再由光耦P13输出至可编程控制器（PLC），用于主机遥控。

（2）正反转速模拟电压输出

图4中的TLC5620是8位串行4路D/A芯片，即数字/模拟转换器。

通过简单的4线串行总线可对LC5620实现数字控制，此总线与CMOS兼容且易于与所有常用的微处理器和微控制器器件接口。11位的命令字由8位数据，2个DAC选择位以及1个范围（range）组成。后者允许在一倍或二倍输出范围之间作出选择。DAC寄存器是双缓冲的，允许完整的新数值组写入器件，然后DAC输出通过LDAC端的控制同时更新。数字输出端的特点是带有斯密特（Schmitt)触发器，该电路具有高的噪声抑制能力。

1403提供2.5 V电压基准至TLC5620的DACA、DACB、DACC、DACD电压基准端，输出电压V0=VREF×CODE/256，串行数据中包含8位数字电压量和3位输出通道选择量。单片机51汇编程序通过89C52的P3.0、P3.1、P1.0、P1.2端口，4根I/O线控制TLC5620的4路D/A输出。其中两路输出经运放缓冲放大为正输出即0～+10 V或0～+5 V，对应转速0～满量程。其中一路输出经运放正负放大缓冲，输出正负电压转速信号，即-10 V～+10 V对应转速-100%～0～+100%转速。输出电压幅值根据接收外部设备要求，可调整输出电压幅值，以满足不同仪表及设备的要求。