倪杭飛

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，杭州 310019)

0 引言

手持式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表是一種利用高壓點(diǎn)火信號(hào)測量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)量儀表，具有非接觸測量、小巧輕便、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、研究、維修和檢測部門得到廣泛的應(yīng)用。由于這類發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢測原理的特殊性，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速表有較大的區(qū)別，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置無法對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行計(jì)量檢定。因此，有必要研制一種檢定裝置，用于解決對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢定難題。

1 檢定裝置的設(shè)計(jì)

檢定裝置分別由信號(hào)發(fā)生器、點(diǎn)火系統(tǒng)和直流穩(wěn)壓電源三部分組成,是模擬汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成。電路采用了89C2051單片機(jī)、ICL8038振蕩集成芯片、L497點(diǎn)火模塊、點(diǎn)火線圈等元器件。根據(jù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，檢定裝置模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速50～30000r/min，而一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表測量范圍在50～20000r/min，所以檢定裝置完全能滿足對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢定的需要。

1.1 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器的硬件由兩部分組成：1)具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路ICL8038組成的信號(hào)發(fā)生器部分；2)單片機(jī)89C2051組成的數(shù)字控制部分。

信號(hào)發(fā)生器工作原理：首先設(shè)置需要產(chǎn)生的信號(hào)頻率,單片機(jī)89C2051根據(jù)設(shè)置的頻率段選擇相應(yīng)的定時(shí)電容，經(jīng)計(jì)算獲得相應(yīng)數(shù)字量送數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)與參考電壓相加后形成數(shù)控調(diào)壓去控制ICL8038第8腳，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頻率的正弦波、三角波、矩形波信號(hào)輸出，信號(hào)發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)圖

ICL8038芯片是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路,通過少量的外圍元件及電路，產(chǎn)生正弦波、三角波、矩形波信號(hào)，選擇不同參數(shù)的外電阻和電容等元器件，可以獲得0.001Hz～300kHz范圍的信號(hào)，通過調(diào)節(jié)可使占空比在2%～98%之間；調(diào)節(jié)ICL8038第8腳的電壓，可控制信號(hào)輸出的頻率[1]。函數(shù)發(fā)生電路電路圖如圖2 所示。

在設(shè)計(jì)電路中， 頻率主要是通過外接的定時(shí)電容和數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)，改變定時(shí)電容進(jìn)行頻段的選擇作為頻率粗調(diào)，定時(shí)電容C1至C8決定了信號(hào)頻率的八個(gè)倍頻程，從50μF開始，依次減小十倍直到550pF，頻 率 范 圍 相 應(yīng) 地 為 0.005Hz～0.05Hz～0.5Hz～5Hz～50Hz～500Hz～5kHz。電路通過CD4051連接8路來選擇控制頻段的C1至C8定時(shí)電容，CD4051是一個(gè)單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān),開關(guān)需要接通哪一個(gè)定時(shí)電容,由輸入的3位地址碼ABC來決定。

圖2 函數(shù)發(fā)生電路電路圖

電路采用了MCP41010集成數(shù)字電位器，主要是在某一頻段范圍內(nèi)作為輸出頻率的細(xì)調(diào)。設(shè)計(jì)中將MCP40101接成8位字長的D/A轉(zhuǎn)換器，根據(jù)輸入串行數(shù)據(jù)，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓后由中間抽頭輸出模擬電壓，輸出模擬電壓通過LM324芯片與參考電壓相加后形成數(shù)控調(diào)壓去控制ICL8038第8腳，以此來精確控制信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率值。

電路的控制是以單片機(jī)89C2051為核心，完成對(duì)信號(hào)發(fā)生器的頻率設(shè)置、測量、輸出、顯示等控制。AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)[2]。電路中P1.4～P1.7、P1.2、P1.3、P3.0 、P3.1作為數(shù)碼管顯示；P3.3、P3.5、P3.7作為鍵盤入口；P3.4作為計(jì)數(shù)口，用于測量信號(hào)源頻率。P3.0～P3.2作為數(shù)字電位器的SPI總線，P1.0、P1.1、P3.6作為選擇ICL8038第10腳與第11腳之間的定時(shí)電容C。

信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)，采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，分為初始化程序、鍵盤處理程序、頻率調(diào)節(jié)程序、信號(hào)狀態(tài)顯示程序，信號(hào)發(fā)生器上電執(zhí)行初始化程序，初始化后根據(jù)鍵盤命令，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)程序，最后通過信號(hào)狀態(tài)顯示程序在LED上顯示信號(hào)的頻率，從而完成所需頻率的設(shè)置和輸出。

1.2 點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

點(diǎn)火系統(tǒng)的核心部件是點(diǎn)火模塊(開關(guān)裝置)和點(diǎn)火線圈。點(diǎn)火模塊是根據(jù)輸入信號(hào)頻率大小，控制驅(qū)動(dòng)功率電子開關(guān)的導(dǎo)通、截止的時(shí)間，使點(diǎn)火線圈產(chǎn)生同頻率脈沖高壓放電。點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理如圖3所示。

圖3 點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理圖

點(diǎn)火模塊實(shí)際是一個(gè)功率電子開關(guān)，它受信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率電壓控制。當(dāng)頻率信號(hào)輸入到點(diǎn)火模塊后，控制點(diǎn)火線圈初級(jí)電路電流的接通時(shí)間和斷開時(shí)間，使點(diǎn)火線圈高壓輸出端產(chǎn)生高壓點(diǎn)火脈沖。

點(diǎn)火線圈采用普通汽車的點(diǎn)火線圈，當(dāng)電流在初級(jí)線圈上流過時(shí)，在鐵芯上將產(chǎn)生磁力線；當(dāng)初級(jí)線圈的電流被切斷后，將使鐵芯的磁力線發(fā)生變化，變化的磁力線在次級(jí)線圈上產(chǎn)生高達(dá)上萬伏感應(yīng)電壓[3]。

放電極由兩個(gè)放電針組成，工作時(shí)在兩個(gè)放電針產(chǎn)生放電火花，兩個(gè)放電針間隙可根據(jù)放電火花的大小調(diào)整，間隙越大放電的火花越大，一般在5～15mm之間。

放電極也是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定的區(qū)域，當(dāng)被檢轉(zhuǎn)速表靠近該區(qū)域，就能測量到點(diǎn)火脈沖頻率信號(hào)并顯示出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定裝置的頻率經(jīng)我院高精度標(biāo)準(zhǔn)智能測速頻率計(jì)實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照不同的氣缸數(shù)、沖程數(shù)、點(diǎn)火脈沖頻率，通過計(jì)算便可得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，其對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式[4]如下：

N=30kf/m

(1)

式中：N為轉(zhuǎn)速，f為點(diǎn)火脈沖頻率，k為沖程數(shù)，m為氣缸數(shù)。

可見表1檢定裝置頻率相對(duì)誤差在0.03%范圍內(nèi)，同樣檢定裝置模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差也在0.03%范圍內(nèi)。

表1頻率標(biāo)定結(jié)果

按式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，例如：當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生100Hz頻率信號(hào)、某1缸二沖程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)點(diǎn)火2次，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速應(yīng)為6000r/min，4缸四沖程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)點(diǎn)火4次，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速應(yīng)為3000r/min。

用檢定裝置分別對(duì)SZG-1100型、HT-6100型、PET-1000型三種型號(hào)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢測結(jié)果

續(xù)表

3 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定裝置能產(chǎn)生準(zhǔn)確、穩(wěn)定的脈沖信號(hào)頻率，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速50～30000r/min，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)，完全滿足對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測需要；檢定裝置的制作有電路簡單、器件易購、成本低、操作簡便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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