0 引言

　　發動機轉速表能準確地反映發動機的工作狀況。現在,轎車一 般都是電子式轉速表,包括指針式和液晶數字顯示式,表內有數字集成電路,它將點火線圈輸送過來的電壓脈沖經過計算后驅動指針移動或數字顯示。另外還有一種 轉速表是從發電機取出脈沖信號送到轉速表電路解釋后顯示轉速值,不過因受發電機皮帶打滑等因素影響,數值不太精確[1-2]。目前,手持式轉速表應用很 廣,有光電式轉速表、感應式轉速表,還有用RF401等集成電路芯片來實現對汽車發動機轉速的遙測。有些產品雖然能達到很高的精度,但是在快速性和穩定性 上還存在一定的欠缺,而且有些高端產品價格昂貴[3]。

　　針對上述問題,設計了一種非接觸型汽油發動機轉速表,由天線接收脈沖信號,單片機通過測量脈沖周期的方法得到脈沖頻率,并通過按鍵設置沖程與汽缸數,計算出發動機轉速,并顯示數據.

　　轉速表工作原理

　 　汽油發動機的工作循環包括進氣、壓縮、點火、排氣。對于二沖程發動機, 1個工作循環發動機曲軸轉1周,發動機點火1次。對于四沖程發動機, 1個工作循環曲軸轉2周,點火1次。所以發動機點火脈沖的頻率與發動機的轉速存在對應關系。發動機汽缸有單缸和多缸,汽缸數與發動機轉速成反比關系在發動機點火時,高壓軟管會產生點火脈沖,測得此脈沖信號的頻率,按照發動機的具體沖程和氣缸數,通過一定的計算便可得到發動機的轉速值:
         
　　式中:n為發動機的轉速,r/min; f為點火脈沖頻率,Hz;s為沖程數; c為氣缸數。
　　工作原理圖如圖1所示。
        
　 　文獻[4]中將采集到的脈沖信號發大整形,通過計算在一定時間內測得的脈沖個數來計算點火脈沖的頻率。這種方法,當測量由每秒轉速來表示發動機每分鐘轉 速時,誤差就會被放大。雖然文獻[4]中采用一定方法法來降低誤差,但是不能消除誤差,在實際應用時測速精度仍然沒有明顯提高。而且抗干擾性能不佳使得測 量讀數有很大波動。由于采樣周期長導致到達穩定值的過渡時間較長,尤其是在測低速時。

　　文中采用了脈沖周期測量法來測量轉速。由于頻率與 周期成反比,所以如果可以精確測到相鄰點火脈沖間的寬度,那么結果在理論上將可以比上一種方法更精確。為了進一步提高精度,在算法中還加入了平均值數字濾波模塊。脈沖周期測量法可以快速并且穩定地顯示讀數,而且精度很高。對實驗板進行了實車測量,結果證明了此方法的有效性。

   2　硬件電路設計
 
　　硬件部分包括信號采集單元、信號處理單元和顯示單元。信號采集單元由天線、放大、整形電路組成,由天線取得脈沖信號,經放大、整形后輸入信號處理單元;信號處理單元為單片　機,按鍵連接單片機的輸入,單片機的輸出連接顯示單元;脈沖信號經單片機處理后進行數字顯示。
 
　　2. 1　信號采集單元

　　天線集成在電路板上,在35~220 mm的測定范圍內,將轉速表靠近高壓軟線(無分電器的靠近高壓軟線束),高壓點火信號將被天線感應,通過RCL前端網絡耦合。由三極管組成共射放大電路對信號進行放大,如圖2所示。
         

　　由LM339組成的遲滯比較器對信號進行初步的整形。輸出的信號經過由CD4011組成的觸發電路和LM339組成的遲滯比較器進一步整形,如圖3所示。

 
2. 2　信號處理單元和顯示單元

采用AT89C4051作為控制核心,AT89C4051是基于MSC-51內核的簡化單片機,指令與標準的51單片機兼容,帶有4K可重新編程片上程序存儲器, 128B的數據存儲器,多達15條可編程I/O線, 2個16位定時器/計數器,片上模擬比較器, 1個標準串行通訊口,內部帶有振蕩器和時鐘電路。
 
顯示單元選擇6位8段的液晶顯示模塊LCM06XA.圖4為單片機與按鍵、液晶顯示器 等的接口電路。其中按鍵1和2用來選擇頁面設置汽缸和沖程參數。LED(發光二級管)在測量到脈沖信號時不斷閃爍。圖4中的S1為選擇開關,可選擇將整形 后的脈沖信號輸出給外部設備或通過單片機采樣計算出轉速然后顯示。
        
 
3　軟件程序設計
 
3. 1　主程序

　　(1)調用液晶初始化子程序。
　　(2)設置定時計數器T0、T1的工作方式和初值(T0和T1均設為16位定時器)。
　　(3)初始化中斷系統。
　　(4)循環檢測按鍵是否按下并刷新顯示屏。
 
3. 2　中斷服務程序
 
　　(1)T1溢出中斷子程序。在測量模式下工作,計算溢出次數。

　　(2)外部中斷子程序。圖4所示處理后的信號與外部中斷1連接,當信號的第2個上升沿到來時,開始讀取T1寄存器中的數值和溢出次數,并將它們清零,計算出1個周期的時間并存入平值濾波數組,開T1等待下一次中斷。

　　(3)T0定時中斷子程序。判斷轉速表工作模式,在設置模式下,T0用于0·5 s的顯示閃爍;在測量模式下,T0用于2 s的顯示刷新,每2 s計算1次轉速值并顯示。
 
3. 3　液晶初始化和顯示子程序

該程序完成LCD顯示模塊的顯示驅動。
 
4　實測結果

利用PROTEL軟件設計了硬件電路,利用KEIL C軟件完成了單片機程序的編寫,制作出實驗板,并且在實驗室和實地分別做了測試。
 
在實驗室使用頻率信號發生器作為信號源,測得誤差在0 .03%以內。在室外對某普通型號的摩托車(嘉爵JJ150T-4)、金杯牌普通化油器的汽車和豐田牌電噴汽車進行了實車測量。測量數據如表1所示,參考 值為日本小野測器SE-2500轉速表的測量數據。實測結果證明了采用脈沖周期測量法的轉速表測量準確,響應速度快,讀數穩定,而且成本低,適用于二沖 程、四沖程的單缸、多缸汽油機轉速測量以及汽油機的維修檢測及野外測量,有利于推廣。
         
 
5　結束語

設計的基于脈沖周期測量法的非接觸汽油機轉速表,采樣測量周期短,靈敏度高,測量數據精確,操作簡單,并且達到了很高的性價比。可廣泛用于發動機教學、科研和汽車、摩托車的檢修中,同時可以為其他汽車檢測設備提供準確的轉速信號。該設計已成功投入生產并銷售。