新型智能型曲軸臂距差測(cè)量儀的研制

張雙喜，林金表，陳 武

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021)

1 新型智能曲軸臂距差測(cè)量儀的硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的無線曲軸臂距差測(cè)量儀系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)將微位移傳感器、AD574A、單片機(jī)1和無線模塊一端組成臂距差測(cè)量儀的微位移數(shù)據(jù)采集端；角度檢測(cè)模塊、單片機(jī)2、無線模塊一端及液晶顯示等作為臂距差信號(hào)分析處理端。臂距差測(cè)量的是曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個(gè)位置臂距差數(shù)值，單片機(jī)2根據(jù)檢測(cè)到的曲柄角度，通過無線模塊來通知數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行臂距差采集；單片機(jī)1控制微位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號(hào)通過調(diào)理電路以及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)；單片機(jī)1將采集到的臂距差信號(hào)與其角度一一對(duì)應(yīng)暫存；待收到單片機(jī)2的發(fā)送臂距差指令時(shí)，單片機(jī)1將臂距差值通過無線模塊發(fā)送給單片機(jī)2；再由單片機(jī)2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理以及顯示。[1-3]

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1測(cè)量儀的數(shù)據(jù)采集端

1．1．1 霍爾傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)

霍爾傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳感器部分的設(shè)計(jì)選用了1片AH49E線性霍爾元件和2塊Φ3 mm的磁鋼，兩塊磁鋼同極性相對(duì)放置。其他結(jié)構(gòu)選用鋁質(zhì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免對(duì)磁鋼產(chǎn)生干擾。設(shè)計(jì)了調(diào)距螺栓，以滿足不同結(jié)構(gòu)的曲軸臂距差的測(cè)量要求。

圖2 霍爾傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1．1．2 測(cè)量儀的數(shù)據(jù)采集端硬件電路

測(cè)量儀的數(shù)據(jù)采集端電路如圖3所示。測(cè)量儀的數(shù)據(jù)采集端電路包括信號(hào)放大和濾波、AD轉(zhuǎn)換以及無線模塊。信號(hào)放大選用TL071，采用差動(dòng)放大。因霍爾傳感器靜態(tài)輸出電壓是2.5 V左右，需去除靜態(tài)輸出電壓，只放大信號(hào)微變部分。圖中Vin是AH49E在磁鋼作用下輸出電壓值，Vi為AH49E在無磁鋼作用輸出的靜態(tài)工作電壓值。傳感器工作在比較復(fù)雜和惡劣的環(huán)境，系統(tǒng)選用濾波器LTC1569對(duì)放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波。經(jīng)濾波器輸出的電壓信號(hào)需要加電壓跟隨器，這是因?yàn)長TC1569芯片輸出的阻抗比較高，需要電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，從而降低輸出阻抗提高負(fù)載[5]。

AD轉(zhuǎn)換器件選用的是12位逐次逼近型AD574A。AD574A芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，而無須附加邏輯接口電路。單片機(jī)控制 AD574A的讀出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制線R/C以及控制片選線CS，WR、RD引腳經(jīng)過與非門74HC00接到 AD574A的使能端CE引腳，任意有效信號(hào)使能 AD芯片。

圖3 數(shù)據(jù)采集端電路

無線模塊選用NORDIC生產(chǎn)的nRF24L01。無線模塊nRF24L01的外接引腳CE、CSN、SCK、MISO、MOSI分別與單片機(jī)的P1．0-P1．4引腳相連，IRQ引腳與單片機(jī)的INT0口連接。nRF24L01正常工作電壓在3.3 V左右，系統(tǒng)采用直流5 V電源供電，所以需要將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V左右。在nRF24L01電源引腳前加3個(gè)串聯(lián)的二極管，利用二極管正向壓降，可以將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3 V左右，以滿足nRF24L01正常工作電壓。

1．2測(cè)量儀信號(hào)分析處理段

1．2．1 曲柄角度檢測(cè)模塊

曲柄角度檢測(cè)模塊示意圖如圖4所示。該模塊主要利用開關(guān)型霍爾傳感器在磁鋼的作用下會(huì)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來控制是否對(duì)曲軸臂距差進(jìn)行采集。在檢測(cè)柴油機(jī)某一缸的臂距差時(shí)，將5個(gè)磁鋼固定安裝在主機(jī)的盤車機(jī)上，這5個(gè)磁鋼的位置與曲柄臂所處的臂距差測(cè)量位置相對(duì)應(yīng)，即曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個(gè)角度。開關(guān)型霍爾元件安裝在盤車機(jī)臺(tái)上，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到與霍爾開關(guān)相近的位置時(shí)，霍爾開關(guān)就會(huì)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，將該信號(hào)傳輸給單片機(jī)2。單片機(jī)2將角度信號(hào)發(fā)射給單片機(jī)1，單片機(jī)1根據(jù)角度信號(hào)采集對(duì)應(yīng)的臂距差數(shù)據(jù)。

圖4 曲柄角度檢測(cè)模塊示意圖

1．2．2 信號(hào)分析處理端硬件電路

信號(hào)分析處理端電路圖如圖5所示，包括無線模塊、單片機(jī)2(AT89C52)、曲柄角度采集模塊、液晶顯示、功能按鍵以及串口通信模塊。曲柄采集模塊即通過霍爾開關(guān)A3144E采集曲柄的角度，將數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)2的P1．7引腳。單片機(jī)2采用定時(shí)1 ms中斷，檢測(cè)霍爾開關(guān)是否采集到角度，若傳感器已采集到角度數(shù)據(jù)，立刻執(zhí)行無線模塊發(fā)射程序，將角度信號(hào)傳送給單片機(jī)1進(jìn)行臂距差數(shù)據(jù)采集。為了能直接的觀察和記錄測(cè)得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用LCD12864液晶顯示模塊作為人機(jī)交互界面，同時(shí)設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵：返回鍵、上翻建、下翻鍵以及確定鍵。單片機(jī)定時(shí)中斷掃描鍵盤模塊，檢測(cè)到哪個(gè)功能鍵按下，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作并且通LCD12864進(jìn)行相應(yīng)的顯示操作。設(shè)計(jì)了RS-232通訊接口的目的是方便將采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理和存儲(chǔ)。

2 新型智能曲軸臂距差測(cè)量儀的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6、圖7所示。該系統(tǒng)的程序流程圖分為單片機(jī)1端和單片機(jī)2端兩部分。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)2端通過霍爾開關(guān)檢測(cè)角度信號(hào)，利用無線模塊將角度信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)1端。5點(diǎn)角度傳輸完成后，等待接收單片機(jī)1端傳送回來的臂距差信號(hào)。單片機(jī)2端收到臂距差信號(hào)后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及顯示。

單片機(jī)1端在系統(tǒng)上電后檢測(cè)是否收到單片機(jī)2端傳送的角度信號(hào)。在收到角度信號(hào)時(shí)，即采集該角度對(duì)應(yīng)的臂距差數(shù)據(jù)并暫存。5點(diǎn)采集完成后，單片機(jī)1通過無線模塊將五點(diǎn)臂距差數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)2端。

3 誤差分析

造成實(shí)驗(yàn)誤差有很多情況，文中出現(xiàn)誤差的情況有：機(jī)械制造工藝不高導(dǎo)致兩塊磁鋼不能精準(zhǔn)的相對(duì)放置，致使線性霍爾元件兩邊磁場(chǎng)分布不勻稱；霍爾元件是由半導(dǎo)體制作而成，溫度的變化會(huì)對(duì)其精準(zhǔn)測(cè)量造成影響；當(dāng)霍爾元件通控制電流時(shí)，電流會(huì)產(chǎn)生自激磁場(chǎng)，若電極引線不對(duì)稱，霍爾元件兩邊磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，將有自激場(chǎng)的零位電勢(shì)輸出。

圖5 信號(hào)分析處理端電路

圖6 單片機(jī)1端程序流程圖

圖7 單片機(jī)2端程序流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)的線性霍爾微位移傳感器，在單片機(jī)的控制下能采集到的微位移數(shù)據(jù)。無線射頻模塊nRF24L01能夠準(zhǔn)確的將位移數(shù)據(jù)發(fā)送到主控單片機(jī)上，并進(jìn)行顯示。圖8是實(shí)驗(yàn)得到的線性霍爾傳感器的電壓與位移的關(guān)系變化圖。從圖中可以直觀的看出霍爾元件的電壓變化與位移是按照近似線性關(guān)系變化的，且測(cè)量精度可以達(dá)到0.005 mm．

圖8 位移與霍爾元件輸出電壓變化的關(guān)系圖

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的無線曲軸臂距差測(cè)量儀，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中工作性能穩(wěn)定，無線傳輸距離能夠滿足臂距差測(cè)量要求；自行設(shè)計(jì)的微位移霍爾傳感器測(cè)量精度能夠達(dá)到0.005 mm；曲柄角度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了臂距差的連續(xù)測(cè)量，解決了有線數(shù)顯式測(cè)量儀的缺陷。為輪機(jī)員進(jìn)行曲軸臂距差測(cè)量工作帶來方便，提高了工作效率。測(cè)量儀選用常用低成本元器件，產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比和應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：張雙喜(1987—)，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代輪機(jī)管理工程的研究。E-mail：zhangsx_anhui@126．com