袁海兵，趙小輝

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程系，湖北 十堰 442002）

發(fā)動機綜合性能測試儀的設(shè)計

袁海兵，趙小輝

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程系，湖北 十堰 442002）

針對EQ6100發(fā)動機，開發(fā)了基于STC12C5A60單片機的發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、壓力、啟動電流、氧含量、進氣量等發(fā)動機主要參數(shù)的測試功能，針對不同的傳感器信號，設(shè)計了模擬和數(shù)字信號接口電路，人機界面友好，操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低。

發(fā)動機；綜合性能測試；STC12C5A60單片機

發(fā)動機是汽車主要的組成部件，是車輛行駛的動力來源，發(fā)動機的性能對整車性能至關(guān)重要［1-2］。在傳統(tǒng)發(fā)動機綜合性能檢測試驗臺的基礎(chǔ)上，針對東風(fēng)汽車公司發(fā)動機廠EQ6100發(fā)動機的出廠試驗，開發(fā)了以STC12C5A60單片機為核心的發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)，具有可靠，功能強大，適應(yīng)性強的特點，能滿足檢測現(xiàn)場的節(jié)拍需求，降低勞動強度。

1 測試信號和系統(tǒng)方案

結(jié)合內(nèi)燃機臺架試驗方法 （國家標(biāo)準GB-1105-87），針對EQ6100發(fā)動機的綜合測試，系統(tǒng)要求對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、空氣流量、節(jié)氣門位置、5路溫度信號（冷卻液進水溫度、冷卻液出水溫度、機油溫度、排氣溫度、進氣溫度）、3路壓力信號（機油壓力、進氣壓力、排氣壓力），以及啟動電流、電壓和氧含量等發(fā)動機主要參數(shù)進行采集、處理、顯示。系統(tǒng)要求能根據(jù)傳感器信號大小便于調(diào)節(jié)，具有合格參數(shù)設(shè)定、報警和打印功能。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗干擾性能，以適應(yīng)發(fā)動機測試現(xiàn)場的環(huán)境。檢測參數(shù)范圍及精度要求如表1所示。

發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)以STC12C5A60單片機為核心控制器，由傳感器，信號預(yù)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，打印機和鍵盤、顯示、報警系統(tǒng)等組成。

STC12C5A60單片機為宏晶公司生產(chǎn)，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)與標(biāo)準8051單片機兼容，具有60kB Flash ROM，1280B RAM，1kB EEPROM，2個USART接口，1個SPI接口，具有4個16位定時計數(shù)器，8通道10位A/D接口，AD轉(zhuǎn)換速率高達250kHz，抗干擾能力強，支持在線編程功能（ISP），能夠滿足發(fā)動機性能檢測系統(tǒng)所需的各項要求。

表1 檢測參數(shù)范圍及精度

2 檢測接口設(shè)計

用于發(fā)動機測試的傳感器輸出信號主要有兩類，模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號主要通過濾波和放大進行信號預(yù)處理，對于數(shù)字信號，主要是波形整理［3-5］。

2.1 模擬信號接口

發(fā)動機綜合性能測量儀中，有流量、溫度、壓力等一共13路模擬輸出傳感器，具有1 mV～±10 V之間的輸出信號，這些傳感器具有多種輸出阻抗，為避免負載誤差，與傳感器相連的測量系統(tǒng)必須具有高輸入阻抗，又由于測量發(fā)動機性能的傳感器輸出信號大小不一樣，放大器需要不同的增益。采用圖1所示的接口進行模擬信號處理，主要有濾波處理及阻抗匹配處理接線板、PGA117可編程增益放大器、單片機STC12C5A60的ADC通道、串行SPI接口組成。

模擬傳感器輸出信號不一樣，信號預(yù)處理方法也不同。溫度、壓力、節(jié)氣門位置、空氣流量等模擬信號其幅值為（0～5）V，變化緩慢，由可變電阻、可變電容，放大器LM324組成低通濾波器，消除干擾，濾波頻率由

計算，改變電阻和電容的數(shù)值可實現(xiàn)不同的濾波截止頻率。對于氧含量等幅值較小的信號，其幅值為（0～1）V，為提高A/D轉(zhuǎn)換器精度，需先進行初步放大處理。對于啟動電壓，幅值較大，先降壓后再進行測量，啟動電流信號，其峰值可達100 A以上，利用電流互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準信號后再進行測量。對于mv級的電壓和電流信號，利用儀表放大器INA114進行差分處理，消除傳輸干擾，提高精度。

經(jīng)過預(yù)處理后的模擬信號，經(jīng)PGA117統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為（0～5）V的模擬電壓信號。PGA117為10通道輸入（MUX）可編程增益放大器，可實現(xiàn)1、2、5、10、20、50、100及200倍的增益，具有標(biāo)準的SPI串行接口，利用SPI串行總線，單片機STC12C5A60可單獨設(shè)立每個模擬輸入通道的增益大小。由于發(fā)動機測量儀中具有13路模擬信號，采用2片PGA117芯片組成20個可編程增益的模擬輸入通道。PGA117與單片機的SPI串行總線相連，時鐘信號引腳SCLK與STC12C5A60的SCLK/P1.7引腳相連，數(shù)據(jù)引腳DIO與STC12C5A60的MOSI/P1.5引腳相連，2片PGA117的片選引腳 CS分別由STC12C5A60的P1.3和P1.4引腳控制。經(jīng)放大后的模擬信號由PGA117的引腳Vout輸出，分別進入單片機 STC12C5A60的 ADC0、ADC1通道 。STC12C5A60單片機具有10位A/D接口，精度可達0.1%，轉(zhuǎn)速速率高達250kHz，即使在多通道輪詢采樣的情況下，也能夠滿足系統(tǒng)的測量要求。這種接口具有控制靈活，擴充方便的特點。

2.2 數(shù)字信號接口

對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，曲軸轉(zhuǎn)速等數(shù)字信號，在發(fā)動機測試現(xiàn)場，由于傳輸過程中衰減、空間輻射干擾等原因，波形容易失真，采用施密特觸發(fā)器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的數(shù)字脈沖信號，利用計數(shù)器進行速度測量。

系統(tǒng)采用定時/計數(shù)器8254進行測量，可同時對3路數(shù)字信號進行測量，由單片機STC12C5A60內(nèi)部16位定時器實現(xiàn)單位時間定時，利用8254進行計數(shù)，完成轉(zhuǎn)速的測量。定時/計數(shù)器8254采用并行接口方式與STC12C5A60單片機相連。

3 人機接口設(shè)計

系統(tǒng)采用3×2行列鍵盤進行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)直接存儲在STC12C5A60單片機片內(nèi)的EEPROM中。由于LED數(shù)碼管具有色彩鮮艷，可視角度寬等優(yōu)點，適合用于發(fā)動機的測試現(xiàn)場，系統(tǒng)采用32位LED數(shù)碼管顯示測量值。檢測系統(tǒng)的按鍵及顯示面板如圖2所示。

系統(tǒng)采用6個按鍵，其中5個完成參數(shù)設(shè)置，1個控制打印功能，由于系統(tǒng)中測量參數(shù)較多，將被測參數(shù)分為2組：組1和組2。參數(shù)設(shè)置的具體步驟：在系統(tǒng)正常顯示狀態(tài)下按“SET”鍵，系統(tǒng)進入組號選擇設(shè)置狀態(tài)，顯示組號的數(shù)碼管開始閃爍，提示可以修改。通過“∧”“∨”按鍵改變組號（1或2），完成組號修改后，按下“＞”鍵，進入與組號相對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，最左邊的數(shù)碼管開始閃爍，提示可以修改，這時由“∧”“∨”按鍵進行參數(shù)選擇，順序從左到右、從上到下。參數(shù)確定后，按下“＞”鍵，進入選定參數(shù)設(shè)置，當(dāng)前數(shù)據(jù)閃爍，通過“∧”“∨”按鍵改變各項參數(shù)的上限值。修改完成后，按“SET”鍵，進入下一個參數(shù)的選擇狀態(tài)。設(shè)置中通過“ESC”按鍵可取消當(dāng)前操作。

由8279芯片實現(xiàn)3×2鍵盤和32位數(shù)碼管控制，能對鍵盤、LED數(shù)碼管自動掃描，具有顯示穩(wěn)定、程序簡單的特點。8279芯片采用標(biāo)準的8位并行接口與STC12C5A60單片機相連。

系統(tǒng)帶有微型嵌入式打印機，能對發(fā)動機的所有測量數(shù)據(jù)進行打印，便于數(shù)據(jù)分析。嵌入式打印機采用并行接口與STC12C5A60單片機相連。

4 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由Keil C語言開發(fā)完成，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、8279鍵盤/顯示、報警以及打印等功能模塊組成。主程序流程如圖3所示，主程序采用循環(huán)掃描方式，運行后完成對各個器件的初始化操作，判斷按鍵狀態(tài)，然后對發(fā)動機的各項參數(shù)逐一檢測。

程序中的時間和采樣頻率控制，利用STC12C5A60單片機片內(nèi)16位定時器，形成1ms的中斷定時基準，在循環(huán)掃描主程序中通過軟件變量記數(shù)的方法分別實現(xiàn)10ms、100ms、1s、2s的定時，針對不同的檢測信號，實現(xiàn)不同的采樣頻率，對于啟動電流、電壓等變化快的信號，每10ms采樣一次，即采樣頻率為100Hz,對于溫度、壓力等變化較緩慢的信號，每100ms采樣一次，即采樣頻率為10Hz，轉(zhuǎn)速等數(shù)字脈沖信號，每1s計算一次速度，利用軟件能靈活的控制不同信號的采樣頻率。為防止LED顯示器數(shù)值變化太快產(chǎn)生閃爍，每2s更新一次8279芯片中的數(shù)據(jù)，這種方法加快了主程序的掃描速度，提高了效率。

5 結(jié)束語

通過對發(fā)動機出廠試驗時的工況特點和各參數(shù)要求的分析，以EQ6100發(fā)動機為基本研究原型，開發(fā)了基于STC12C5A60單片機的發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)能適用于EQ6100發(fā)動機檢測的各類傳感器，對信號的調(diào)理和擴充方便，穩(wěn)定可靠，人機界面友好，成本低，對于類似的發(fā)動機性能檢測也有一定的參考意義。

［1］劉越琪，郁春蘭.發(fā)動機綜合性能計算機檢測系統(tǒng)［J］.交通與計算機，2002，20（3）：43-45.

［2］郁春蘭，劉越琪.計算機在發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.南昌大學(xué)學(xué)報：工科版，2002，24（2）：89-92.

［3］路小娟，朱正平.基于虛擬儀器汽車發(fā)動機檢測儀的開發(fā)［J］.自動化與儀器儀表，2010，（1）：96-100.

［4］孫培峰，陶偉華.基于Internet的汽車發(fā)動機綜合性能檢測系統(tǒng)［J］.農(nóng)機化研究，2004，（3）：222-224.

［5］吳克剛，鐘益斌.發(fā)動機綜合性能仿真系統(tǒng)［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，24（5）：111-114.

Design of Engine Comprehensive Performance Tester

Yuan Haibing，Zhao Xiaohui
(Dept.of Mechanical Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China)

Aiming at the engine EQ6100,comprehensive performance testing system for engines based on the MCU STC12C5A60 is developed,the test functions of main parameters about the engine are accomplished,including engine speed,water temperature,oil temperature,pressure,starting current,oxygen content,air input，etc;and the interface circuit of analog signal and digital signal is designed for different sensor signals.The system has a friendly man-machine interface,convenient operation and a low cost.

engine;comprehensive performance test;MCU STC12C5A60

TP273

A

1008-5483(2011)01-0046-04

2010-12-17

袁海兵（1977-），男，湖北紅安人，碩士，主要從事測試與控制技術(shù)研究。