韓宇亮，陳 甜，鞠冀軍，王家宏，張浩然，沈 威

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316000；2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000)

船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速是監(jiān)測(cè)船舶航行過程穩(wěn)定性的一個(gè)重要運(yùn)行指標(biāo)，它實(shí)時(shí)反映了船舶主機(jī)的外界負(fù)荷變化[1]。因此，工作人員應(yīng)密切關(guān)注主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，確保及時(shí)了解航行速度，保障人員的安全。隨著造船工業(yè)向著高速化、自動(dòng)化方向發(fā)展,在數(shù)字化系統(tǒng)中通過單片機(jī)測(cè)量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，可使船舶更加高效運(yùn)轉(zhuǎn)，防止因柴油機(jī)轉(zhuǎn)速異常帶來安全隱患。同時(shí)，傳統(tǒng)主機(jī)測(cè)速環(huán)節(jié)采用帶相敏元件的交流測(cè)速電機(jī)，從成本、精度以及可靠性的角度考慮，都急需改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)測(cè)速

圖1 異步電機(jī)測(cè)速原理示意圖

用于船舶轉(zhuǎn)速指示儀的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器、齒輪與主機(jī)凸輪軸聯(lián)結(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將多個(gè)轉(zhuǎn)速指示儀并聯(lián)到輸出電壓側(cè)，分別傳輸?shù)今{駛室、集控室和主機(jī)機(jī)艙。但由于直軸方向的感生磁場為交變磁場，實(shí)際的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系[2]。此外考慮到勵(lì)磁電源、溫度、漏磁通和負(fù)載影響，此類型的測(cè)速原件無法達(dá)到高精度，而且這種方式測(cè)得的誤差越小，成本越高，對(duì)維護(hù)的要求也會(huì)越高。因此，需要設(shè)計(jì)一種簡單、精確、成本較低的測(cè)速系統(tǒng)。

2 基于單片機(jī)的數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)

基于單片機(jī)的主機(jī)測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理是將船舶主機(jī)的盤車機(jī)齒輪固定在軸上作為待測(cè)物體，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)磁脈沖傳感器接收后，送入集成運(yùn)算放大電路中，將正弦波信號(hào)放大，然后將放大后的信號(hào)接入到D型觸發(fā)器中。D型觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)特性，可以將正弦波轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的矩形波。然后單片機(jī)通過脈沖捕捉，將待測(cè)物體產(chǎn)生的頻率以一定比例進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后計(jì)算出相應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速數(shù)值會(huì)發(fā)送給駕駛臺(tái)和集控臺(tái)，同時(shí)在機(jī)旁數(shù)碼顯示模塊中顯示，數(shù)值中的正負(fù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的方向。磁脈沖傳感器原理示意圖如圖2所示。

圖2 磁脈沖傳感器原理示意圖

2.1 磁脈沖測(cè)速原理與組成

磁脈沖傳感器磁頭與盤車機(jī)齒輪頂之間保持一個(gè)較小的間隙。當(dāng)主機(jī)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁頭將交替對(duì)準(zhǔn)齒頂和齒槽，使所測(cè)得的電磁數(shù)值發(fā)生周期性的變化，最終傳感器獲得的信號(hào)將以脈沖的形式輸出[3]。磁脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)的頻率與主機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例，測(cè)速系統(tǒng)所得的信號(hào)頻率用f表示，通過所選齒輪的齒數(shù)z與信號(hào)頻率所得的頻率f以及齒輪在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速n，可以得到n=60f/z，r/s。

實(shí)際上，磁脈沖傳感器感應(yīng)的脈沖是很難精準(zhǔn)捕捉到的，直接獲得的正弦信號(hào)較弱，這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的變換處理[4]。將傳感器的輸出脈沖接入到放大電路的輸入端，對(duì)接收后的信號(hào)做過濾變換，使其質(zhì)量變得更好。過濾后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后借助D型觸發(fā)器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榍度胧叫酒茏R(shí)別的方波，最后將其輸出。

磁脈沖傳感器內(nèi)部有永磁鐵、軟磁芯、線圈，外部是由緊固螺母以及傳感器安裝架組成。齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪與磁鐵的距離在不斷產(chǎn)生變化，如果是齒頂正對(duì)磁鐵，那么磁阻減小，磁場增強(qiáng)，產(chǎn)生高電平信號(hào)；如果是齒谷正對(duì)磁鐵，那么磁阻增大，磁場減小，產(chǎn)生低電平信號(hào)。產(chǎn)生的高低電平信號(hào)就在不斷交替，從而產(chǎn)生的脈沖信號(hào)也在不斷變化，磁脈沖接口端有兩根線，其中一根線與大地相連接，另一根則是接入放大電路的輸入端。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程圖見圖3(R7為寄存器)。

圖3 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程圖

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能，首先需要一個(gè)最初定義值，將該最初值定義好后，單片機(jī)經(jīng)由自身運(yùn)算將得到的數(shù)值傳送到數(shù)碼管，數(shù)碼管會(huì)根據(jù)編寫的相應(yīng)代碼對(duì)得到數(shù)值進(jìn)行顯示。編程時(shí)要求主機(jī)在發(fā)生正反轉(zhuǎn)向變化時(shí)，能夠有對(duì)應(yīng)的函數(shù)代碼進(jìn)行指令轉(zhuǎn)換的接收，使其對(duì)轉(zhuǎn)向變化進(jìn)行正確判斷后，還能將這一現(xiàn)象反映在數(shù)值變化上。當(dāng)主機(jī)在進(jìn)行正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)出正轉(zhuǎn)指令對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管數(shù)值代碼，使正轉(zhuǎn)這一動(dòng)作可以正確的表現(xiàn)在數(shù)值變化上，顯示器上顯示的數(shù)值為正數(shù)；當(dāng)主機(jī)在進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)出對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)指令執(zhí)行的數(shù)值代碼，使反轉(zhuǎn)這一動(dòng)作可以正確的表現(xiàn)在數(shù)值變化上，顯示器上顯示的數(shù)值為負(fù)數(shù)。最后，整個(gè)程序的進(jìn)行需要調(diào)用延遲子程序。這樣，在對(duì)程序進(jìn)行修改之后，可以在仿真軟件上運(yùn)行，觀察結(jié)果是否與預(yù)期一致。

3 仿真調(diào)試

Proteus 能夠仿真單片機(jī)的 CPU 運(yùn)行狀況，更能仿真單片機(jī)的外圍電路，即仿真沒有單片機(jī)配合的另外電路的運(yùn)行狀況[5]。圖4為系統(tǒng)的仿真電路示意圖。

圖4 仿真電路示意圖

首先，系統(tǒng)將磁脈沖發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理轉(zhuǎn)化為方形波，然后將處理后的方形波信號(hào)通過單片機(jī)的P3.5接口接入程序中，使其在該系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行高速計(jì)算和運(yùn)行指令,得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。也可通過單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行模擬主機(jī)工況，判斷主機(jī)是正車運(yùn)轉(zhuǎn)還是倒車運(yùn)轉(zhuǎn)。如果主機(jī)是正車運(yùn)轉(zhuǎn)，則將單刀雙擲開關(guān)打到單片機(jī)的P1.6端口，這樣單片機(jī)在進(jìn)行信號(hào)處理并運(yùn)行完內(nèi)部相應(yīng)的程序之后，第一個(gè)數(shù)碼管(P0端口連接的)上的顯示屏不亮；如果此刻主機(jī)是倒車運(yùn)轉(zhuǎn)，單刀雙擲開關(guān)是打到單片機(jī)的P1.7端口，這樣單片機(jī)在進(jìn)行指令后并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的計(jì)算后，會(huì)在第一個(gè)數(shù)碼管(P0端口連接的)上顯示屏上顯示符號(hào)“—”。為了保證得到的數(shù)值更具有可行性，同時(shí)避免偶然誤差造成數(shù)值變化，需要在得到最后的結(jié)果時(shí)等1～2 s。

4 結(jié)果分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程以及結(jié)果進(jìn)行分析，首先得知,對(duì)于待測(cè)物體進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)都是正弦波。為了體現(xiàn)運(yùn)算放大電路及D型觸發(fā)器的作用，接入兩路到示波器的輸入端，一路正弦脈沖輸入直接接到示波器顯示正弦波的接口，另一路將正弦信號(hào)輸出給放大電路之后，再經(jīng)D型觸發(fā)器接入到示波器顯示矩形波的接口，可以在示波器上顯示出2種對(duì)應(yīng)的波形。

觸發(fā)器是一個(gè)具有記憶功能的信息存儲(chǔ)器件，其具有的2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)可以做波形發(fā)生觸發(fā)器的2個(gè)狀態(tài)，即“0”和“1”。當(dāng)正弦信號(hào)達(dá)到上下電壓閾值，觸發(fā)器會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。從仿真的結(jié)果看，可以非常明顯地看出原先經(jīng)過傳感器得到的正弦信號(hào)波經(jīng)過放大整形電路及D型觸發(fā)器后得到了完整的矩形波。同時(shí)在示波器上對(duì)原始信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的矩形波進(jìn)行對(duì)比分析，顯示裝置信號(hào)波形變換的功能運(yùn)行正常，符合主機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)束語

單片機(jī)主機(jī)測(cè)速的方式不但極大的簡化了系統(tǒng)，而且使控制精度和故障監(jiān)測(cè)更為靈敏，文中介紹的主機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)，可以接入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行每秒百萬次的數(shù)據(jù)輸出，精確可靠且維護(hù)成本低。磁脈沖測(cè)速系統(tǒng)也有不足之處，例如機(jī)艙電磁環(huán)境復(fù)雜時(shí)，特別是將來中壓電力系統(tǒng)(6.6 kV)的廣泛應(yīng)用，對(duì)傳感器的輸出將會(huì)有很大影響，有待進(jìn)一步改進(jìn)。