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摘要
喷油泵是柴油机燃料供给系统中最精密的部件,被称为柴油机的“心脏”,是柴油机各项技术性能的控制机构。
它根据柴油机的转速均匀分配汽缸的进油量。
喷油泵由油泵机构、供油量调节机构、驱动机构、喷油泵体组成。
喷油泵又称为高压油泵,它根据柴油机不同的运转情况,将燃油输送泵送来的低压油提升压力,在预定的时间内将相应的油量按一定规律压送到喷油器。
喷油泵试验台作为测试、调整喷油泵油泵参数的专用设备,在喷油泵的制造与维修中发挥着重要的作用。
本系统以AT89C51,AT89C2051单片机为核心,主要包括传感器温度采集,A/D模/数转换,按扭操作,单片机控制,数码管数字显示等部分。
本系统采用PID算法实现温度控制功能,通过串行通信完成两片单片机信息的交互而实现温度设定、控制和显示。
本设计还可以通过串口与上位机(电脑)连接,实现电脑控制。
系统设计有体积小、交互性强等优点。
为了实现高精度的油温控制,本单片机系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术,通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开,从而改变油温加热时间的方法来实现对油温的控制。
本系统主要由键盘显示和温度控制两个模块组成,通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、温度升降等功能。
具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。
关键词:
喷油泵试验台微机测控系统单片机温度测控硬件模块
Abstract
Injectiondieselfuelsupplysystemisthemostprecisecomponents,calledthedieselengine’sheart,thetechnicalperformanceofthedieselenginecontrolagencies.Itaccordingtotherotatingspeedofdieselenginecylinderinputquantityofuniformdistribution.Byfuelpumpinstitutions,injectionquantityadjustingmechanism,drivingmechanism,fuelinjectionpumpbodycomposition.Fuelpump,italsocalledhighpressurediesel,accordingtodifferentoperation,willfuelpumptheoilpressurebroughtlow,atapredeterminedascensiontimecorrespondingoilamountaccordingtocertainrulespressuretosendtheinjectorbody.Asatest,adjustthepumptest-bedforspecialequipmentoffueloilpumpparametersinthemanufactureandrepairtheinjectionplaysanimportantrole.
ThissystembasedonAT89C51,AT89C2051singlechip,mainlyincludingsensortemperaturegathering,analog-to-digitalconversion,buttonoperation,SCM,partsuchasdigitaltubedigitaldisplay.ThesystemusesthePIDalgorithmtorealizetemperaturecontrolfunction,throughserialcommunicationfinishtwomicrocontrollerinformationinteractionandrealizethetemperaturesetting,controlanddisplay.Thisdesigncanbethroughaserialportandsuperordinationmachine(computer)connections,realizethecomputercontrol.Systemdesignhassmallvolume,interaction,strong,etc.Inordertorealizehighprecisionoiltemperaturecontrol,SCMsystemadoptsPIDalgorithmcontrolandPWMpulsewidthmodulationcombinationoftechnology.Throughcontrollingthebidiretionalthyristorchangefurnaceandpowersupply,andtheconnected,disconnectchangetheoiltemperatureheatingtimewaytoimplementthecontrolofoiltemperature.Thissystemmainlyconsistsofakeyboarddisplayandtemperaturecontroltwomodules,throughthecommunicationbetweenmodulesfinishfunctiontotemperaturesetting,solidtemperaturedisplay,temperatureliftetc.Withsimplestructure,proceduresshortcircuit,thesystemreliability,simpleoperation,etc.
Keywords:
pumptest-bed,microcomputerdetection-controlsystem,microcontroller,temperaturemeasurementandcontrol,hardwaremodules
目录
第一章绪论1
1.1喷油泵试验台1
1.2温度控制系统概述1
1.2.1温度控制1
1.2.2燃油温度1
1.3设计任务和要求2
第二章系统设计原理与方案论证3
2.1总体框图3
2.2总体方案论证3
2.3各部分电路方案论证4
2.3.1温度采样部分4
2.3.2键盘显示部分4
2.3.3控制电路部分4
第三章硬件电路设计与计算6
3.1温度采样和转换电路6
3.2温度控制电路7
3.3单片机控制部分8
3.4键盘及数字显示部分8
第四章实验测试11
4.1循环显示“HELLO888”11
4.2键盘及数字显示结合11
4.3温度设定和传送电路14
4.4PWM电压输出电路19
第五章温度控制系统的通用硬件22
5.1AT89C51单片机简介22
5.2AD590传感器简介24
5.3ADC0809芯片简介25
致谢27
总结与展望28
课题总结28
课题意义28
参考文献29
附录元器件清单30
第一章绪论
1.1喷油泵试验台
随着世界柴油机行业的飞速发展,以及世界环保组织逐渐加强防治环境污染问题,柴油机喷射装置的正确转变就变得越来越重要。
为了达到柴油机的最佳运转、最小油耗和减少废气排放能够的目的,就必须在发动机的生产以及使用过程中尽量标准燃油系统。
因此,研究柴油机案有系统的测量工具“喷油泵试验台”具有重要意义。
喷油泵试验台的主要用途是检测和调整喷油泵在各种工况时的喷油量及各缸喷油间隔角。
衡量喷油泵试验台性能和质量的一个重要指标就是喷油量测量的精确性。
目前国内喷油泵试验台的油量系统仍采用传统的量筒式计量法。
该测量系统存在量筒的制造误差、刻度误差和测量人员的视觉误差等,使测量系统的系统误差较大、自动化程度低、测量过程缓慢,已不能满足现代喷油泵对其测量精度的要求。
将微机引入喷油泵试验台,对实现检测自动化提高检测精度和效率,增加检测功能有一定的实际意义和经济效益。
结合实际情况,对原有电子控制喷油泵试验台进行改造、设计、开发,将单片机和计算机引入喷油泵试验台,设计一套监控系统,用单片机作为下位机控制试验台,用计算机作上位机,在基于Windows的操作界面下用预先编制好的监控软件控制单片机,既操作简单,对实现检测自动化、提高检测精度和效率、增加检测功能又有重要的现实意义。
1.2温度控制系统概述
1.2.1温度控制
在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中,温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。
在环境恶劣或温度较高等场合下,为了保证生产过程正常安全地进行,提高产品的质量和数量,以及减轻工人的劳动强度、节约能源,要求对加热炉炉温进行测、显示、控制,使之达到工艺标准,以单片机为核心设计的炉温控制系统,可以同时采集多个数据,并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。
那么无论是哪种控制,我们都希望温度控制系统能够有很高的精确度(起码是在满足我们要求的范围内),帮助我们实现我们想要的控制,解决身边的问题。
1.2.2燃油温度
国家标准规定喷油泵油缸的温度必须控制在38℃-42℃时对一定喷油次数下喷油量的检测,油缸内的油压测量才是准确的,因此在整个下腭孔过程中必须使喷油泵油缸中的油温稳定在38℃-42℃的范围之内。
但由于环境温度,电机转速过高时机械摩擦等因素的影响会使油温升高或降低,从而不易稳定在一定范围之内,所以要利用温度传感器来监控这一温度信号。
1.3设计任务和要求
1.基本要求
油温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动调整,以保持设定的温度基本不变。
2.主要性能指标
①温度设定范围:
35℃-42℃,最小区分度为
。
②控制精度:
温度控制的静态误差
。
③用十进制数码显示实际温度。
④能打印实际油温值。
3.扩展功能
①具有通信能力,可接受其他数据设备发来的命令,或将结果传送到其他数据设备。
②采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时,减小系统的调节时间和超调量。
温度控制的静态误差≤1℃。
能自动显示油温随时间变化的曲线。
第二章系统设计原理与方案论证
2.1总体框图
图2-1单片机控制系统原理框图
该油温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道(温度采样转换电路)、后向通道(温度控制电路)、键盘显示电路等四部分组成,其总体设计框图如上图所示。
2.2总体方案论证
本课题是设计制作一个柴油机喷油泵油温控制系统,要求能在35℃--95℃范围内设定控制油温,并具有较好的快速性和较小的超调,以及十进制数码管显示等功能。
总体方案设计及论证
根据课题的要求,我们提出了以下的两种方案:
方案1:
此方案是采用传统的二位模拟控制方法,选用模拟电路,用电位器设定给定值,采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后,决定加热或者不加热。
由于采用模拟控制方式,系统受环境的影响大,不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高,而且不能用数码显示和键盘设定。
方案2:
采用单片机AT89C51为核心。
采用了温度传感器AD590采集温度变化信号,A/D采样芯片ADC0809将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度,使其达到稳定。
使用单片机具有编程灵活,控制简单的优点,使系统能简单的实现温度的控制及显示,并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
比较上述两种方案,方案2明显的改善了方案1的不足及缺点,并具有控制简单、控制温度精度高的特点,因此本设计电路采用方案2。
2.3各部分电路方案论证
本电路以单片机为基础核心,系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。
现将各部分主要元件及电路做以下的论证:
2.3.1温度采样部分
方案1:
采用热敏电阻,可满足35℃--95℃的测量范围,但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差,对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。
方案2:
采用温度传感器AD590。
:
AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。
其测量范围在-50℃--+150℃,满刻度范围误差为±0.3℃,当电源电压在5—10V之间,稳定度为1﹪时,误差只有±0.01℃,其各方面特性都满足此系统的设计要求。
此外AD590是温度-电流传感器,对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
经上述比较,方案2明显优于方案1,故选用方案2。
2.3.2键盘显示部分
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分,所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
方案1:
采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成,可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号,并对LED显示控制。
用8279和键盘组成的人机控制平台,能够方便的进行控制单片机的输出。
方案2:
采用单片机AT2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统,并用2051的串口对主电路的单片机进行通信,这种方案既能很好的控制键盘及显示,又为主单片机大大的减少了程序的复杂性,而且具有体积小,价格便宜的特点。
对比两种方案可知,方案1虽然也能很好的实现电路的要求,但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能,我们采用方案2。
2.3.3控制电路部分
方案1:
采用8031芯片,其内部没有程序存储器,需要进行外部扩展,这给电路增加了复杂度。
方案2:
本方案的CPU模块采用2051芯片,其内部有2KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器。
但由于系统用到较多的I/O口,因此此芯片资源不够用。
方案3:
采用AT89C51单片机,其内部有8KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器,而且它的I/O口也足够本次设计的要求。
比较这3种方案,综合考虑单片机的各部分资源,因此此次设计选用方案3。
设计电路图如图2-2 所示:
图2-2 AT89C51单片机原理图
第三章硬件电路设计与计算
本电路总体设计包括四部分:
主机控制部分(89C51)、前向通道(温度采样和转换电路)、后向通道(温度控制电路)、键盘显示部分。
3.1温度采样和转换电路
系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、基准电压7812、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0809四部分组成。
设计电路图如图3-1所示:
图3-1 温度采样和转换电路原理图
(1) AD590性能描述
测量范围在-50℃--+150℃,满刻度范围误差为±0.3℃,当电源电压在5—10V之间,稳定度为1﹪时,误差只有±0.01℃ 。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA。
(2)基准电压7812提供12V标准电压,它与运算放大器OP-07和电阻组成信号转换与放大电路,将35℃--95℃的温度转换为0—5V的电压信号。
(3)ADC0809性能描述
ADC0809为8位逐次逼近型A/D转换器,其输入电压范围在0—5v,转换速度为100us,转换精度为0.39﹪,对应误差为0.234℃。
满足系统的要求。
(4)电路原理及参数计算
温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量,再通过OP-07将电流量转换成电压量,通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。
图3-1中三端稳压7812作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放OP-07的反向输入端
(2脚)的电压为零伏。
当输出电压为零伏时(即Uo=0V) ,令7812的输出电压为
=12V,OP-07的2脚处为A点,AD590的转换电流为
。
列出A点的结点方程如下:
(1)
由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为308.2uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流等于308.2uA, 三端稳压7812的输出电压为12V所以由方程
(1)得
=
=38.94k
(2)
由
(2)取电阻R1=30k , R2=20k的电位器。
又由于ADC0804的输入电压范围为0—5V ,为了提高精度所以令油温为95℃时ADC0804的输入电压为5v(即Uo=5v)。
此时列出A点的结点方程如下:
(3)
当油温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA。
由方程式(3)得
+
=83.33k因此取
=81k ,
=5k的电位器。
3.2温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。
采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例,以通断控制调压法控制电炉的输入功率。
MOC3041光电耦合器的耐压值为400v,它的输出级由过零触发的双向可控硅构成,它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。
100Ω电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。
控制部分电路图如图3-2所示:
图3-2 温度控制电路原理图
3.3单片机控制部分
此部分是电路的核心部分,系统的控制采用了单片机AT89C51。
单片机AT89C51内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。
因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
电路原理图如图3-3所示:
图3-3 单片机控制电路部分原理图
3.4键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时,我们使用单片机2051作为电路控制的核心,单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口,利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。
键盘/显示接口电路如图3-4、3-5所示:
图3-4 键盘部分电路
图3-5 显示部分电路
图3-4中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚,这样易于对数码管的译码,使数码管能显示设计者所需的各数值、符号等等。
单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138,译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘,键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O,减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计,考虑到单片机2051的端口资源有限,所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式(如图3-4),键盘的扫描除了和显示共用的8个端外,另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。
图3-6译码显示部分
如图3-5的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口,有效的利用了单片机的资源。
第四章实验测试
4.1循环显示“HELLO888”
编一小程序,实现数码管八跑马——循环显示“HELLO888”。
源程序如下:
RG0000H
HL:
MOVP1,#89H
MOVP3,#00H
ACALLDELAY
MOVP1,#86H
MOVP3,#08H
ACALLDELAY
MOVP1,#0C7H
MOVP3,#10H
ACALLDELAY
MOVP1,#0C7H
MOVP3,#18H
ACALLDELAY
MOVP1,#0C0H
MOVP3,#20H
ACALLDELAY
MOVP1,#80H
MOVP3,#28H
ACALLDELAY
MOVP1,#80H
MOVP3,#30H
ACALLDELAY
MOVP1,#80H
MOVP3,#38H
ACALLDELAY
LJMPHL
DELAY:
MOVR0,#0DFH
D1:
MOVR1,#0FFH
DJNZR1,$
DJNZR0,D1
RET
4.2键盘及数字显示结合
编一小程序,实现键盘及数字显示结合——按键盘1数码管显示1,按键盘2数码管显示3,按键盘3数码管显示3,按键盘4数码管显示4,按键盘5数码管显示5,按键盘6数码管显示6,按键盘7数码管显示7,按键盘8数码管显示8,按键盘9数码管显示9,按键盘10数码管显示A,按键盘11数码管显示b,按键盘12数码管显示C,按键盘13数码管显示d,按键盘14数码管显示E,按键盘15数码管显示F。
源程序如下所示:
ORG0000H
MOVP1,#8CH
LL:
ACALLHH
ACALLL0
ACALLL1
ACALLL2
ACALLL3
ACALLL4
ACALLL5
ACALLL6
ACALLL7
SJMPLL
L0:
CLRP3.5
CLRP3.4
CLRP3.3
JNBP3.2,H0
JNBP3.7,E0
RET
H0:
JBP3.2,Y0
SJMPH0
Y0:
MOVP1,#88H
ACALLHH
SJMPLL
E0:
JBP3.7,F0
SJMPE0
F0:
MOVP1,#0F9H
ACALLHH
SJMPLL
L1:
CLRP3.5
CLRP3.4
SETBP3.3
JNBP3.2,H1
JNBP3.7,E1
RET
H1:
JBP3.2,Y1
SJMPH1
Y1:
MOVP1,#83H
ACALLHH
LJMPLL
E1:
JBP3.7,F1
SJMPE1
F1:
MOVP1,#0A4H
ACALLHH
SJMPLL
L2:
CLRP3.5
SETBP3.4
CLRP3.3
JNBP3.2,H2
JNBP3.7,E2
RET
H2:
JBP3.2,Y2
SJMPH2
Y2:
MOVP1,#0C6H
ACALLHH
LJMPLL
E2:
JBP3.7,F2
SJMPE2
F2:
MOVP1,#0B0H
ACALLHH
LJMPLL
L3:
CLRP3.5
SETBP3.4
SETBP3.3
JNBP3.2,H3
JNBP3.7,E3
RET
H3:
JBP3.2,Y3
SJMPH3
Y3:
MOVP1,#0A1H
ACALLHH
LJMPLL
E3:
JBP3.7,F3
SJMPE3
F3:
MOVP1,#99H
ACALLHH
LJMPLL
L4:
SETBP3.5
CLRP3.4
CLRP3.3
JNBP3.2,H4
JNBP3.7,E4
RET
H4:
JBP3.2,Y4
SJMPH4
Y4:
MOVP1,#86H
ACALLHH
LJMPLL
E4:
JBP3.7,F4
SJMPE4
F4:
MOVP1,#92H
ACALLHH
LJMPLL
L5:
SETBP3.5
CLRP3.4
SETBP3.3
JNBP3.2,H5
JNBP3.7,E5
RET
H5:
JBP3.2,Y
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