（机械制造及其自动化专业论文）质量式智能型喷油泵试验台量油装置的研制.pdf

中文摘要 柴油机喷油泵性能的好坏直接决定着柴油机的动力性、经济性及排放，喷油 泵试验台是柴油机车制造和修理厂检验、调整喷油泵不可缺少的设备。 本论文就喷油泵试验台国内外的发展现状，以及喷油泵试验台的各种量油系 统( 如量筒法、容积法、流量法、光栅尺测量法) 的测量原理进行了简述，并对 存在的问题进行了分析。本课题为解决当前喷油泵试验台量油系统量油误差大和 效率低的问题，针对新型质量式智能量油系统的设计结构、工作原理、性能参数 等作了详尽的介绍。 本课题研究的主要内容包括：喷油泵质量式量油装置的设计、传感器信号的 采集、d a 、a d 转换电路与单片机接口电路的设计、键盘显示器接口的设计和 软件系统的设计，并对喷油泵量油装置的喷油量进行了试验，对试验数据进行了 分析。 本课题的创新点是： 1 、本量油装置采用了质量法量油装置，去除了量筒法、光栅尺测量带来的 一系列误差，结构简单，测量准确，制造成本降低。 2 、采用单片机自动控制，实现了量油系统自动化，提高量油精度和工作效 率。 关键词：喷油泵试验台质量式量油装置单片机控制 a b s t r a c t t h ep e r f o m a n c eo fd i e s e le n g i n ei n j e c t i o np u m pd i r e c t l yi n f l u e n c e si t s d y n a m i c s ，e c o n m ya n dd i s c h a r g e t h ei n j e c t i o np u m pt e s tb e n c hi se s s e n t i a lf o rt h o s e d i e s e ll o c o m o t i v em a n u f a c t u r i n ga n dr e p a i rp l a n t si nt e s t i n ga n da d j u s t i n gt h e i n j e c t i o np u m p s f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to f i n j e c t i o np u m p sb o t hi nc h i na n da b r o a d ，i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so f v a r i o u sk i n d so f m e a s u r i n gs y s t e m s ( s u c ha sm e a s u r i n gc y l i n d e rm e t h o d ，c a p a c i t ym e t h o d ，v o l u m e t r i c m e t h o d ，w e i g h ta n dd e n s i t ym e t h o d ) a n da n a l y s e s t h ee x i s t i n g p r o b l e m s i n t h e m s e c o n d i y ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r das o l u t a t i o nt ot h ep r o b l e mo fb i ge r r o r s a n di n e f f i c i e n c yi nt h em e a s u r i n gs y s t e mo fp r e s e n tf u e li n j e c t i o np u m pt e s t b e n c h 。t h i r d l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e si n d e t a i lt h ed e s i g nf r a m e w o r k ，w o r k i n g p r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h en e w - t y p cm e a s u r i n gs y s t e m t h ec o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o nm a i l i yi n c l u d e s ：t h ed e s i g no f m e a s u r i n gf u e l d e v i c ea d o p t e dm a s sm o d e ，t h ec o l l e c t i o no f s e n s o rs i g n a l ，t h ed e s i g no f d a ，a d c o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h ed e s i g no fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n n e c t i n gc i r c u i t ，t h e d e s i g no fd i s p l a yc i r c u i ta n dp r o g r a m ，t h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t a ，e t c t h ei n n o v a t i v ep o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ef u e lm e a s u r i n gd e v i c ei sa d o p t e dm a s sm o d ew h i c hg e t sr i do ft h ee r r o r s c a u s e db yt r a d i t i o n a lm o d e sa n di ti ss i m p l ea n da c c u r a t e , t h u sr e d u c i n g m a n u f a c t u r i n gc o s t 2 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o li sa p p l i e dt ot h ed e v i c e ，w h i c hr e a l i z e st h e a u t o m a t i o no ft h ef u l em e a s u r i n gs y s t e ma n di m p r o v e st h em e a s u r i n gp r e c i s i o na n d w o r k i n ge f f i c e n i y , k e y w o r d s ：f u e li n j e c t i o np u m pt e s tb e n c h ，m e a s u r i n gf u e ld e v i c ea d o p t e dm a s s m o d e ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作孝签名：献伐签字日期：? 声月狮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：戴碳 签字同期：触哆年月厂乡e l 导师签名： 签字日期： 冀朋帅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 喷油泵试验台的重要性 在国民生产中柴油机的运用极为广泛，喷油泵是柴油机的心脏，其性能的好 坏直接影响到柴油机的工作质量，如：柴油机加速性能、油耗大小、尾气的排放 质量、工作噪音的大小、动力性能等【l 】。作为柴油机高压油泵制造、检测、维修 的关键设备，喷油泵试验台也得到了广泛应用和发展。 喷油泵试验台的主要作用是检测和调整喷油泵在各种工况时的各种参数，这 些参数包括：。1 、喷油泵在发动机各工况下的供油量；2 、各缸喷油始点及间隔角； 3 、喷油泵各缸供油量的均匀性；4 、喷油泵密封性的检查5 、调速器工作性能的 调整和试验。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 2 1 。 随着柴油机应用的日益广泛，发动机节能和环保要求的不断提高，喷油泵制 造厂家和维修行业，对喷油泵试验台的技术要求也越来越高，致使喷油泵试验台 的设计不断地在量油方法和智能化控制技术方面进行改进，对喷油泵试验台量油 系统自动测量的研制显得十分必要。 1 2 喷油泵试验台的发展状况 长期以来，喷油泵试验台喷油量的测量一直沿用玻璃量筒式测量方法。量油 系统的功能是收集与计量喷油泵的供油量，其中包括：喷油收集装置、断油机构、 计数器和量筒，如图l l 所示【2 】。电机驱动喷油泵经喷油器将试验油喷到量筒 内，工作人员根据量筒刻度读取供油量容积。断油机构用来控制喷油次数，计数 器直接由试验台的转动轴驱动控制断油机构【3 4 1 。 量筒的种类繁多，形状各异，一般分为以翻倒方式排油的有底量杯和打开封 底排油阀排油的无底量筒。这两种量油装置在测量精度方面精度不高，测量误差 大。误差产生原因如下p 4 j ： ( 1 ) 、玻璃量筒的刻度制造误差。 ( 2 ) 、数据的读取需要人工操作完成，存在人为的测量误差。 ( 3 ) 、量筒排油后的剩油误差、沉积误差、弯液面的读数误差。 第一章绪论 ( 4 ) 、由于燃油的容积受温度影响较大，不同温度下体积变化影响测量精度。 ( 5 ) 、测量过程中量筒内存在一定的渐出气泡影响测量读数。 此外，该装置的自动化程度低，大部分工作需要人工操作完成，测计量的时 间长，每次调整、观察喷油泵供油量都要花费数百次喷油以及排油、沉积和仔细 读测的时间。 随着计算机和电子技术的发展和应用，喷油泵试验台也在向自动化和职能化 方向发展，。各国在喷油泵试验台量油系统方面的测量精度和职能化控制上进行了 大量的研究。 1 2 1 国外现状 图l 一1 量筒式喷油泵量油装置 在国外，喷油泵试验台发展十分迅速，新产品不断涌现，与当今迅猛发展的 微电子技术、计算机技术、自动控技术及信息技术密切结合，技术水平和测量精 度逐年提高，目前，喷油泵试验台量油系统方面英国、德国、意大利走在前面。 在国外比较典型的产品是英国的h a r t r i d g e 公司研制的h a 2 5 0 0 容积法喷油泵试验 台量油装置，该量油系统如图l - 2 所示。其结构主要由喷油泵、喷油器、量筒、 压力阀、活塞、计时器等组成p 7 “j 。 该产品为克服传统的量筒式量油装置难以消除的剩油误差、沉积误差、弯液 面读数误差及试验油的雾化、挥发误差采用了如图所示的一种新型量油装置。在 该装置中，喷油器在喷油期内喷出的燃油经控制阀将活塞往下推离量杯的零位。 在活塞的下方保持有背压为0 2 m p a 的压缩空气，控制阀接受电动转速表的指令， 开闭流入量杯的燃油。注油完毕后，活塞在量杯中处于静止状态，操作人员可以 2 第一章绪论 根据活塞上的红线读出量杯上的刻度。读数后，按复零按钮，在活塞下方导入 0 5 m p a 的压缩空气，将活塞推回量杯项端。活塞量杯装置是一个封闭系统，喷 油泵的供油量全部在活塞上方，不存在沉积误差，复位时可抹除量杯壁面上的燃 油，不存在排油误差；操作人员根据活塞红线读出数据，没有弯液面误差；由于 在活塞下方施加0 2 m p a 背压，足以保证喷油在试验油中产生的气泡消失。活塞 式量油装置虽比传统量油装置精度高，但还受操作人员读数和辨别量杯刻度能力 的限制，而且这种量油装置不适于微机自动控制。 窥视窗 图l 2h a 2 5 0 0 喷油泵试验台活塞量油装置 为此英国h a r t r i d g e 公司又开发出了h a 3 0 0 喷油泵试验台量油系统，该量油 系统如图1 _ 3 所示1 9 1 。 其量油原理是通过喷油器喷出的燃油通过分流阀直接流回油箱或输入活塞 油箱上部。喷出的油根据预定次数向下推动活塞。活塞下部与一个光栅位移传感 器刚性连接，通过这一传感器可测量活塞位移，光学读数器将移动信号经微机处 理转化为油量。同时该系统还对燃油温度进行测量，以便将测试结果折算到规定 温度下的燃油容积。由于光栅位移传感器的分辨率高达ls t m ，因此该系统精度很 高。但此系统的缺点是喷油推动活塞受活塞间隙和摩擦的影响较大，因此小油量 时的精度不高。 第一章绪论 气 图1 - - 3h a 3 0 0 0 微机检测活塞式进油装置 1 一光学读数器2 一光栅尺3 一活塞油缸4 一温度传感器5 一电磁阀 6 一喷油器7 一喷油泵 8 、9 一光电转速传感器l o 一微机 1 1 一显示器1 2 一打印机 1 3 - - 电空阀 1 4 一风缸1 5 一油箱 16 - - - 电空阀 1 2 2 国内现状 国内研制喷油泵试验台起步较晚，但发展速度快。1 9 6 3 年以来，经历了从 无到有、形成系列产品和提高技术水平的过程。纵观喷油泵试验台的发展，按其 传动原理产生了许多传动形式：机械传动( 皮带传动) 、液压传动、电传动等， 其中电传动的喷油泵试验台又分为直流电机传动、滑差电机传动和变频无级调速 等三种传动形式。目前变频调速试验台是我国喷油泵生产、维修行业普遍采用的 最先进的试验台，也是各喷油泵试验台生产厂家的主导产品。但是其它形式的产 品在生产、维修行业也在应用。 目前国内喷油泵试验台量油装置与国外相比差距还很大，在铁路机务部门基 本上还采用量筒式量油装置，测量系统的系统误差大、自动化程度低，尤其不适 于油泵油嘴生产厂家的大批量专业化生产。近年来，虽然也有厂家借鉴国外的产 品研发了活塞式量油装置，消除了传统的量筒式测量法中的剩油误差、沉积误差、 弯液面的读数误差，量筒测量读数由光栅尺读出，避免了人工读数误差，但活塞 式量油装置还属于容积法测量方式，它无法避免燃油的容积、黏度受温度变化的 影响，致使喷油泵喷油量的测量在不同地点、不同温度下存在着测量误差。同时 活塞式量油装置中活塞受活塞间隙和摩擦的影响较大，生产制造过程中对密闭器 4 第一章绪论 件和光栅尺的制作精度要求高，成本高，这种量油系统目前在我国还没有大量推 广使用。“。 3 课题的提出 随着发动机节能和环保要求的不断提高，对喷油泵试验台的测量精度提出了 更高的要求。我国铁路的全面大提速，列车机务段对内燃机车柴油机喷油泵的各 项性能要求更高了，提高喷油泵试验台的燃油测量精度更是势在必行。 综上所述比较现有的喷油泵试验台的优缺点，以及针对量油系统存在的问 题，在本论文工作中开发了一种不同于传统喷油泵试验台量油装置，可以有效地 改变上述问题。在这种情况下，唐山百川智能机械厂进行了开发立项。图l 4 所示为质量式智能型喷油泵试验台。 设计中质量式智能型喷油泵试验台，改变了传统的容积法测量方法，采用电 子天平对被试喷油泵的喷油量进行质量测量，经微机转化为体积。由于质量不受 地点、温度的影响避免了容积测量法测量中容积受环境变化带来的测量误差。 同时该系统将单片机的职能控制与传感器技术相结台t 从而使试验台量油实现真 正的职能化，使用方便，运行可靠，灵敏度提高。 图卜叫质量式智能型喷油泵试验台 第一章绪论 1 4 研究内容 质量式喷油泵试验台改变了传统的量油装置，利用单片机及自动控制技术， 使喷油泵试验台成为智能型喷油泵试验台。 设计具体内容包括以下几方面： 1 系统总体方案的制定。 2 新型量油装置的设计。 3 传感器的选择及采样电路的设计。 4 系统功能及硬件设计： 单片机系统的硬件设计、接口电路设计、显示器设计。 5 系统软件设计。 6 系统的调试、试验结果及分析。 1 5 喷油泵试验台量油系统的要求 依据中华人民共和国铁道部铁道行业标准t b 厂r 2 4 1 6 - 9 3 ，新型内燃机车柴油 机喷油泵试验台量油测量系统应符合如下要求i l 列： l 、本量油系统应保证量油精度高于传统的1 2 6 ，误差要小于0 2 m l 。 2 、实现转速、喷油压力、喷油量、系统温度全自动化显示。 3 、通用性要强，可校正喷油器开启压力为1 5 - 2 0 m p a 时，喷油泵的喷油量； 调速范围t0 - - - 4 0 0 0 m r p 。 4 、抗干扰性能要强，工作稳定可靠，使用寿命长。 1 5 技术路线 设计的技术路线如图1 5 所示。 6 第一章绪论 图1 - 5 论文设计技术路线 7 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 2 12 p s d l1 0 x 喷油泵试验台的性能及特点 依据铁道部对喷油泵试验台的行业规定设计了质量式智能型喷油泵试验台 2 p s d l l0 x 。 2 p s d l1 0 x 喷油泵试验台根据传动型式分类，属于d 系列电子控制变频调速 系统，主要用于国产内燃机车柴油机喷油泵单体式喷油泵和部分进口柴油机单体 式喷油泵的磨合及性能试验。可根据用户需要安装不同机型的喷油泵下体，进行 四个以下工作位的测试。主功率为l1 k w ，主轴转速范围0 - - - 8 0 0 r m i n ，试验油 低压供油量1 0 l m i n ，试验油低压供油压力1 4 0 - - - 6 0 0 k p a ，试验油自控温度范围 4 0 - x 2 c ，计数器量程( 0 - - - 9 9 ) 1 0 0 e 。同时还集成了变频调速、减振降噪、油温 油压控制、转速精密控制等技术，各项指标达到铁道部标准t b 亿4 6 1 9 3 内燃 机车柴油机喷油泵试验台技术条件的规定，达国内领先水平【1 4 1 。 喷油泵试验台可以对喷油泵检测的项目： l 、喷油泵在各种工况下供油量和供油间隔角。 2 、喷油泵供油时间及各供油缸供油间隔角。 3 、调速器工作性能检查和调整。 4 、喷油泵密封性检查。 5 、喷油泵喷油压力及雾化情况。 6 、滤清器的密封性及限压压力试验。 7 、输油泵的检验。 检测喷油泵在各种工况下的供油量是一个重要的检测项目。通过在喷油泵 试验台上不同转速时供油量的测定，检查喷油泵是否正常，并进行调整。具体如 下【4 、1 5 】 - a 、标定油量的检查和调整。喷油泵在标准工况下的供油量，即操作臂至于 最大油门位置，转速为标定转速( 转分) 时测定供油量( 毫升次) ，若供油量超 过或低于标准，不符合规定要求，需要拧松调节叉向调速器方向移动，油量减少； 反之，油量增大。 8 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 b 、启动油量的检查和调整。喷油泵转速为起动转速时的供油量为起动油量， 它应为标定油量的一倍半。如果太小，可将支承轴向外拧，同时又重新调整标定 油量至规定要求，起动油量即可以增加。 c 、怠速油量的检查和调整。喷油泵转速控制在怠速的转速，操作臂至于最 小油门位置，测量怠速油量( 毫升次) 。若油量不符，调整怠速螺钉，拧紧则 油量增加，反之则减少。 d 、校正油量的检查。操作臂置于最大油门位置，转速在校正转速时的校正 油量。 由于柴油机型号、喷油泵型号的不同，所规定的标定转速及其标定油量、起 动转速及其起动油量、怠速转速及其怠速油量、校正转速及其校正油量是不相同 的。准确计量各种喷油泵在各种个工况下的喷油量，要求喷油泵试验台应能满足 国产及进口各种型号喷油泵的试验要求。 2 2 喷油泵试验台组成 2 p s d i1 0 x 型喷油泵试验台主要由嵌入式c p u 工作站，变频调速系统，机 械传动系统，燃油供应系统，燃油冷却系统，喷油量质量计量系统及辅助装置等 七部分组成。这里只介绍与本次设计有关的量油系统。 2 3 质量式喷油泵量油装置的设计 2 p s d l1 0 x 型喷油泵试验台量油装置原理如图2 _ 1 所示。喷油泵检测时所 需要的动力由变频调速电机通过v 型皮带带动凸轮轴提供，凸轮轴两端的带轮 和惯性轮构成一个能量储存器，结构简单，传动平稳可靠，缓解了凸轮轴周期性 脉动负荷造成的转速波动，燃油箱有电阻加热及制冷设备，以保证温度控制 4 0 - a ：2 c 。 其量油原理是：将被试喷油泵安装好后启动燃油泵电机，待燃油温度达到规 定范围时启动主电机，喷油泵试验台驱动被测试喷油泵喷油，燃油经高压油管、 喷油器喷油，油液进入消雾器消泡后经断油机构流入电子天平的测量容器内。断 油机构由电磁阀、挡油板组成，电磁阀控制燃油流入油箱或流入测量容器。当需 要测试时按动测量按钮，电磁阀向左移动，挡油板为断油状态，燃油流入电子天 平的测试容器，同时试验台计数机构对进入容器的喷油次数开始计量。当喷油次 数达到预制的次数时，电磁阀自动向右移动，带动挡油板打开，系统为量油状态， 喷出的燃油流回试验台不再进入电子天平上的容器。电子天平称出流入测试容器 9 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 内燃油的质量，传输到微型计算机内经运算转化为体积即可以得到测试油箱内燃 油的容积。 装在油箱中的温度传感器用来测试燃油的温度，从而可以将燃油的体积修正 为4 0 时的体积，以利于在统一的标准状态下比较测得的喷油泵燃油体积是否 合乎要求。转速传感器用来确定喷油泵喷油次数及凸轮轴工作转速，压力传感器 用来测试喷射燃油系统中的供油压力变化，将压力的变化转换成电阻值的变化进 行测量。油压、油温、和转速信号经放大后输入计算机，经处理后即可打印输出。 图2 - 1 喷油泵量油系统装置图 l 一电子天平2 测量容器3 温度传感器4 微机检测控制系统 5 一电磁阀6 一喷油器7 压力传感器8 喷油泵 9 一喷油泵试验台1 0 一凸轮转速传感器1 1 燃油箱 2 4 喷油量的计算 根据上面所述的喷油泵量油装置的原理，可以得到计算喷油量的方法是，测 量之前先放掉测试容器内的燃油，然后关闭放油阀，电子天平称出的质量m 皮， 它包括两部分质量，是容器等部件的质量m w ，二是测试容器内的残留油质量 m 爰。则： m 皮= m 糖+ m 爰 l o ( 2 1 ) 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 开始做喷油量测试试验，喷油泵向测试容器内喷油，当喷油次数达到预定值 后喷油结束，电子天平开始测量总质量m 总。设实际喷油量为m 喷，则实际喷油 量的表达式： m 篁= m 曩+ m 皮= m _ + m m 囊 即：m 矿哇诅总一m 舻m i + m 糖+ m 囊一c m | 一 m a ) = m 一 ( 2 2 ) 微型计算机运算出油的体积。为了弥补温度影响产生的误差应转换为国际标 准要求的4 0 下的体积。 当试验油为其它牌号的柴油时，其热膨胀系数计算公式1 1 5 】： 喊一( 伽一帕) 瓜 ( 2 3 ) 式中：卜所用燃油的热膨胀系数； 蛳刈号柴油的热膨胀系数( 取0 8 5 5 0 ) ； 竹r 所用柴油2 0 时实测比重； 协刈号柴油在2 0 时的比重( 取0 8 5 5 0 ) ； k 常数 在某温度下的体积可按下式计算： v f ( 1 乜t ) = m , t o ( 1 乜t ) = m y t o i + a a t - ( y t 0 0 8 5 5 0 ) a t k ( 2 4 ) 式中：v 付试验油在2 0 体积。 在2 4 式中，m 值可以通过电子天平称测得，t 可以由温度传感器测得，怖 和k 值可以查表计算得到。这样按照2 4 式计算，就可以得到4 0 ( 2 时喷油泵的喷 油量。 通过上面公式由2 1 ，2 2 式可知，在质量式喷油泵喷油量的检测中，检测到 的只有喷油泵实际的喷油量，喷油量只与实际喷油质量有关，残留油量的容积不 影响计量数值。质量的称量不受重力、温度等外界因素的干扰，系统测量的燃油 质量经公式转换后更接近真实值，消除了容积式测量时的剩油误差、沉积误差、 弯液面的读数误差，及温度对燃油体积的影响。可以保证燃油量的测量值不随着 地点、温度的变化而发生变化。 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 2 5 主要部件的选用 2 5 1 电子天平在量油系统中的应用 在质量式喷油泵试验台中采用电子天平来称量燃油的质量，因此电子天平的 称量精度决定了量油装置的测量精度。本量油装置采用了s e t r a 公司生产的 b l l 2 0 0 型系列电子天平，具有以下特性1 1 6 】： 1 、陶瓷电容称重技术； 2 、六键操作，结构简捷，坚固耐用； 3 、三种输出模式； 4 、用户环节温度补偿； 5 、标准r s 2 3 2 接口，具有远程控制功能，有去皮重功能； 6 、卓越的过载冲击保护性能。 e l l 2 0 0 型系列电子天平具有较好的标定校准方法，性能稳定，操作简单，价 格低廉，能够满足量油系统的要求。 电子天平的工作原理如图2 2 所示。被称重物的质量传递给称重传感器。 称重传感器通常采用陶瓷电容，它可将作用于其上测量的质量转变为线性的电 压输出，再经过放大器将信号放大。通过a d 转换电路将放大的电压值变换成 相应的数字量，由单片机c p u 进行运算处理，最后将重物的重量在显示器上显示 出来。操作者可以通过键盘输入一些信息来干预c p u 的工作，例如要求电子秤 傲去皮重、质量累计、称量校准等工作。 图2 - - - 2 电子天平的工作原理 数据采集电路，由称重传感器、放大电路、a d 转换电路组成。当重物置于 传感器上，传感器应变片的弹性体发生形变，传感器就会输出一个对应于外加重 量的电压值u ，经放大电路放大后，送a d 转换器进行转换。为了保证一定的分 1 2 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 辨率和较低的成本，天平称采用组件式双积分a d 转换电路，它的优点是：内码可 以任选，具有较高的抗干扰能力，维护方便，价格低廉h 7 天平称最大称量为 5 0 0 0 9 ，分辨率为0 0 0 5 9 。理论上说喷油泵测试燃油的容积分辨率可达到： a v = m 1 , o = 0 0 0 5 0 8 5 5 0 , - , 0 0 0 5 8 c m 3 = 5 8 m m 3 大约为2 p s d l1 0 x 柴油机喷油泵最大工况时每次喷油量的o 3 ，完全可以 满足机务段机修工作要求。 2 5 2 传感器的选择 传感器是构成测试系统重要的部件，它的选择对整个测试系统而言，至关重 要。传感器位于测试系统的最前端，是测试系统中采集原始数据的重要部件，其 质量与性能的好坏，直接影响着测试结果的准确性，以及系统性能的优劣。根据 具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行参数测量 时首先应考虑的问题。当传感器确定之后，与之配套的信号处理电路也随即可以 确定【1 8 1 9 1 。 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分 析多方面的因素后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传 感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感 器的使用条件考虑。 ( 1 ) 温度传感器 国家标准规定试验时的燃油温度必须控制在3 8 - - - 4 2 1 2 。因此在整个测量 过程中必须使喷油泵油缸中油温稳定在3 8 , - - , 4 2 ( 2 的范围之内。但由于环境温 度，电机转速过高时的机械摩擦等因素的影响，会使油温升高或降低，从而不宜 稳定在一定的范围内。 温度传感器用来测量燃油的温度，一方面用于油泵进油温度的控制，另一方 面进行容积修正。本测试装置选用了d s18 2 0 半导体温度传感器。它是一种应用 广泛的集成温度传感器，由于它内部有放大电路，再配上响应的电压频率转 换电路，将+ o 一l o o 的温度信号线性地变为o 一1 0 l 娃亿的频率信号， 理论上温度的测试精度可以达到0 0 1 ，温度测试范围为+ o 一l 0 0 ，完全 可以满足要求。 ( 2 ) 转速传感器 为测得喷油泵的泵油转速，测得喷油泵实验台主轴转速即可，在本系统中自 行设计制造了磁电式转速传感器。 其工作原理如图2 3 所示。 1 3 第二章喷油泵试验台量油装置的设计 在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻( 如空气间隙) 的大小，则磁通量随 之改变。磁通通过的感应线圈，当磁通量发生突变时，就感应出一定幅度的脉冲 电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化的频率。为了使气隙变化，在喷油泵试验 台的主轴上装一个由软磁材料做成的齿盘，当主轴转动时，齿盘也跟随转动，齿 盘中的齿和间隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯中 的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势。于是，其频率与待测转轴的 转速成正比。 才用的测速轮有6 0 个齿，测速轮每转过一个齿时，就在测速传感器上感应 出一个脉冲信号。这样，主轴每转一周，产生6 0 个脉冲，设每分钟转数为n 转 分，则每分钟感应出6 0 x n 6 0 = n 个脉虫，也就是说测速传感器上感应出的脉冲频 率f = n h z 。转速传感器感应出的脉冲信号是交变信号，需要放大整形成规整信号 后，送到8 9 c 5 2 的t 1 计数口，由t l 识别计数。 永 强圈： i 磁铁、 一 形钐形 黝 杉彩么夕 i 转速轮 图2 - 3 转速传感器工作原理 ( 3 ) 压力传感器 压力是喷射燃油系统中较为重要的参数之一。压力传感器的种类繁多，类型 各异。根据压力测量范围、抗干扰性能、被测压力的大小确定仪表量程。本系统 选择了量程为0 1 m p a 的a k 4 型压力传感器测试供油压力。灵敏度l - - 5 m a v ， 工作温度1 0 + 6 0 。传感器外壳采用圆膜式弹性体结构，不锈钢材料制作， 有较强的抗腐蚀性，具有较强的抗振及抗冲击性，使用寿命长。 本传感器为应变式传感器，气功作原理是根据电阻应变原理把扭转力矩产生 的应变转换成与其线性关系的电信号。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻 1 4 第二章 喷油泵试验台量油装置的设计 体，其电阻值随压力产生的应变而变化。本系统中为测得高压油管中的压力信号， 将压力传感器安装在喷油器体的进油管部位。当喷油器工作时，传感器测得的压 力信号经放大电路放大后，送入a d 转换电路，转换成八位数字量，其数字量范 围0 - 2 5 5 ，根据压力传感器所测得的线性电压变化，可得喷油压力p = a d 转换后 的数字量3 0 2 5 5 t 1 8 - 2 0 l 。 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 3 1 系统的设计环境 系统运行环境：4 8 6 以上微机：w i n d o w s 9 8 操作系统系统硬件、软件开发 要用到单片机开发系统以及电路设计技术。 一、单片机开发系统1 2 1 - 2 5 系统硬件开发以8 9 c 5 2 单片机作为核心部分，使用k e i l 8 0 5 1 开发工具套件。 德国的k e i l 公司在代码生产方面领先，可生成最少的代码，支持浮点和长整数、 重入和递归，使用单片模式它是最好的选择。k e i lc 5 1 编译器包为8 0 5 1 微控制 器的软件开发提供了c 语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点，可以用 在所有的8 0 5 1 系列处理器上，在w i n d o w s 3 2 位命令行中执行。c 5 1 己被完全 集成到u v i s i o n 2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器， 实时操作系统，项目管理器，调试器。u v i s i o n 2 d e 可为它们提供单一而灵活的 开发环境。k e i lc 5 1 编译器在遵循a n s i 标准的同时，为8 0 5 1 微控制器系列特 别设计。语言上的扩展能让用户使用应用中的所有资源。 1 、存储器和特殊功能寄存器的存取 c 51 编译器可以实现对8 0 51 系列所有资源的操作。s f r 的存取由s l j r 和s b i t 两个关键字来提供，变量可旋转到任一个地址空间。用关键字一a t 一还能把变 量放入固定的存储器。存储模式( 大，中，小) 决定了变量的存储类型。连接定 位器支持的代码区可达3 2 个，这就允许用户在原有6 4 kr o m 的8 0 1 5 基础上扩 展程序。在v 2 的编译器和许多高性能仿真器中，可以支持应用程序的调试。 2 、中断功能 c 5 1 允许用户使用c 语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器区的 转换功能使c 语言中断功能更加高效。可再入功能是用关键字来定义的。多任 务中断或非中断的代码要求必须具备可再入功能。 3 、灵活的指针 c 5 1 提供了灵活高效的指针。通用指针用3 个字节来存储存储器类型及目标 地址，可以在8 0 5 1 的任意存储区内存取任何变量。特殊指针在声明的同时已指 定了存储器类型，指向某一特定的存储区域。由于地址的存储只需1 2 字节， 因此，指针存取非常迅速。 1 6 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 二、p r o t e l9 9 介绍1 2 6 】 电路设计采用p r o t e l9 9 软件。 p r o w l9 9 是一个基于w i n d o w s 的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ：电路设 计的自动化) 设计系统，用户能够充分享受w i n d o w s 提供的超强功能。 p r o t e l9 9 分为a d v a n c e ds c h e m a t i c 、a d v a n c e dp c b 设计、电路仿真部分以 及p l d 设计部分。s c h e m a t i c 是原理图设计系统，主要用于电路原理图的设计。 p c b 是印刷电路板设计系统，主要用于印刷电路板的设计。 p r o t e l9 9 具有强大的功能，其主要特点如下： l 、3 2 位的e d a 设计系统 2 、丰富而灵活的编辑功能 3 、强大的设计自动化功能 4 、在线式库编辑及完善的库管理 5 、良好的开发性 6 、完善的输出系统 7 、客户服务器结构 3 2 系统设计与组成结构 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，它 需要对主轴转速、喷油量和喷油次数进行精确控制，以使其成为调整或修校喷油 泵的重要依据。由2 4 节所介绍的质量式量油装置的工作原理可知，此量油装置 需要检测的参数及信号是转速、油量、压力和温度四个参数。因此，量油系统要 对这四个量的测试进行设计。系统设计结构总框图如图3 1 所示。 喷油泵试验台控制系统以8 9 c 5 2 单片机为控制核心，量油系统主要由被测信 号源、测试用传感器、信号处理电路、输出显示、键盘、l c d 点阵单色显示器 等组成。 8 9 c 5 2 是控制系统的核心部分。根据系统的状态信息和系统的目标，进行信 息处理，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出电气接口送往执行机构， 控制整个系统按预定程序运行，并达到预期性能。 系统的信号检测由传感器检测，把工作过程中本身和外界环境的各种参数及 状态进行检测，变成可识别信号，送往8 9 c 5 2 进行信息处理。 系统的电气接口传递各种电气参数，要求被连接的电气彼此间电气参数相互 匹配，a d 转换接口、d a 转换接口、8 2 5 3 接口、8 2 7 9 键盘显示器接口。 1 7 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 系统的执行机构根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行机构是运动部 件，将输入的各种形式的能量转换为机械能。 团 堪 推 趔 姐 甜 值 聪 堆 暑 1 - - i l n 匝 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 3 3 微处理器板的设计 3 3 1 微处理器的选择 微处理器是整个量油系统的核心部件，它直接影响整个系统的软硬件设计， 并对系统的功能起决定作用。单片机性能不断提高，其应用系统也不断发展，就 我国的8 位单片机应用系统而言，从7 0 - 8 0 年代的i n t e l8 0 3 1 ，再到9 0 - - 2 0 0 0 年 代的2 0 c 5 1 或8 9 c 5 1 ，而目前流行使用的8 9 c 5 2 单片机是i n t e lm c s 一5 1 系列的单 片机。它具有4 0 个引脚，片内带4 k 闪烁存储器e e p r o m ，一般作程序存储器； 片内带2 5 6 字节r a m ：提供3 2 条的引脚，大部分引脚都可作数字和脉冲输入或 输出；2 个1 6 位定时计数器，对外计脉冲数可使用单片机的p 3 4 ( t 0 ) 或p 3 5 ( t 1 ) ； 6 个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用p 3 2 ( i n t 0 ) 或p 3 i ( i n t l ) ，1 个可 编程标准串口，其引脚为p 3 0 ( r x d ) 和p 3 i ( t x d ) ；时钟频率可达4 - - 2 4 m h z ；具 有睡眠状态，指令系统完全与8 0 3 1 指令系统完全兼容。除上述技术性能外，还 有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点。故选择8 9 c 5 2 单片 机作为通用单片机应用系统的核心是较佳的选择i z l 孙2 7 。 3 3 28 9 c 5 2 单片机的内部结构 8 9 c 5 2 芯片管脚的排列如图3 _ 2 所示【2 2 1 。 l 加 2 3 9 3 3 8 43 7 5 3 6 63 5 7 3 4 8 3 3 93 2 1 0 3 l 1 1 8 9 c 5 2 3 0 1 22 9 1 3 2 8 1 42 7 1 5 2 6 1 62 5 1 7 2 4 1 8 2 3 1 9 2 2 2 02 1 图3 - _ 28 9 c 5 2 芯片引脚图 1 9 第三章喷油泵试验台控制系统的硬件设计 p 0 端口在运行中分时地处于输入偷出状态：输出信号为从外存2 7 2 5 6 中取 指令的地址，经7 3 l 3 7 3 锁存后，由q 0 - 、q 7 指向6 2 2 5 6 的a 0 a 7 ；输入信号 为从6 2 2 5 6 取得的指令( 由2 6 6 5 6 的d 0 - - 一d 7 提供) 。 p 2 端口的p 2 0 - - p 2 3 为6 2 2 5 6 存储器提供高4 位地址a s , - 一a 1l ，a l e 用于 地址信号锁存，p s e n 用来读入程序，由于程序存储器是只读的，所以p s e n 信 号在6 2 2 5 6 的输入端允许端0 匠上，而把其片选端c e 接地，使其常通。 p 3 端口为双功能口，是一组带有内部上拉电阻的8 位双向f o 口，p 3 口输 出缓冲级可以驱动( 吸收或输出电流) 4 个1 几逻辑门电路。对p 3 口写入“l ” 时，它们被内部上拉电阻拉高并作为输入端口。此时，被外部拉低的p 3 口将用 作上拉电阻输出电流( i i l ) 。除了作为一般的v o 口线外，p 3 口还有第二功能， 如表3 1 所示。此外，p 3 口还接收一些用于f l a s h 闪速存储器编程和程序校验 的控制信号。 p 1 口用作8 位并行通用静态u o 口。 单片机的时钟电路采用了内部震荡方式，8 9 c 5 2 中有一个用于构成内部震荡 器的高增益反向放大器，引脚x t a l l 和x t a l 2 分别是该放大器的输入端和输 出端。复位电路由3 0 p f 的电容器与正电源相连，构成上电自动复位电路。 设计在8 9 c 5 2 的基础上扩展外部数据口、i o 口、传感器接口、电器接口， 来扩展单片机的功能，对需要的控制量进行控制。 表3 - 18 9 c 5 2 p 3 口第二功能 端口引脚第二功能 p 3 or x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2 t n 0 ( 外中断0 ) p 3 3 n t l ( 外中断1 ) p 3 4 t o ( 定时计数器0 ) p 3 5 t 1 ( 定时计数器1 ) p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通) 第三章 喷油泵试验台控制系统的硬件设计 3 4 单片机与d a 转换电路接口设计 在设计中，需要对喷油泵试验台的预制转速与实测转速的差值经过p i d 算法 计算，再经d a 转换后去调节可控硅，从而控制转速的大小。 3 4 1d a 转换器的性能指标以及原理 d a 转换器的作用是把数字量转换成与此数字量成正比的模拟量信号。目 前单片机使用的d a 转换电路是以集成d a 芯片的形式出现的，其转换时间一般 在几十纳秒到几十微秒之间，转换精度按芯片位数分为8 位、1 0 位、1 2 位、1 6 位等 2 2 2 5 1 。 d a 转换器的输入为数字量，经转换后输出为模拟量。有关d a 转换器的 技术性能指标很多，如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、输入数字 代码种类等。现仅对几个与接口有关的指标做一简介：， l 、分辨率。分辨率是d a 转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数 字量的位数有关。如果数字量的位数为1 1 ，则d a 转换器的分辨率为2 n 。 2 、建立时间。建立时间是描述d a 转换速度的一个参数，具体是指从输入 数字量变化到输出达到终值误差4 - 1 2l s b ( 最低有效位) 时所需的时间。通常以