王明杰1,刘丽君1,谭振玲2
(1山东省内燃机研究所,山东济南 250014 ;2山东高密润达机油泵有限公司,山东高密 261500)
中图分类号:TK402 文献标识码:A 文章编号:1673-6397(2008)04-0056-03
1 Mega48单片机简介
ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器,大多数指令的执行时间为单个时钟周期,工作于16 MHz时性能高达16 MIPS;4K字节的系统内可编程Flash,擦写寿命: 10,000次;256字节的EEPROM,擦写寿命: 100,000次;512字节的片内SRAM;可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。片上具有6通道(PDIP封装)或8通道(TQFP与MLF封装)10位的A/D转换器,最快只需13.5个时钟周期完成一次转换。其它外设也比较丰富,详细内容请参考其数据手册。
2 单芯片转速表的结构及功能特色
2.1 单芯片转速表的设计指标
测量范围:0~8000r/min;
测量精度:0.05%F·S。
2.2 功能框图
见图1。
2.3 传感器输入接口及信号处理
传感器输入信号要经过适当的处理,前端处理电路见图2,主要功能:
(1)由R3和C1实现初步的滤波,滤掉其中的高频成份,有利于后续的处理,
(2)由D1、D2两个二极管组成的限幅电路,切除幅值太大的输入信号或干扰脉冲,以保护后续电路。
(3)由R1和R2组成直流分压电路,得到合适的电压,与传感器电压叠加后便于作为后续的差分放大的输入。
图3和图4是分别是低速、高速传感器信号处理前后的波形对比。由图可以比较直观的看出,经过初步处理的传感器信号是一种直流与交流叠加信号,其中直流信号由电阻R1,R2分压产生,为VCC/2;交流信号,由传感器产生,并经过两个二极管组成的限幅电路后,电压为±20mV~±700mV(由于传感器本身灵敏度差异及安装的影响,输出信号差异较大),最终我们就得到了包含转速信息的电压。图3,4中,通道1为输入信号波形,通道2为处理后波形。
利用Mega48自身的A/D转换器,对传感器的信号进行连续A/D采样,通过软件方式实现整形和滤波功能,实现脉冲计数;优点在于可以根据实际情况在现场调整比较限值,从而取得较好对传感器的适应性。同时通过1ms的定时器中断计数1000次,获得1秒时间值。计算公式为:
其中n:转速(r/min)
m:记录脉冲数
t:计时次数
理论误差分析:
A/D采样的误差:A/D采样值会受到外界的一些影响,如电压波动,干扰等,使程序对转速传感器信号边沿的判断产生不确定性,影响脉冲记录的准确性。本文中A/D的采样率约为90KSPS(通过降低采样精度的方式提高采样速度),通过多次采样比较计算,实现滤波,去掉干扰影响。
定时器的误差:采用1ms定时器中断进行计时。通过选择合适的分频系数,并在程序中精确调整定时器的初值,最终的定时精度主要取决于系统晶振,我们选用的晶振的误差为≤30ppm,因此计时误差可以忽略不计。
由于定时器中断时刻与脉冲计数时刻不能保证同步出现,由此可能造成一个脉冲的计数误差,此误差为主要的系统误差。因此,理论上最大系统误差为1r/min(在量程范围内) ,换算为相对误差为:0.0125%F·S,满足设计要求。
2.4 程序框图
本文程序主要有A/D中断模块,定时器中断模块,LED扫描显示模块,参数设置模块,主模块等组成,其中LED扫描显示模块,参数设置模块与本文主题联系不紧密,因此略去其流程图。
2.5 标定数据
在转速表制做完成后,我们利用信号发生器进行了对比测试,结果证明单芯片转速表在测量范围和测量精度方面都达到的设计要求。数据见表1。
Ad:A/D结果 ADH:上限值
PC:滤波次数 ADL:下限值
HC:高电平计数 ADF:状态标志
LC:低电平计数 ADMP:有效脉冲
3 结束语
本文所述的转速表充分利用了AVR系列中Mega48单片机丰富的片内资源,采用内置A/D采样取代传统的外部整形滤波电路,实现了传感器的比较限值的软件设定,具有较强的适应性,可以与磁电式转速传感器、霍尔开关、接近开关等多种传感器接口;整机电路简洁,只用一片芯片实现了滤波、测量、计算、显示、人机接口等多种功能。具有较大的升级空间,如可以扩充与上位机的通讯功能,报警及输出功能等;在制造成本上与传统转速表相比也具有一定的优势,具有一定的市场价值。
参考文献:
[1]耿得根,马潮,等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用,北京航空航天大学出版社
[2]ATMEL ATMega48/88/168.datasheet.ATMEL
作者简介:王明杰(1974-),男,山东青州人,工学学士,高级工程师,主要从事内燃机测试设备的研制和开发。
