袁海兵，赵小辉

（湖北汽车工业学院 机械工程系，湖北 十堰 442002）

发动机综合性能测试仪的设计

袁海兵，赵小辉

（湖北汽车工业学院 机械工程系，湖北 十堰 442002）

针对EQ6100发动机，开发了基于STC12C5A60单片机的发动机综合性能检测系统，实现了发动机转速、水温、油温、压力、启动电流、氧含量、进气量等发动机主要参数的测试功能，针对不同的传感器信号，设计了模拟和数字信号接口电路，人机界面友好，操作方便，系统稳定可靠，成本低。

发动机；综合性能测试；STC12C5A60单片机

发动机是汽车主要的组成部件，是车辆行驶的动力来源，发动机的性能对整车性能至关重要［1-2］。在传统发动机综合性能检测试验台的基础上，针对东风汽车公司发动机厂EQ6100发动机的出厂试验，开发了以STC12C5A60单片机为核心的发动机综合性能检测系统，具有可靠，功能强大，适应性强的特点，能满足检测现场的节拍需求，降低劳动强度。

1 测试信号和系统方案

结合内燃机台架试验方法 （国家标准GB-1105-87），针对EQ6100发动机的综合测试，系统要求对发动机转速、扭矩、功率、空气流量、节气门位置、5路温度信号（冷却液进水温度、冷却液出水温度、机油温度、排气温度、进气温度）、3路压力信号（机油压力、进气压力、排气压力），以及启动电流、电压和氧含量等发动机主要参数进行采集、处理、显示。系统要求能根据传感器信号大小便于调节，具有合格参数设定、报警和打印功能。系统应具有良好的抗干扰性能，以适应发动机测试现场的环境。检测参数范围及精度要求如表1所示。

发动机综合性能检测系统以STC12C5A60单片机为核心控制器，由传感器，信号预处理电路，A/D转换电路，打印机和键盘、显示、报警系统等组成。

STC12C5A60单片机为宏晶公司生产，在指令系统、硬件结构与标准8051单片机兼容，具有60kB Flash ROM，1280B RAM，1kB EEPROM，2个USART接口，1个SPI接口，具有4个16位定时计数器，8通道10位A/D接口，AD转换速率高达250kHz，抗干扰能力强，支持在线编程功能（ISP），能够满足发动机性能检测系统所需的各项要求。

表1 检测参数范围及精度

2 检测接口设计

用于发动机测试的传感器输出信号主要有两类，模拟信号和数字信号，模拟信号主要通过滤波和放大进行信号预处理，对于数字信号，主要是波形整理［3-5］。

2.1 模拟信号接口

发动机综合性能测量仪中，有流量、温度、压力等一共13路模拟输出传感器，具有1 mV～±10 V之间的输出信号，这些传感器具有多种输出阻抗，为避免负载误差，与传感器相连的测量系统必须具有高输入阻抗，又由于测量发动机性能的传感器输出信号大小不一样，放大器需要不同的增益。采用图1所示的接口进行模拟信号处理，主要有滤波处理及阻抗匹配处理接线板、PGA117可编程增益放大器、单片机STC12C5A60的ADC通道、串行SPI接口组成。

模拟传感器输出信号不一样，信号预处理方法也不同。温度、压力、节气门位置、空气流量等模拟信号其幅值为（0～5）V，变化缓慢，由可变电阻、可变电容，放大器LM324组成低通滤波器，消除干扰，滤波频率由

计算，改变电阻和电容的数值可实现不同的滤波截止频率。对于氧含量等幅值较小的信号，其幅值为（0～1）V，为提高A/D转换器精度，需先进行初步放大处理。对于启动电压，幅值较大，先降压后再进行测量，启动电流信号，其峰值可达100 A以上，利用电流互感器转换成标准信号后再进行测量。对于mv级的电压和电流信号，利用仪表放大器INA114进行差分处理，消除传输干扰，提高精度。

经过预处理后的模拟信号，经PGA117统一转换为（0～5）V的模拟电压信号。PGA117为10通道输入（MUX）可编程增益放大器，可实现1、2、5、10、20、50、100及200倍的增益，具有标准的SPI串行接口，利用SPI串行总线，单片机STC12C5A60可单独设立每个模拟输入通道的增益大小。由于发动机测量仪中具有13路模拟信号，采用2片PGA117芯片组成20个可编程增益的模拟输入通道。PGA117与单片机的SPI串行总线相连，时钟信号引脚SCLK与STC12C5A60的SCLK/P1.7引脚相连，数据引脚DIO与STC12C5A60的MOSI/P1.5引脚相连，2片PGA117的片选引脚 CS分别由STC12C5A60的P1.3和P1.4引脚控制。经放大后的模拟信号由PGA117的引脚Vout输出，分别进入单片机 STC12C5A60的 ADC0、ADC1通道 。STC12C5A60单片机具有10位A/D接口，精度可达0.1%，转速速率高达250kHz，即使在多通道轮询采样的情况下，也能够满足系统的测量要求。这种接口具有控制灵活，扩充方便的特点。

2.2 数字信号接口

对于发动机转速，曲轴转速等数字信号，在发动机测试现场，由于传输过程中衰减、空间辐射干扰等原因，波形容易失真，采用施密特触发器处理，转换成标准的数字脉冲信号，利用计数器进行速度测量。

系统采用定时/计数器8254进行测量，可同时对3路数字信号进行测量，由单片机STC12C5A60内部16位定时器实现单位时间定时，利用8254进行计数，完成转速的测量。定时/计数器8254采用并行接口方式与STC12C5A60单片机相连。

3 人机接口设计

系统采用3×2行列键盘进行参数设置，参数直接存储在STC12C5A60单片机片内的EEPROM中。由于LED数码管具有色彩鲜艳，可视角度宽等优点，适合用于发动机的测试现场，系统采用32位LED数码管显示测量值。检测系统的按键及显示面板如图2所示。

系统采用6个按键，其中5个完成参数设置，1个控制打印功能，由于系统中测量参数较多，将被测参数分为2组：组1和组2。参数设置的具体步骤：在系统正常显示状态下按“SET”键，系统进入组号选择设置状态，显示组号的数码管开始闪烁，提示可以修改。通过“∧”“∨”按键改变组号（1或2），完成组号修改后，按下“＞”键，进入与组号相对应的参数设置状态，最左边的数码管开始闪烁，提示可以修改，这时由“∧”“∨”按键进行参数选择，顺序从左到右、从上到下。参数确定后，按下“＞”键，进入选定参数设置，当前数据闪烁，通过“∧”“∨”按键改变各项参数的上限值。修改完成后，按“SET”键，进入下一个参数的选择状态。设置中通过“ESC”按键可取消当前操作。

由8279芯片实现3×2键盘和32位数码管控制，能对键盘、LED数码管自动扫描，具有显示稳定、程序简单的特点。8279芯片采用标准的8位并行接口与STC12C5A60单片机相连。

系统带有微型嵌入式打印机，能对发动机的所有测量数据进行打印，便于数据分析。嵌入式打印机采用并行接口与STC12C5A60单片机相连。

4 检测系统的软件设计

系统软件由Keil C语言开发完成，采用模块化结构，由主程序、数据采集、标度变换、8279键盘/显示、报警以及打印等功能模块组成。主程序流程如图3所示，主程序采用循环扫描方式，运行后完成对各个器件的初始化操作，判断按键状态，然后对发动机的各项参数逐一检测。

程序中的时间和采样频率控制，利用STC12C5A60单片机片内16位定时器，形成1ms的中断定时基准，在循环扫描主程序中通过软件变量记数的方法分别实现10ms、100ms、1s、2s的定时，针对不同的检测信号，实现不同的采样频率，对于启动电流、电压等变化快的信号，每10ms采样一次，即采样频率为100Hz,对于温度、压力等变化较缓慢的信号，每100ms采样一次，即采样频率为10Hz，转速等数字脉冲信号，每1s计算一次速度，利用软件能灵活的控制不同信号的采样频率。为防止LED显示器数值变化太快产生闪烁，每2s更新一次8279芯片中的数据，这种方法加快了主程序的扫描速度，提高了效率。

5 结束语

通过对发动机出厂试验时的工况特点和各参数要求的分析，以EQ6100发动机为基本研究原型，开发了基于STC12C5A60单片机的发动机综合性能检测系统，系统能适用于EQ6100发动机检测的各类传感器，对信号的调理和扩充方便，稳定可靠，人机界面友好，成本低，对于类似的发动机性能检测也有一定的参考意义。

［1］刘越琪，郁春兰.发动机综合性能计算机检测系统［J］.交通与计算机，2002，20（3）：43-45.

［2］郁春兰，刘越琪.计算机在发动机综合性能检测系统中的应用［J］.南昌大学学报：工科版，2002，24（2）：89-92.

［3］路小娟，朱正平.基于虚拟仪器汽车发动机检测仪的开发［J］.自动化与仪器仪表，2010，（1）：96-100.

［4］孙培峰，陶伟华.基于Internet的汽车发动机综合性能检测系统［J］.农机化研究，2004，（3）：222-224.

［5］吴克刚，钟益斌.发动机综合性能仿真系统［J］.长安大学学报：自然科学版，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，湖北红安人，硕士，主要从事测试与控制技术研究。