航空发动机涡轮温度监测系统设计毕业论文.docx
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航空发动机涡轮温度监测系统设计毕业论文
航空发动机涡轮温度监测系统设计
摘要
航空安全是国际民航界最关心的问题。
因此,对航空发动机涡轮温度实时的监测具有非常重要的意义。
本论文首先根据涡轮温度测试的技术需求,设计了基于单片机的航空发动机涡轮温度监测系统,该系统硬件由采集模块、显示模块、报警模块等硬件模块组成,结合相应的软件,便可实现涡轮温度的实时采集、显示和超值报警功能。
基于单片机的涡轮温度测试及报警仪以单片机作为核心器件,利用键盘输入来设置阈值,并将检测到的结果通过LCD显示屏予以显示。
若测量的涡轮温度值未超过设定阈值,说明涡轮温度正常,报警仪继续循环采集数据;若测量的涡轮温度值超过设定阈值时进行实时报警,提醒飞行人员涡轮温度超温,以便及时采取适当的措施。
通过系统验证,本系统满足了设计要求,使用方便,外形小巧,简单实用,并且具有较高的性价比,具有较广阔的应用前景。
关键词:
航空发动机;涡轮温度;单片机;LCD显示;报警;
Aircraftengineturbinetemperaturedetectionsystemdesign
Abstract
Aviationsafetyisthemostconcernoftheinternationalthecivilaviationindustry.Soforaviationengineturbine-temperaturetestingandalarmingdevicedesignhasveryimportantsignificance.Inthispaper,firstofall,accordingtotheturbine-temperaturetesttechnicalrequirements,designtheaviationengineovertemperaturealarmingdevicebasedonMCU,thesystemhardwarebycollectingmodule,displaymodule,alarmmoduleofhardwaremodule,combinedwiththecorrespondingsoftware,canrealizetheturbine-temperaturereal-timeacquisition,displayandoverflowalarmfunctionturbine.
BasedonMCUtemperaturetestingandalarmingdevicewithMCUasthecoredevice,usethekeyboardtosetthethreshold,andthedetectedresultsbyLCDdisplay.Ifmeasurementofturbine-temperaturemorethansetthreshold,thattheturbine-temperatureisnormal,alarmingdevicecontinuetocycledata.Ifthemeasurementofturbine-temperaturemorethansetthresholdforreal-timealarm,remindaircrewturbine-temperatureovertemperature,inordertotakeappropriateactioninatimelymanner.Throughthesystemverification,thissystemcanmeetthedesignrequirements,andeasytouse,compactappearance,simpleandpractical,andhashighcostperformance,hasabroadapplicationprospect.
Keywords:
Aircraft-engine;Turbine-temperature;MCU;LCD;Alarm
1绪论1
1.1课题背景1
1.2课题研究的意义2
2航空发动机涡轮温度监测系统硬件电路设计3
2.1元器件的选择3
2.2系统硬件总体概述3
2.3硬件电路设计4
2.3.1中央控制模块4
2.3.2传感器模块9
2.3.3LCD显示模块10
2.3.4报警模块12
2.3.5复位电路模块13
2.3.6阈值设定模块14
3航空发动机涡轮温度监测系统软件设计15
3.1系统软主程序结构设计16
3.2系统子程序结构设计16
3.2.1键盘设置模块17
3.2.2报警模块设计18
4航空发动机涡轮温度监测系统仿真调试19
4.1Proteus软件介绍19
4.2仿真电路调试20
5软件与硬件联合调试22
5.1调试中出现的问题22
5.2结果分析22
结论24
参考文献25
致谢26
附录Ⅰ电路原理图27
附录Ⅱ程序清单28
附录Ⅲ元器件清单37
1绪论
航空发动机是飞机的核心部件,航空发动机涡轮温度在正常范围内是保证航空发动机健康工作和高效的重要保障之一。
然而,目前航空发动机在工作中经常出现超温,对飞机的安全带来了严重的威胁。
因此许多国家的温度测试相关专家,已把注意力集中到提高温度测试系统的精确性和可靠性上来。
故有一个良好的涡轮温度测试系统非常必要,对超出温度测试系统阈值的危险情况报警,提示飞行员采取相应的措施,保证人机安全。
1.1课题背景
国家对航空航天事业的发展非常重视,并呈现出了不断加快发展的态势。
我国航空发动机事业经历了半个世纪的发展,从仿制到改进、改型,到目前独立研制生产阶段,先后成功研制了涡喷、涡扇发动机,成为独立制造拥有航空涡扇发动机全部自主知识产权的少数国家之一。
21世纪我国的航空事业将步入快速发展时期,据悉2006—2020年中国飞机需求8634架。
未来20年我国运输(包括客运、货运)航空发动机市场值就达到1万亿元考虑到未来商务及通用航空发展,军机更新换代,我国航空发动机市场将更为巨大。
航空发动机为了获得大的单位推力(功率)和优良的各项性能指标,所采用的主要措施就是提高涡轮进口温度,如美国IHPTET计划中,提出了“先进概念”航空燃气涡轮发动机的进口温度,在海平面标准大气条件下,最高1500K。
燃气温度稍有升高,就使发动机效率有很大的提高,然而若发动机内温度过高,达到甚至超过其内部组成材料极限,叶片寿命就会大幅下降,将会发生严重涡轮叶片烧蚀事故。
如我国某型飞机在场外使用中发生了多起发动机涡轮导向器叶片烧蚀故障,因其隐蔽性强,外场使用中不易发现,存在较为严重的事故隐患。
因此,需要对涡轮温度尤其是最高温度有准确的了解。
准确测量涡轮温度,不仅能为叶片设计提供试验参数,了解发动机的运转特性,而且当发动机工作更接近于热极限的情况下,安全地工作,还可以监事和记录叶片的热蠕变、热启动和热疲劳,预测发动机的寿命,为发动机提供维护参数。
涡轮温度测量是航空发动机动态参数测试的一个部分,伴随着航空测试技术的不断进步而发展。
温度测试技术的发展主要包括两部分,分别是适用于温度测量传感器的发展和相应的数据存储处理技术的进步。
1.2课题研究的意义
为了实时监控飞机的飞行状态,及时获得飞机的飞行参数,就要确保飞机的监测系统和报警系统的正常工作。
当航空发动机发生超温或出现危及飞机正常飞行的情况时要及时发出报警信号,以便采取相应措施,保障飞机安全。
本毕业设计的主要内容是深入学习研究单片机及其应用系统的相关知识。
以单片机为核心器件,设计航空发动机涡轮温度测试系统,实现航空发动机涡轮超温报警功能。
利用键盘输入阈值,该阈值与发动机在工作时的实际值进行对比,来检验航空发动机是否工作正常,如果不正常(即超过阈值)就及时报警,来提高飞机的安全性。
为了更清楚飞机的工作情况,用LCD对阈值和各个通道的值进行显示。
其中飞机工作的实际数据通过数字传感器采集,送入单片机与阈值进行比较,如果没有超过阈值,说明正常,然后继续循环采集数据,如果超过阈值,通过报警电路进行报警,提醒飞行人员有故障,然后及时解除故障。
本设计单片机采用AT89C52,其中用C程序实现对系统的控制。
由于目前航空发动机涡轮温度传感器多数采用的是热电偶传感器。
而在实验室中不易达到1500K这样高的温度,所以只能以传感器DS18B20来代替模拟实现其功能。
2航空发动机涡轮温度监测系统硬件电路设计
系统硬件电路的设计是决定温度监测系统的关键步骤之一,一个好的硬件电路设计不仅成本低、可靠性高而且还能使工作人员易懂。
该系统的硬件设计采用单片机、显示器、传感器实现对航空发动机涡轮温度的监测,如有不正常的情况系统报警提示飞行员采取相应的措施确保人机安全。
2.1元器件的选择
购买元器件的一般决策逻辑是:
能不能用,好不好用,耐不耐用,价格。
其实这个逻辑也可以套用在本设计元器件的选择过程中。
下面主要叙述核心器件“单片机”的选择和传感器的选择。
单片机的选择主要从以下几方面考虑:
用途、字长、执行速度、硬、软件支持、成本等。
传感器的选择主要是要考虑所承受的温度范围和所受外部的干扰程度;另外还有外围元器件的选择,应在保证测控系统设计指标的前提下选择成本低,结构简单,通用且工作温度范围变化大等特点的器件。
2.2系统硬件总体概述
本航空发动机涡轮温度监测系统由以下5个模块组成:
中央控制模块、传感模块、显示模块、报警模块和键盘输入模块组成。
其中,中央控制电路是该系统的核心,由单片机AT89C52组成,它完成对采集的各个信号进行分析和协调各个模块之间进行信息交换。
传感器模块电路是对航空发动机涡轮温度系统中主要检测点的温度值进行实时采集,采集后的数据送入单片机,该模块电路主要是为中央控制电路服务(即单片机)。
显示模块电路主要由LCD组成,它的作用是显示阈值和实时显示涡轮的温度值。
报警模块电路主要由蜂鸣器和LED电路组成,它的作用是当实际值超出阈值的时候蜂鸣器报警,提示飞行员采取相应的措施保障飞机的安全。
键盘输入模块主要由单片机独立按键组成,它主要是为系统设置准确的阈值,使涡轮温度工作在最优状态。
整个系统的硬件框图如图2.1所示。
图2.1航空发动机涡轮温度监测系统硬件框图
2.3硬件电路设计
在硬件电路设计时,把硬件电路的设计分成几个模块,这样不仅使设计简单而且还有利于系统排错。
本硬件电路设计就是把系统主要分成5个模块,下面分别对各个模块进行详细的介绍。
2.3.1中央控制模块
根据题目设计要求,本设计选择了AT89C52单片机,这是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
其引脚图如2.2所示。
图2.2AT89C52单片机引脚图
AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为LCD的段选端口,分别LCD的相应功能管脚相连接。
P3.6(16脚)为接入报警端口,P1.6到P1.7(7到8脚)为键盘输入端口,它控制单片机显示通道数、通道值和阈值值。
各引脚连接如图2.3所示:
图2.3单片机的各引脚连接图
1.AT89C52主要特性如下
(1)兼容MCS51指令系统;
(2)8k可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
(3)32个双向I/O口;
(4)256x8bit内部RAM;
(5)3个16位可编程定时/计数器中断;
(6)时钟频率0-24MHz;
(7)2个串行中断,可编程UART串行通道;
(8)2个外部中断源,共8个中断源;
(9)2个读写中断口线,3级加密位;
(10)低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能。
2.管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口,如下表2.4所示:
表2.4P3口的特殊功能
P3口管脚
备选功能
P3.0/RXD
串行输入口
P3.1/TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4/T0
记时器0外部输入
P3.5/T1
记时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.3.2传感器模块
温度传感器DS18B20是美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在,新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。
使你可以充分发挥“一线总线”的优点。
目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题,才能够达到较高的测量精度。
另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣,各种干扰信号较强,模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。
因此,在温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案,新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点,在实际应用中取得了良好的测温效果。
1.DS18B20产品的特点
●只要求一个端口即可实现通信。
●在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
●实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
●测量温度范围在-55.C到+125.C之间。
●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
●内部有温度上、下限告警设置。
TO-92封装的DS18B20的引脚排列见右图,其引脚功能描述见表2.5:
表2.5 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地
2、DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的外形及管脚排列如图2.6所示:
DS18B20引脚定义:
(1)DQ为数字信号输入/输出端;
(2)GND为电源地;
(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
图2.6DS18B20外形及管脚排列
●DS18B20内部结构如图2.7所示:
图2.7DS18B20内部结构
2.3.3LCD显示模块
1.LCD1602基本参数
LCD1602内置HD44780(目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的)专用液晶显示控制器,分为带背光和不带背光两种,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别。
显示容量为16×2个字符,即可以显示2行,每行16个字符。
芯片工作电压:
4.5—5.5V;最佳工作电压为5.0V;工作电流:
2.0mA(5.0V电压下)。
2.LCD1602引脚功能
LCD1602芯片(在proteus中名字为LM016L)采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚功能如图2.8所示:
图2.81602引脚图
VSS:
电源地
VDD:
电源正极
VEE:
液晶显示偏压,为对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS:
数据/命令选择信号,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
RW(read/write,读/写):
读/写控制信号,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
E(enable,使能):
使能端,为1时读取信息,当E端由高电平跳变成低电平(下降沿)时,液晶模块执行命令。
D0~D7:
8位双向数据线。
D0~D7:
8位双向数据线。
BLA:
背光源正极。
BLK:
背光源负极。
本设计电路原理连线图如下2.9图所示,1602的数据端D0~D7连接单片机的P0口,RS、RW、E分别连接单片机的P2.5、P2.6、P2.7。
图2.9单片机与1602仿真连接图
2.3.4报警模块
本设计的报警模块主要由1个发光二极管和蜂鸣器组成。
如果实际值超出阈值,发光二极管灯亮同时电路的实际值超出阈值蜂鸣器就响,以提示飞行员注意存在危险,应该立即采取相应的措施。
系统报警电路如下图2.10所示。
图2.10系统报警电路
2.3.5复位电路模块
单片机的复位电路在刚接通电时,刚开始电容是没有电的,电容内的电阻很低,通电后,5V的电通过电阻给电容进行充电,电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右(此时间很短一般小于0.3秒),RC构成的微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲,其宽度大于两个机器周期,AT89C52将复位。
正因为这样,复位脚的电由低电位升到高电位,引起了内部电路的复位工作,RST端电压慢慢下降,降到一定电压值以后,即为低电平,单片机开始正常工作(这是单片机的上电复位,也叫初始化复位);当按下复位键时,电容两端放电,电容又回到0V了,于是又进行了一次复位工作(这是手动复位原理),复位电路图如下图2.11所示:
图2.11复位电路图
2.3.6阈值设定模块
键盘是一种常见的输入设备,用户可以向计算机输入数据或命令。
根据案件的识别方法分类,有编码键盘和非编码键盘两种。
通过硬件识别的键盘称编码键盘;通过软件识别的键盘成为非编码键盘。
非编码键盘有两种接口方法:
一种是独立按键接口;另一种是矩阵式按键接口。
本设计由于只用2个按键故采用独立按键方式。
每只按键接单片机的一条I/O线,通过对线的查询。
只按键分别与单片机的P1.6~P1.7I/O线上。
无按键按下时,P1.6~P1.7线上均输入高电平。
当某按键按下时,与其相连的I/O线将得到低电平输入有效。
独立按键电路连接如图2.12所示:
图2.12独立按键接口图
3航空发动机涡轮温度监测系统软件设计
本系统的软件编程使用的是美国KeilSoftware公司出品的KeilC51,是51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势[5]。
C51工具包的整体结构中,Vision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(OBJ)。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经C5
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