專利名稱：一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，屬于發(fā)動機工況控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，發(fā)動機性能檢測裝置很多，主要是靠檢測發(fā)動機關(guān)鍵性能指標(biāo)(如配氣相位、供油/點火提前角、供油間隔角、供油均勻度、發(fā)動機竄氣量等)來判斷發(fā)動機性能的，使得這類裝置需額外配備大量傳感器，無疑增加了成本，降低了整體可靠性。屬于這類裝置的有中國專利號94119157. 5公開的動態(tài)發(fā)動機多功能檢測儀，它是通過在柴油機高壓油管上夾持壓力傳感器、在飛輪上方安裝光電傳感器、在飛輪上貼刻度編碼帶的方式來檢測供油提前角、供油間隔角、供油均勻量等指標(biāo)。該裝置額外增加的傳感器較多，向飛輪上貼刻度編碼帶時需拆卸發(fā)動機，且此裝置應(yīng)用對象僅限于柴油機。中國專利號90215162. 2公 開的汽車發(fā)動機微電腦檢測裝置，它是通過在汽油發(fā)動機上安裝高壓信號和一缸點火信號采集傳感器及分電器信號采集傳感器，測量發(fā)動機點火系的白金間隙、白金性能、分電器驅(qū)動凸輪磨損程度及發(fā)動機各缸工作一致性，其測量項目較多，但額外安裝的傳感器也較多，且檢測對象只限于汽油機。雖然以上幾種裝置均對發(fā)動機幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)迸行了檢測分析，但都不能直接有效的反應(yīng)出發(fā)動機的功率，此外，上述檢測儀器大部分是單獨的檢測儀器，不能隨車安裝，只能采用定期檢測的方式，這不僅造成檢測過剩，而且并不能完全預(yù)防故障發(fā)生。為了解決上述問題，技術(shù)人員新開發(fā)了可隨車安裝、不影響機械工作的發(fā)動機性能監(jiān)測裝置，這種監(jiān)測裝置通過分析發(fā)動機各缸作功時對轉(zhuǎn)速提升的幅度來判定發(fā)動機各缸作功一致性及發(fā)動機整體損耗程度，從而反映發(fā)動機的工作性能。雖然這種監(jiān)測在技術(shù)上有了很大的進步，使用也很方便，但是還不能直接有效地全面反應(yīng)發(fā)動機的功率隨著工作時間的積累而發(fā)生相應(yīng)變化的情況，以此來隨時檢測發(fā)動機功率并反映發(fā)動機的功率狀態(tài)。因此在實際工作中迫切需要這樣一種檢測發(fā)動機的功率隨著工作時間而發(fā)生相應(yīng)變化監(jiān)測裝置，以便使管理人員和駕駛員能清楚地了解機器的使用情況。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種通過分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升時所需的時間來計算出發(fā)動機的實際功率，通過與發(fā)動機額定功率比較，即可準(zhǔn)確、全面的反映出發(fā)動機整體損耗程度的監(jiān)測裝置，同時要避免收到雜波信號的干擾。本實用新型為實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，以上裝置的電路板結(jié)構(gòu)中包括依次電連接的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、信號采集處理電路、設(shè)有單片機的中央處理電路，其關(guān)鍵在于在信號采集處理電路的輸出端增設(shè)光耦隔離電路，光耦隔離電路的信號輸出端與中央處理電路中的單片機的輸入端連接。本實用新型采用采集精度很高的ns級采集和處理電路，可識別出發(fā)動機飛輪各個齒間的轉(zhuǎn)速差距，通過分析發(fā)動機從某一轉(zhuǎn)速提升至另一轉(zhuǎn)速時所需時間AT，按照功率運算公式N=K/ Δ T來運算出此時發(fā)動機的實際功率，(功率常數(shù)K是通過在大量同一車型新出廠的發(fā)動機上在特定工況下實驗得的一個標(biāo)準(zhǔn)值)將發(fā)動機的實際功率與額定功率相比較，來分析發(fā)動機的功率損耗程度。本產(chǎn)品可以隨車安裝監(jiān)測或單獨使用，能夠在機械不停車、不解體、不影響正常工作的情況下實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)動機的功率衰減超標(biāo)時就會向駕駛員報警，防止形成重大故障事故的隱患。本產(chǎn)品反應(yīng)靈敏、控制精度高、抗干擾能力強且體積較小。同時在電路結(jié)構(gòu)中增設(shè)了光耦隔離器件，避免了電磁波等雜波信號的干擾。
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明。

圖I是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2是本實用新型中信號處理電路的實施例。圖3是本實用新型中信號處理電路的另一實施例。圖4是本實用新型中光耦隔離電路的實施例。附圖中，I是信號采集處理電路，2是中央處理電路，3是顯示報警模塊，4是鍵盤輸入模塊，5是轉(zhuǎn)速傳感器,6是光稱隔離電路,6-1是光稱合器。
具體實施方式
一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，以上裝置的電路板結(jié)構(gòu)中包括依次電連接的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器5、信號采集處理電路I、設(shè)有單片機2-1的中央處理電路2，其關(guān)鍵在于在信號采集處理電路I的輸出端增設(shè)光耦隔離電路6，光耦隔離電路6的信號輸出端與中央處理電路2中的單片機2-1的輸入端連接。上述的信號采集處理電路I由運算放大器IC1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、二極管Dl組成，電阻Rl和電阻R3串聯(lián)接在電源和地之間，其節(jié)點接在運算放大器IC的同相端，電阻R4接在+5v電源與運算放大器ICl輸出端之間，轉(zhuǎn)速傳感器5輸出電壓信號通過電阻R2接運算放大器ICl的反相端，二極管Dl接在運算放大器ICl的反相端與地之間，運算放大器ICl的輸出端接光耦隔離電路6的輸入端。上述的中央處理電路2的單片機2-1采用80C196型CPU芯片，光耦隔離電路6的輸出端接80C196芯片的HIS. O 口。上述的信號采集處理電路I由取樣電路、脈沖發(fā)生電路、耦合電路、分頻展寬電路組成。上述的取樣電路由運算放大器IC2、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、二極管D2組成，電阻R5和電阻R6串聯(lián)接在電源和地之間，其節(jié)點接在運算放大器IC2的同相端，電阻R8接在+5V電源與運算放大器IC2輸出端之間，轉(zhuǎn)速傳感器5輸出電壓信號通過電阻R6接運算放大器IC2的反相端，二極管D2接在接運算放大器IC2反相端與地之間，運算放大器IC2的輸出端接光耦隔離電路6的輸入端；脈沖發(fā)生電路由晶振Z1、電阻R9、電阻R10、電容Cl和兩輸入四與非門IC3組成，晶振Zl的兩端分別接兩輸入四與非門IC3的1、2腳的接點和9、10腳的接點，電阻R9、電阻RlO分別接在兩輸入四與非門IC3的1、3腳和4、9腳之間，電容Cll接在兩輸入四與非門IC3的3腳和4、5腳的接點之間，兩輸入四與非門IC3的8腳為脈沖發(fā)生電路的輸出端；耦合電路是兩輸入四與非門IC3中的一組與非門輸入端和輸出端，即兩輸入四與非門IC3的11、12、13腳，取樣電路的輸出端和脈沖發(fā)生電路輸出端分別接到兩輸入四與非門IC3的12、13腳，兩輸入四與非門IC3的11腳是輸出端接分頻展寬電路；分頻展寬電路由雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4、可預(yù)置數(shù)的16進制雙向計數(shù)器IC5、電阻R11、電阻R12、電容C2、電容C3組成，雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4采用74123芯片，雙向計數(shù)器IC5采用74193芯片，74123芯片的I 4腳、13 15腳和電阻R11、電容C2構(gòu)成第一組單穩(wěn)觸發(fā)器，5 7、9 12腳、電阻R12、電容C3構(gòu)成另一組單穩(wěn)觸發(fā)器,稱合電路輸出端接74123芯片第一組單穩(wěn)觸發(fā)器的I腳，其2、3腳接高電平，4腳為輸出，接至74193芯片的5腳，74193芯片的12腳輸出再接至74123芯片的9腳，74123芯片的12腳接至CPU的T2CLK腳，電阻Rll接在Vcc和74123芯片的15腳之間，電容C2接在15腳與14腳之間，14腳接地，4、11腳接高電平，7、6、2、3腳分別接CPU的PO. 3 PO. O接口，74193芯片的14腳接至(PU的Pl. 5接口，74123芯片的另一組單穩(wěn)觸發(fā)器的外圍接線原理同第一組；取樣電路的運算放大器IC41的輸出端通過光耦隔離電路6后接中央處理電路的80C196芯片的Pl. 4接□。 上述裝置的電路板結(jié)構(gòu)中還包括分別與中央處理電路連接的顯示報警模塊3和鍵盤輸入模塊4。上述的中央處理電路2的結(jié)構(gòu)中包括單片機、以及分別與單片機連接的譯碼器、地址鎖存器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。參看圖4，上述的光耦隔離電路6的結(jié)構(gòu)中包括由發(fā)光二極管D3和光敏二極管D4組成的光耦合器6-1、電阻R13、電阻R14、電阻R15，電阻R13、電阻R14依次串接在信號采集處理電路I的信號輸出端，發(fā)光二極管D3的兩端并接在電阻R14的兩端，光敏二極管D4的發(fā)射極接地，集電極輸出信號，電阻R15的兩端分別接在光敏二極管D4的集電極和電源Vcc之間。本實用新型是一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其功率運算理論是根據(jù)公式=Ne=K/ ΔΤ(Νε—發(fā)動機的額定功率；Κ—發(fā)動機的功率常數(shù)Λ T-時間
差)O發(fā)動機的額定功率Ne是一個定值，Δ T指的是挖掘機自動減速解除的瞬間兩轉(zhuǎn)速的時間差。挖掘機的自動減速指的是當(dāng)機器等待工作時，如果所有的控制桿都在空檔位置，發(fā)動機是在減速驅(qū)動速度(約1400 rpm)之上運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機速度立即下降到低于設(shè)定速度約100 rpm，達到減速位置。如果又過4秒鐘，發(fā)動機速度則降到更低的減速位置(約1400rpm)，并保持在該速度直至操作任一控制桿，發(fā)動機速度立即升高到由燃油控制盤所設(shè)定的速度，由于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速提升是通過泵控制器控制步進馬達提速，因此從發(fā)動機更低的減速位置時的轉(zhuǎn)速升至燃油控制盤所設(shè)定的轉(zhuǎn)速時僅用小于I秒的時間，這一工況是一個較標(biāo)準(zhǔn)的、重復(fù)性較好的測試工況，優(yōu)于普通無負荷測功的人工拉動油門的工況。通過在同一車型新出廠的機器上做大量實驗，取得Λ T的平均值，由于發(fā)動機額定功率是定值，即可得到各發(fā)動機的功率常數(shù)K值，將各種車型的功率常數(shù)K值輸入計算機的存儲器中，這樣計算機就可以根據(jù)實際功率常數(shù)1($、兩轉(zhuǎn)速實際時間差Λ ，來計算實際功率Np從實際功率與額定功率的比值就可以得出發(fā)動機的功率的損耗程度。本實用新型基本電路由信號采集處理電路I、中央處理電路2、顯示報警部分3和鍵盤電路4、轉(zhuǎn)速傳感器5、光耦隔離電路6組成。中央處理電路2包括單片機、譯碼器、地址鎖存器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。顯示報警部分3和鍵盤電路4分別與中央處理電路2相連接，信號采集處理電路I的輸出端經(jīng)光耦隔離電路6后接中央處理電路2。中央處理電路2中的單片機采用80C196芯片。參看圖2，信號采集處理電路I具體由運算放大器IC1、電阻Rl R4、二極管Dl組成。電阻Rl和電阻R3串在電源和地之間，為運算放大器ICl提供比較基準(zhǔn)電壓；R4接在+5v電源與運算放大器ICl輸出端之間，用以將運算放大器ICl的輸出上拉。運算放大器ICl的反相端接轉(zhuǎn)速傳感器5輸出電壓信號，電阻R2接在輸入信號與運算放大器ICl反相端之間，防止輸入電壓低于-O. 7V時，由地經(jīng)二極管D l流向輸入端的電流過大而損壞轉(zhuǎn)速傳感器5。二極管Dl接在運算放大器ICl反相端與地之間，防止輸入端輸出至運算放大器ICl反相端的電壓過低。圖3是信號采集處理電路I的另一個實施例。它由取樣電路、脈沖發(fā)生電路、耦合電路、分頻展寬電路組成。取樣電路用以將轉(zhuǎn)速傳感器5輸出的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為方波信號，脈沖發(fā)生電路用以產(chǎn)生高頻脈沖，耦合電路用以將取樣電路輸出的方波信號和脈沖發(fā)生電路輸出的高頻脈沖相耦合，以提高計數(shù)精度，分頻展寬電路是高頻耦合信號和CPU之間的過渡電路，用以間接提高CPU性能，提高本裝置的性能價格比。這種信號采集處理電路采用脈沖發(fā)生電路的原因是，當(dāng)轉(zhuǎn)速在很小的范圍內(nèi)變化時，時間的變化范圍也很小，故需精確計算出轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)信號的脈寬，因此通過采用向轉(zhuǎn)速信號中耦合高頻脈沖，通過計高頻脈沖個數(shù)的方式來計轉(zhuǎn)速信號的脈寬。晶振Z1、電阻R9、R10、電容Cl和兩輸入四與非門IC3組成高頻脈沖發(fā)生電路，兩輸入四與非門IC3為脈沖發(fā)生電路提供反向器，通過將比較器輸出端和脈沖發(fā)生電路輸出端分別接到兩輸入四與非門IC3的一組與非門輸入端(兩輸入四與非門IC3第12、13腳)，使經(jīng)取樣電路處理的轉(zhuǎn)速信號和脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的高頻脈沖相與非，實現(xiàn)信號耦合。再者，因本實施例采用的CPU芯片80C196支持主頻不是很高，如系統(tǒng)用ISMhz晶振，則其最快計數(shù)速率下也只能計4. 5Mhz脈沖，為提高計數(shù)精度，需提高頻脈沖頻率，為彌補CPU速度慢的缺陷，又現(xiàn)采用將高頻脈沖分頻展寬后輸出給CPU的方式。以上所敘述的脈沖分頻展寬電路是在CPU支持主頻不高的情況采用的一種彌補措施，如采用高性能、支持主頻較高的CPU，則分頻展寬電路可以省去。當(dāng)取樣電路輸出電壓為高電平時，對應(yīng)耦合結(jié)果信號的高頻部分，則CPU檢測到Pl. 4接口輸入信號為高時，通過內(nèi)部定時器對T2CLK腳輸入的高頻脈沖計數(shù)，可得到取樣電路輸出信號高電平部分的脈寬。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升所用時間Λ T代入公式Ν$=Κ/ Δ T實進行運算就可以得到發(fā)動機的實際功率。當(dāng)發(fā)動機實際功率與額定功率的比值達到規(guī)定數(shù)值時，則通過顯示器向駕駛員報警，并將檢測運算結(jié)果輸出在顯示器上。
權(quán)利要求1.一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，以上裝置的電路板結(jié)構(gòu)中包括依次電連接的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器(5)、信號采集處理電路(I)、設(shè)有單片機(2-1)的中央處理電路(2)，其特征在于在信號采集處理電路(I)的輸出端增設(shè)光耦隔離電路(6)，光耦隔離電路(6)的信號輸出端與中央處理電路(2)中的單片機(2-1)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的信號采集處理電路(I)由運算放大器IC1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、二極管Dl組成，電阻Rl和電阻R3串聯(lián)接在電源和地之間，其節(jié)點接在運算放大器IC的同相端，電阻R4接在+5v電源與運算放大器ICl輸出端之間，轉(zhuǎn)速傳感器(5)輸出電壓信號通過電阻R2接運算放大器ICl的反相端，二極管Dl接在運算放大器ICl的反相端與地之間，運算放大器ICl的輸出端接光耦隔離電路(6)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的中央處理電路(2)的單片機(2-1)采用80C196型CPU芯片，光耦隔離電路(6)的輸出端接80C196芯片的HIS. O 口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的信號采集處理電路(I)由取樣電路、脈沖發(fā)生電路、耦合電路、分頻展寬電路組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的取樣電路由運算放大器IC2、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、二極管D2組成，電阻R5和電阻R6串聯(lián)接在電源和地之間，其節(jié)點接在運算放大器IC2的同相端，電阻R8接在+5V電源與運算放大器IC2輸出端之間，轉(zhuǎn)速傳感器(5)輸出電壓信號通過電阻R6接運算放大器IC2的反相端，二極管D2接在接運算放大器IC2反相端與地之間，運算放大器IC2的輸出端接光耦隔離電路(6)的輸入端；脈沖發(fā)生電路由晶振Z1、電阻R9、電阻R10、電容Cl和兩輸入四與非門IC3組成，晶振Zl的兩端分別接兩輸入四與非門IC3的1、2腳的接點和9、10腳的接點，電阻R9、電阻RlO分別接在兩輸入四與非門IC3的1、3腳和4、9腳之間，電容Cll接在兩輸入四與非門IC3的3腳和4、5腳的接點之間，兩輸入四與非門IC3的8腳為脈沖發(fā)生電路的輸出端；耦合電路是兩輸入四與非門IC3中的一組與非門輸入端和輸出端，即兩輸入四與非門IC3的11、12、13腳，取樣電路的輸出端和脈沖發(fā)生電路輸出端分別接到兩輸入四與非門IC3的12、13腳，兩輸入四與非門IC3的11腳是輸出端接分頻展寬電路；分頻展寬電路由雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4、可預(yù)置數(shù)的16進制雙向計數(shù)器IC5、電阻R11、電阻R12、電容C2、電容C3組成，雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4采用74123芯片，雙向計數(shù)器IC5采用74193芯片，74123芯片的I 4腳、13 15腳和電阻R11、電容C2構(gòu)成第一組單穩(wěn)觸發(fā)器，5 7、9 12腳、電阻R12、電容C3構(gòu)成另一組單穩(wěn)觸發(fā)器,稱合電路輸出端接74123芯片第一組單穩(wěn)觸發(fā)器的I腳，其2、3腳接高電平，4腳為輸出，接至74193芯片的5腳，74193芯片的12腳輸出再接至74123芯片的9腳，74123芯片的12腳接至CPU的T2CLK腳，電阻Rll接在Vcc和74123芯片的15腳之間，電容C2接在15腳與14腳之間，14腳接地，4、11腳接高電平，7、6、2、3腳分別接CPU的PO. 3 PO. O接口，74193芯片的14腳接至(PU的Pl. 5接口，74123芯片的另一組單穩(wěn)觸發(fā)器的外圍接線原理同第一組；取樣電路的運算放大器IC41的輸出端通過光耦隔離電路(6)后接中央處理電路的80C196芯片的Pl. 4接□。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述裝置的電路板結(jié)構(gòu)中還包括分別與中央處理電路連接的顯示報警模塊(3)和鍵盤輸入模塊(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的中央處理電路(2)的結(jié)構(gòu)中包括單片機、以及分別與單片機連接的譯碼器、地址鎖存器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，其特征在于所述的光耦隔離電路(6)的結(jié)構(gòu)中包括由發(fā)光二極管D3和光敏二極管D4組成的光耦合器(6-1)、電阻R13、電阻R14、電阻R15，電阻R13、電阻R14依次串接在信號采集處理電路(I)的信號輸出端，發(fā)光二極管D3的兩端并接在電阻R14的兩端，光敏二極管D4的發(fā)射極接地，集電極輸出信號，電阻R15的兩端分別接在光敏二極管D4的集電極和電源Vcc之間。
專利摘要一種帶有光耦隔離電路的車載發(fā)動機功率監(jiān)測裝置，提供一種通過分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升時所需的時間來計算出發(fā)動機的實際功率，采用的技術(shù)方案是以上裝置的電路板結(jié)構(gòu)中包括依次電連接的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、信號采集處理電路、設(shè)有單片機的中央處理電路，在信號采集處理電路的輸出端增設(shè)光耦隔離電路，光耦隔離電路的信號輸出端與中央處理電路中的單片機的輸入端連接。本產(chǎn)品可以隨車安裝監(jiān)測或單獨使用，能夠在機械不停車、不解體、不影響正常工作的情況下實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)動機的功率衰減超標(biāo)時就會向駕駛員報警，防止形成重大故障事故的隱患。同時在電路結(jié)構(gòu)中增設(shè)了光耦隔離器件，避免了電磁波等雜波信號的干擾。
文檔編號G01L3/24GK202631172SQ20122028299
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者韓曉明 申請人:石家莊開發(fā)區(qū)天遠科技有限公司