CN202631172U

CN202631172U - 一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置

Info

Publication number: CN202631172U
Application number: CN 201220282997
Authority: CN
Inventors: 韩晓明
Original assignee: Shijiazhuang Development Zone Tianyuan Technology Co Ltd
Current assignee: Shijiazhuang Development Zone Tianyuan Technology Co Ltd
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2022-06-15

Abstract

一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，提供一种通过分析发动机转速提升时所需的时间来计算出发动机的实际功率，采用的技术方案是：以上装置的电路板结构中包括：依次电连接的磁电式转速传感器、信号采集处理电路、设有单片机的中央处理电路，在信号采集处理电路的输出端增设光耦隔离电路，光耦隔离电路的信号输出端与中央处理电路中的单片机的输入端连接。本产品可以随车安装监测或单独使用，能够在机械不停车、不解体、不影响正常工作的情况下实时监测，当发动机的功率衰减超标时就会向驾驶员报警，防止形成重大故障事故的隐患。同时在电路结构中增设了光耦隔离器件，避免了电磁波等杂波信号的干扰。

Description

一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，属于发动机工况控制技术领域。

背景技术

目前，发动机性能检测装置很多，主要是靠检测发动机关键性能指标（如配气相位、供油／点火提前角、供油间隔角、供油均匀度、发动机窜气量等）来判断发动机性能的，使得这类装置需额外配备大量传感器，无疑增加了成本，降低了整体可靠性。属于这类装置的有：中国专利号94119157.5公开的动态发动机多功能检测仪，它是通过在柴油机高压油管上夹持压力传感器、在飞轮上方安装光电传感器、在飞轮上贴刻度编码带的方式来检测供油提前角、供油间隔角、供油均匀量等指标。该装置额外增加的传感器较多，向飞轮上贴刻度编码带时需拆卸发动机，且此装置应用对象仅限于柴油机。中国专利号90215162.2公开的汽车发动机微电脑检测装置，它是通过在汽油发动机上安装高压信号和一缸点火信号采集传感器及分电器信号采集传感器，测量发动机点火系的白金间隙、白金性能、分电器驱动凸轮磨损程度及发动机各缸工作一致性，其测量项目较多，但额外安装的传感器也较多，且检测对象只限于汽油机。虽然以上几种装置均对发动机几个关键性能指标迸行了检测分析，但都不能直接有效的反应出发动机的功率，此外，上述检测仪器大部分是单独的检测仪器，不能随车安装，只能采用定期检测的方式，这不仅造成检测过剩，而且并不能完全预防故障发生。

为了解决上述问题，技术人员新开发了可随车安装、不影响机械工作的发动机性能监测装置，这种监测装置通过分析发动机各缸作功时对转速提升的幅度来判定发动机各缸作功一致性及发动机整体损耗程度，从而反映发动机的工作性能。虽然这种监测在技术上有了很大的进步，使用也很方便，但是还不能直接有效地全面反应发动机的功率随着工作时间的积累而发生相应变化的情况，以此来随时检测发动机功率并反映发动机的功率状态。因此在实际工作中迫切需要这样一种检测发动机的功率随着工作时间而发生相应变化监测装置，以便使管理人员和驾驶员能清楚地了解机器的使用情况。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种通过分析发动机转速提升时所需的时间来计算出发动机的实际功率，通过与发动机额定功率比较，即可准确、全面的反映出发动机整体损耗程度的监测装置，同时要避免收到杂波信号的干扰。

本实用新型为实现发明目的采用的技术方案是：一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，以上装置的电路板结构中包括：依次电连接的磁电式转速传感器、信号采集处理电路、设有单片机的中央处理电路，其关键在于：在信号采集处理电路的输出端增设光耦隔离电路，光耦隔离电路的信号输出端与中央处理电路中的单片机的输入端连接。

本实用新型采用采集精度很高的ns级采集和处理电路，可识别出发动机飞轮各个齿间的转速差距，通过分析发动机从某一转速提升至另一转速时所需时间△T，按照功率运算公式N=K/△T来运算出此时发动机的实际功率，（功率常数K是通过在大量同一车型新出厂的发动机上在特定工况下实验得的一个标准值）将发动机的实际功率与额定功率相比较，来分析发动机的功率损耗程度。本产品可以随车安装监测或单独使用，能够在机械不停车、不解体、不影响正常工作的情况下实时监测，当发动机的功率衰减超标时就会向驾驶员报警，防止形成重大故障事故的隐患。本产品反应灵敏、控制精度高、抗干扰能力强且体积较小。同时在电路结构中增设了光耦隔离器件，避免了电磁波等杂波信号的干扰。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理框图。

图2是本实用新型中信号处理电路的实施例。

图3是本实用新型中信号处理电路的另一实施例。

图4是本实用新型中光耦隔离电路的实施例。

附图中，1是信号采集处理电路，2是中央处理电路，3是显示报警模块，4是键盘输入模块，5是转速传感器，6是光耦隔离电路，6-1是光耦合器。

具体实施方式

一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，以上装置的电路板结构中包括：依次电连接的磁电式转速传感器5、信号采集处理电路1、设有单片机2-1的中央处理电路2，其关键在于：在信号采集处理电路1的输出端增设光耦隔离电路6，光耦隔离电路6的信号输出端与中央处理电路2中的单片机2-1的输入端连接。

上述的信号采集处理电路1由运算放大器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1组成，电阻R1和电阻R3串联接在电源和地之间，其节点接在运算放大器IC的同相端，电阻R4接在+5v电源与运算放大器IC1输出端之间，转速传感器5输出电压信号通过电阻R2接运算放大器IC1的反相端，二极管D1接在运算放大器IC1的反相端与地之间，运算放大器IC1的输出端接光耦隔离电路6的输入端。

上述的中央处理电路2的单片机2-1采用80C196型CPU芯片，光耦隔离电路6的输出端接80C196芯片的HIS.O口。

上述的信号采集处理电路1由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成。

上述的取样电路由运算放大器IC2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D2组成，电阻R5和电阻R6串联接在电源和地之间，其节点接在运算放大器IC2的同相端，电阻R8接在+5V电源与运算放大器IC2输出端之间，转速传感器5输出电压信号通过电阻R6接运算放大器IC2的反相端，二极管D2接在接运算放大器IC2反相端与地之间，运算放大器IC2的输出端接光耦隔离电路6的输入端；脉冲发生电路由晶振Z1、电阻R9、电阻R10、电容C1和两输入四与非门IC3组成，晶振Z1的两端分别接两输入四与非门IC3的l、2脚的接点和9、10脚的接点，电阻R9、电阻R10分别接在两输入四与非门IC3的1、3脚和4、9脚之间，电容C11接在两输入四与非门IC3的3脚和4、5脚的接点之间，两输入四与非门IC3的8脚为脉冲发生电路的输出端；耦合电路是两输入四与非门IC3中的一组与非门输入端和输出端，即两输入四与非门IC3的11、12、13脚，取样电路的输出端和脉冲发生电路输出端分别接到两输入四与非门IC3的12、13脚，两输入四与非门IC3的11脚是输出端接分频展宽电路；分频展宽电路由双单稳态触发器IC4、可预置数的16进制双向计数器IC5、电阻R11、电阻R12、电容C2、电容C3组成，双单稳态触发器IC4采用74123芯片，双向计数器IC5采用74193芯片，74123芯片的1～4脚、13～15脚和电阻R11、电容C2构成第一组单稳触发器，5～7、9～12脚、电阻R12、电容C3构成另一组单稳触发器，耦合电路输出端接74123芯片第一组单稳触发器的1脚，其2、3脚接高电平，4脚为输出，接至74193芯片的5脚，74193芯片的12脚输出再接至74123芯片的9脚，74123芯片的12脚接至CPU的T2CLK脚，电阻R11接在Vcc和74123芯片的15脚之间，电容C2接在15脚与14脚之间，14脚接地，4、11脚接高电平，7、6、2、3脚分别接CPU的PO. 3～PO.0接口，74193芯片的14脚接至CPU的Pl.5接口，74123芯片的另一组单稳触发器的外围接线原理同第一组；取样电路的运算放大器IC41的输出端通过光耦隔离电路6后接中央处理电路的80C196芯片的Pl.4接口。

上述装置的电路板结构中还包括分别与中央处理电路连接的显示报警模块3和键盘输入模块4。

上述的中央处理电路2的结构中包括单片机、以及分别与单片机连接的译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器。

参看图4，上述的光耦隔离电路6的结构中包括：由发光二极管D3和光敏二极管D4组成的光耦合器6-1、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电阻R13、电阻R14依次串接在信号采集处理电路1的信号输出端，发光二极管D3的两端并接在电阻R14的两端，光敏二极管D4的发射极接地，集电极输出信号，电阻R15的两端分别接在光敏二极管D4的集电极和电源Vcc之间。

本实用新型是一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其功率运算理论是根据公式：N_E=K/△T(N_E--发动机的额定功率；K--发动机的功率常数：△T--时间差)。

发动机的额定功率N_E是一个定值，△T指的是挖掘机自动减速解除的瞬间两转速的时间差。挖掘机的自动减速指的是当机器等待工作时，如果所有的控制杆都在空档位置，发动机是在减速驱动速度（约1400 rpm）之上运转时，发动机速度立即下降到低于设定速度约100 rpm，达到减速位置。如果又过4秒钟，发动机速度则降到更低的减速位置(约1400 rpm)，并保持在该速度直至操作任一控制杆，发动机速度立即升高到由燃油控制盘所设定的速度，由于发动机的转速提升是通过泵控制器控制步进马达提速，因此从发动机更低的减速位置时的转速升至燃油控制盘所设定的转速时仅用小于1秒的时间，这一工况是一个较标准的、重复性较好的测试工况，优于普通无负荷测功的人工拉动油门的工况。通过在同一车型新出厂的机器上做大量实验，取得△T的平均值，由于发动机额定功率是定值，即可得到各发动机的功率常数K值，将各种车型的功率常数K值输入计算机的存储器中，这样计算机就可以根据实际功率常数K_实、两转速实际时间差△T_实，来计算实际功率N_实。从实际功率与额定功率的比值就可以得出发动机的功率的损耗程度。

本实用新型基本电路由信号采集处理电路1、中央处理电路2、显示报警部分3和键盘电路4、转速传感器5、光耦隔离电路6组成。中央处理电路2包括单片机、译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器。显示报警部分3和键盘电路4分别与中央处理电路2相连接，信号采集处理电路1的输出端经光耦隔离电路6后接中央处理电路2。

中央处理电路2中的单片机采用80C196芯片。

参看图2，信号采集处理电路1具体由运算放大器IC1、电阻R1～R4、二极管D1组成。电阻R1和电阻R3串在电源和地之间，为运算放大器IC1提供比较基准电压；R4接在+5v电源与运算放大器IC1输出端之间，用以将运算放大器IC1的输出上拉。运算放大器IC1的反相端接转速传感器5输出电压信号，电阻R2接在输入信号与运算放大器IC1反相端之间，防止输入电压低于-0.7V时，由地经二极管D1流向输入端的电流过大而损坏转速传感器5。二极管D1接在运算放大器IC1反相端与地之间，防止输入端输出至运算放大器IC1反相端的电压过低。

图3是信号采集处理电路1的另一个实施例。它由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成。取样电路用以将转速传感器5输出的感应电动势转换为方波信号，脉冲发生电路用以产生高频脉冲，耦合电路用以将取样电路输出的方波信号和脉冲发生电路输出的高频脉冲相耦合，以提高计数精度，分频展宽电路是高频耦合信号和CPU之间的过渡电路，用以间接提高CPU性能，提高本装置的性能价格比。这种信号采集处理电路采用脉冲发生电路的原因是，当转速在很小的范围内变化时，时间的变化范围也很小，故需精确计算出转速传感器感应信号的脉宽，因此通过采用向转速信号中耦合高频脉冲，通过计高频脉冲个数的方式来计转速信号的脉宽。晶振Z1、电阻R9、R10、电容C1和两输入四与非门IC3组成高频脉冲发生电路，两输入四与非门IC3为脉冲发生电路提供反向器，通过将比较器输出端和脉冲发生电路输出端分别接到两输入四与非门IC3的一组与非门输入端（两输入四与非门IC3第12、13脚），使经取样电路处理的转速信号和脉冲发生电路产生的高频脉冲相与非，实现信号耦合。再者，因本实施例采用的CPU芯片80C196支持主频不是很高，如系统用18Mhz晶振，则其最快计数速率下也只能计4.5Mhz脉冲，为提高计数精度，需提高频脉冲频率，为弥补CPU速度慢的缺陷，又现采用将高频脉冲分频展宽后输出给CPU的方式。

以上所叙述的脉冲分频展宽电路是在CPU支持主频不高的情况采用的一种弥补措施，如采用高性能、支持主频较高的CPU，则分频展宽电路可以省去。

当取样电路输出电压为高电平时，对应耦合结果信号的高频部分，则CPU检测到Pl.4接口输入信号为高时，通过内部定时器对T2CLK脚输入的高频脉冲计数，可得到取样电路输出信号高电平部分的脉宽。将发动机转速提升所用时间△T代入公式：N_实=K/△T实进行运算就可以得到发动机的实际功率。当发动机实际功率与额定功率的比值达到规定数值时，则通过显示器向驾驶员报警，并将检测运算结果输出在显示器上。

Claims

1.一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，以上装置的电路板结构中包括：依次电连接的磁电式转速传感器（5）、信号采集处理电路（1）、设有单片机（2-1）的中央处理电路（2），其特征在于：在信号采集处理电路（1）的输出端增设光耦隔离电路（6），光耦隔离电路（6）的信号输出端与中央处理电路（2）中的单片机（2-1）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的信号采集处理电路（1）由运算放大器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1组成，电阻R1和电阻R3串联接在电源和地之间，其节点接在运算放大器IC的同相端，电阻R4接在+5v电源与运算放大器IC1输出端之间，转速传感器（5）输出电压信号通过电阻R2接运算放大器IC1的反相端，二极管D1接在运算放大器IC1的反相端与地之间，运算放大器IC1的输出端接光耦隔离电路（6）的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的中央处理电路（2）的单片机（2-1）采用80C196型CPU芯片，光耦隔离电路（6）的输出端接80C196芯片的HIS.O口。

4.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的信号采集处理电路（1）由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成。

5.根据权利要求4所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的取样电路由运算放大器IC2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D2组成，电阻R5和电阻R6串联接在电源和地之间，其节点接在运算放大器IC2的同相端，电阻R8接在+5V电源与运算放大器IC2输出端之间，转速传感器（5）输出电压信号通过电阻R6接运算放大器IC2的反相端，二极管D2接在接运算放大器IC2反相端与地之间，运算放大器IC2的输出端接光耦隔离电路（6）的输入端；脉冲发生电路由晶振Z1、电阻R9、电阻R10、电容C1和两输入四与非门IC3组成，晶振Z1的两端分别接两输入四与非门IC3的l、2脚的接点和9、10脚的接点，电阻R9、电阻R10分别接在两输入四与非门IC3的1、3脚和4、9脚之间，电容C11接在两输入四与非门IC3的3脚和4、5脚的接点之间，两输入四与非门IC3的8脚为脉冲发生电路的输出端；耦合电路是两输入四与非门IC3中的一组与非门输入端和输出端，即两输入四与非门IC3的11、12、13脚，取样电路的输出端和脉冲发生电路输出端分别接到两输入四与非门IC3的12、13脚，两输入四与非门IC3的11脚是输出端接分频展宽电路；分频展宽电路由双单稳态触发器IC4、可预置数的16进制双向计数器IC5、电阻R11、电阻R12、电容C2、电容C3组成，双单稳态触发器IC4采用74123芯片，双向计数器IC5采用74193芯片，74123芯片的1～4脚、13～15脚和电阻R11、电容C2构成第一组单稳触发器，5～7、9～12脚、电阻R12、电容C3构成另一组单稳触发器，耦合电路输出端接74123芯片第一组单稳触发器的1脚，其2、3脚接高电平，4脚为输出，接至74193芯片的5脚，74193芯片的12脚输出再接至74123芯片的9脚，74123芯片的12脚接至CPU的T2CLK脚，电阻R11接在Vcc和74123芯片的15脚之间，电容C2接在15脚与14脚之间，14脚接地，4、11脚接高电平，7、6、2、3脚分别接CPU的PO. 3～PO.0接口，74193芯片的14脚接至CPU的Pl.5接口，74123芯片的另一组单稳触发器的外围接线原理同第一组；取样电路的运算放大器IC41的输出端通过光耦隔离电路（6）后接中央处理电路的80C196芯片的Pl.4接口。

6.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述装置的电路板结构中还包括分别与中央处理电路连接的显示报警模块（3）和键盘输入模块（4）。

7.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的中央处理电路（2）的结构中包括单片机、以及分别与单片机连接的译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器。

8.根据权利要求1所述的一种带有光耦隔离电路的车载发动机功率监测装置，其特征在于：所述的光耦隔离电路（6）的结构中包括：由发光二极管D3和光敏二极管D4组成的光耦合器（6-1）、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电阻R13、电阻R14依次串接在信号采集处理电路（1）的信号输出端，发光二极管D3的两端并接在电阻R14的两端，光敏二极管D4的发射极接地，集电极输出信号，电阻R15的两端分别接在光敏二极管D4的集电极和电源Vcc之间。