发动机台架压力测试系统设计
目 录
1 绪论 1
1.1 发动机台架试验的目的与意义 1
1.2 发动机台架试验的发展状况 1
1.3 课题研究的目的与意义 3
1.4 课题完成的主要任务 3
2 发动机台架压力测试系统总体设计 3
2. 1 PROTEUS简介 3
2. 2 发动机台架压力测试系统总体布置 4
2. 3 硬件电路设计 5
3 系统的软件设计与仿真数据分析 17
3. 1 软件设计 17
结 论 24
参 考 文 献 25
致 谢 26
附 录 27
1 绪论
发动机的性能台架试验是应用广泛的基本实验，在发动机工业中有着重要的意义。在发动机新产品研发的过程中，必须通过发动机台架试验去验证新型发动机是否能达到整机性能的设计要求及标准，并为日后的改进提供正确的方向；而对于成熟发动机产品来说，也必须通过发动机台架试验来不断改进细节部分，以满足日益加强的车辆需求。
1. 1 发动机台架试验的目的与意义
发动机台架试验是检测发动机的性能指标和可靠性的重要实验，也是考核发动机动力性、经济性、工作可靠性以及检查整机和零部件的制造质量、可靠性、耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、设计、制造新型发动机的一个的重要环节[1]。
按照发动机台架试验的目的，可将发动机台架试验分为性能试验以及可靠性试验。其中性能试验是用来评定发动机的动力性、经济性和其它重要性能，为了满足越来越严格的排放法规以及节约能源的要求，人们锲而不舍的对发动机进行研究以提高其性能，发动机台架试验则是性能研究的基础手段，对于车用发动机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
来说，提高其变工况和动态工况下的工作性能尤其重要；发动机可靠性试验是通过对发动机和相关零部件施加各种负荷来考验它的可靠性，发动机台架试验不仅用来检验发动机整体和相关零部件的可靠性，同时也用来验证发动机的性能能否达到最初的设计指标，所以一台发动机在成功量产前离不开大量的台架试验[2]。
1. 2 发动机台架试验的发展状况
早在20世纪中期，人们就开始了对台架测试技术的研究。由于各学科间知识相互渗透且相互联系，尤其是计算机技术的快速发展，使发动机台架测试技术不仅用于发动机成熟产品的性能优化，而且更多的被使用在新型发动机的研发阶段[3]。新型发动机的开发在对台架测试技术提出更加严格标准的同时，台架测试技术水平的提高也为新型发动机的研发提供了强而有力的保障[4]。
随着通讯方式、电子元器件以及计算机技术等在发动机台架检测技术领域的应用，使得发动机测试技术获得了极大的发展空间，并且为发动机测试技术提供了先进的测试手段，同时市场对发动机动力性、环保性、经济性、耐久性、可靠性等性能指标要求的不断提升，相应地使得对发动机的测试技术也提出了更高要求[5]。
在不断发展的计算机技术与测试技术的有效结合过程中，国外相关的发动机测试设备的制造企业成功的研制出技术相当先进的动态试验台架系统[6]，如德国西门子公司CATS系列、奥地利AVL公司Puma-ISAC系列和申克公司DYNAS-DC系列等。这些高精度的自动控制系统不但非线性失真小，而且保持了很高的动态响应速度。当车辆在路面上行驶时，发动机所处的动态工况都可以由该系统进行准确的模拟，而且可以实时的监测发动机各个重要的参数值，测量得到的数据可以直接由该系统进行相应的分析与处理。不仅如此，在整车的主要技术参数确定之后，通过在车辆道路试验中计算得到的数值模拟加载到发动机上[7]，一方面可以为整车选择合适的发动机，另一方面对已选用发动机的性能也可以进行有效的匹配分析以及更进一步的优化，这对整车性能的提高有着重大的意义[8]。
近年来，我国通过不断的引进国外先进发动机台架测试技术，使国内的发动机测试水平得到了极大的提高与发展。同时，国内自主研发的台架测试系统虽在自动控制和扩展性等各方面都与国外先进技术存在着一定的差距，但随着微机技术以及单片机的应用，也很好的满足了发动机测试的严格要求。例如采用激光测试技术，国内的科研机构对发动机气缸的缸内现象进行了深入的研究；通过发动机的动态台架试验，对于非稳定工况下的缸内工作过程进行了系统而全面的探讨，研究了驾驶员采取不同操作方式时对车辆动力性以及经济性的影响，同时也深入的研究了影响车辆经济性的一个十分重要的原因——驾驶员纵向操作特性；通过使用多功能的数据采集卡、微型计算机和定时计数器，对原有测控系统进行了成功的改造与完善，实现了微机自动对测试参数数据的记录与处理分析。
国内一些高等院校以及科研机构的努力，使得应用激光技术研究缸内现象的测试技术得到了快速的发展，测试方面也越来越成熟。华中理工大学采用高速摄影以及激光全息技术研究柴油的喷雾场，并验证了LDV测量试验中TiO2散射粒子的跟随特性；北京理工大学研制出了汽车发动机电子燃油喷射系统台架测试仪，用来研究单点电控喷油的特性；70研究所将其研发的随车检测仪用于发动机的台架试验，进一步扩大了随车检测仪的应用范围；清华大学使用虚拟仪器技术构建了用于检测汽车发动机性能的出场检测系统[9]。
目前，随着计算机与微电子技术的高速发展，智能化的多类型参数的综合测控已成为了发动机台架控制系统的未来的发展方向。
1. 3 课题研究的目的与意义
传统的发动机试验台架扩展性较差，导致功能比较单一，已经无法满足为提高发动机性能而对台架试验提出的日趋严格的要求。而新型的发动机试验台架，虽然在一定的程度上弥补了传统发动机试验台架的缺点，但由于其价格昂贵，普及性比较差。因此以模拟仿真的形式开发出一套发动机台架压力测试系统具有重要意义。
1. 4 课题完成的主要任务
发动机的性能台架试验是普遍应用的基础实验,在发动机工业中有着十分重要的意义。目前在性能对比试验中,还存在一些容易被忽视的基本技术问题,常使发动机性能的改进工作不能得出准确的结论。在发动机的性能试验中，以模拟仿真的方式对进油(水、气)压力参数进行合理测试与分析。
发动机台架压力试验测试参数
1)冷却系统：进水、排水压力；
2)排气系统：排气压力；
3)进气系统：进气压力；
4)曲轴通风系统：曲通压力。
2 发动机台架压力测试系统总体设计
发动机是车辆动力最主要的来源，而发动机台架试验则是检测发动机性能的重要手段，也是改进、开发新型发动机的重要途径。以模拟仿真的形式，设计出发动机台架压力测试系统具有重要的工业价值和意义。
2. 1 PROTEUS简介
使用PROTEUS ISIS软件的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对数字电路、模拟电路、模数混合电路，以及基于微控制器系统连同所有的外围接口电子元器件一起进行仿真。PROTEUS VSM有两种不同的仿真方式：交互式仿真以及基于图表的仿真。
PROTEUS软件的功能：
1．进行原理布图；
2．PCB人工或自动布线；
图2.1 发动机台架压力测试系统总体布置
本设计是基于单片机的压力测试系统设计，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经放大并经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理，然后用4位LED数码管进行显示。本设计的最终结果是，将软件下载到仿真电路中调试出需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，4位LED数码管将显示不同的压力值。
1 绪论 1
1.1 发动机台架试验的目的与意义 1
1.2 发动机台架试验的发展状况 1
1.3 课题研究的目的与意义 3
1.4 课题完成的主要任务 3
2 发动机台架压力测试系统总体设计 3
2. 1 PROTEUS简介 3
2. 2 发动机台架压力测试系统总体布置 4
2. 3 硬件电路设计 5
3 系统的软件设计与仿真数据分析 17
3. 1 软件设计 17
结 论 24
参 考 文 献 25
致 谢 26
附 录 27
1 绪论
发动机的性能台架试验是应用广泛的基本实验，在发动机工业中有着重要的意义。在发动机新产品研发的过程中，必须通过发动机台架试验去验证新型发动机是否能达到整机性能的设计要求及标准，并为日后的改进提供正确的方向；而对于成熟发动机产品来说，也必须通过发动机台架试验来不断改进细节部分，以满足日益加强的车辆需求。
1. 1 发动机台架试验的目的与意义
发动机台架试验是检测发动机的性能指标和可靠性的重要实验，也是考核发动机动力性、经济性、工作可靠性以及检查整机和零部件的制造质量、可靠性、耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、设计、制造新型发动机的一个的重要环节[1]。
按照发动机台架试验的目的，可将发动机台架试验分为性能试验以及可靠性试验。其中性能试验是用来评定发动机的动力性、经济性和其它重要性能，为了满足越来越严格的排放法规以及节约能源的要求，人们锲而不舍的对发动机进行研究以提高其性能，发动机台架试验则是性能研究的基础手段，对于车用发动机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
来说，提高其变工况和动态工况下的工作性能尤其重要；发动机可靠性试验是通过对发动机和相关零部件施加各种负荷来考验它的可靠性，发动机台架试验不仅用来检验发动机整体和相关零部件的可靠性，同时也用来验证发动机的性能能否达到最初的设计指标，所以一台发动机在成功量产前离不开大量的台架试验[2]。
1. 2 发动机台架试验的发展状况
早在20世纪中期，人们就开始了对台架测试技术的研究。由于各学科间知识相互渗透且相互联系，尤其是计算机技术的快速发展，使发动机台架测试技术不仅用于发动机成熟产品的性能优化，而且更多的被使用在新型发动机的研发阶段[3]。新型发动机的开发在对台架测试技术提出更加严格标准的同时，台架测试技术水平的提高也为新型发动机的研发提供了强而有力的保障[4]。
随着通讯方式、电子元器件以及计算机技术等在发动机台架检测技术领域的应用，使得发动机测试技术获得了极大的发展空间，并且为发动机测试技术提供了先进的测试手段，同时市场对发动机动力性、环保性、经济性、耐久性、可靠性等性能指标要求的不断提升，相应地使得对发动机的测试技术也提出了更高要求[5]。
在不断发展的计算机技术与测试技术的有效结合过程中，国外相关的发动机测试设备的制造企业成功的研制出技术相当先进的动态试验台架系统[6]，如德国西门子公司CATS系列、奥地利AVL公司Puma-ISAC系列和申克公司DYNAS-DC系列等。这些高精度的自动控制系统不但非线性失真小，而且保持了很高的动态响应速度。当车辆在路面上行驶时，发动机所处的动态工况都可以由该系统进行准确的模拟，而且可以实时的监测发动机各个重要的参数值，测量得到的数据可以直接由该系统进行相应的分析与处理。不仅如此，在整车的主要技术参数确定之后，通过在车辆道路试验中计算得到的数值模拟加载到发动机上[7]，一方面可以为整车选择合适的发动机，另一方面对已选用发动机的性能也可以进行有效的匹配分析以及更进一步的优化，这对整车性能的提高有着重大的意义[8]。
近年来，我国通过不断的引进国外先进发动机台架测试技术，使国内的发动机测试水平得到了极大的提高与发展。同时，国内自主研发的台架测试系统虽在自动控制和扩展性等各方面都与国外先进技术存在着一定的差距，但随着微机技术以及单片机的应用，也很好的满足了发动机测试的严格要求。例如采用激光测试技术，国内的科研机构对发动机气缸的缸内现象进行了深入的研究；通过发动机的动态台架试验，对于非稳定工况下的缸内工作过程进行了系统而全面的探讨，研究了驾驶员采取不同操作方式时对车辆动力性以及经济性的影响，同时也深入的研究了影响车辆经济性的一个十分重要的原因——驾驶员纵向操作特性；通过使用多功能的数据采集卡、微型计算机和定时计数器，对原有测控系统进行了成功的改造与完善，实现了微机自动对测试参数数据的记录与处理分析。
国内一些高等院校以及科研机构的努力，使得应用激光技术研究缸内现象的测试技术得到了快速的发展，测试方面也越来越成熟。华中理工大学采用高速摄影以及激光全息技术研究柴油的喷雾场，并验证了LDV测量试验中TiO2散射粒子的跟随特性；北京理工大学研制出了汽车发动机电子燃油喷射系统台架测试仪，用来研究单点电控喷油的特性；70研究所将其研发的随车检测仪用于发动机的台架试验，进一步扩大了随车检测仪的应用范围；清华大学使用虚拟仪器技术构建了用于检测汽车发动机性能的出场检测系统[9]。
目前，随着计算机与微电子技术的高速发展，智能化的多类型参数的综合测控已成为了发动机台架控制系统的未来的发展方向。
1. 3 课题研究的目的与意义
传统的发动机试验台架扩展性较差，导致功能比较单一，已经无法满足为提高发动机性能而对台架试验提出的日趋严格的要求。而新型的发动机试验台架，虽然在一定的程度上弥补了传统发动机试验台架的缺点，但由于其价格昂贵，普及性比较差。因此以模拟仿真的形式开发出一套发动机台架压力测试系统具有重要意义。
1. 4 课题完成的主要任务
发动机的性能台架试验是普遍应用的基础实验,在发动机工业中有着十分重要的意义。目前在性能对比试验中,还存在一些容易被忽视的基本技术问题,常使发动机性能的改进工作不能得出准确的结论。在发动机的性能试验中，以模拟仿真的方式对进油(水、气)压力参数进行合理测试与分析。
发动机台架压力试验测试参数
1)冷却系统：进水、排水压力；
2)排气系统：排气压力；
3)进气系统：进气压力；
4)曲轴通风系统：曲通压力。
2 发动机台架压力测试系统总体设计
发动机是车辆动力最主要的来源，而发动机台架试验则是检测发动机性能的重要手段，也是改进、开发新型发动机的重要途径。以模拟仿真的形式，设计出发动机台架压力测试系统具有重要的工业价值和意义。
2. 1 PROTEUS简介
使用PROTEUS ISIS软件的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对数字电路、模拟电路、模数混合电路，以及基于微控制器系统连同所有的外围接口电子元器件一起进行仿真。PROTEUS VSM有两种不同的仿真方式：交互式仿真以及基于图表的仿真。
PROTEUS软件的功能：
1．进行原理布图；
2．PCB人工或自动布线；
图2.1 发动机台架压力测试系统总体布置
本设计是基于单片机的压力测试系统设计，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经放大并经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理，然后用4位LED数码管进行显示。本设计的最终结果是，将软件下载到仿真电路中调试出需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，4位LED数码管将显示不同的压力值。
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