基于单片机的汽车燃油量检测及显示系统设计毕业论.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号： 毕业设计说明书题 目：基于单片机的汽车燃油 量检测及显示系统设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013年4月27日摘 要汽车燃油量检测是汽车电子电器系统的重要组成部分。通过对某汽车生产企业的调研显示，目前汽车上的油量表多数仍为三刻度式仪表，由于使用的油量传感器的限制，这些油量表有一个比较大的缺点就是精度较低，系统不稳定。针对这种情况，作者在分析和研究了各种汽车燃油显示装置和检测方法的基础上，提出了一种基于PIC单片机的燃油检测及显示系统。论文首先对汽车燃油检测及显示系统这一课题的必要性进行论述，对现阶段燃油检测系统的研究情况进行概括。对汽车燃油检测的工作原理，检测系统的显示方式进行分析。然后选择合适的传感器、单片机、显示装置和其他必需设备，自主设计了基于PIC单片机的燃油检测及显示系统。软件设计中，通过中值滤波等方法排除错误信号的干扰。搭建硬件平台后，编写系统软件，进行验证性试验，分析了油耗检测系统所采用的理论的可行性。汽车燃油检测系统在单片机的控制下，经系统软件剔除错误信号，通过步进电机带动油量表指针转动将油箱油量准确显示在油量表上。同时，系统设计了报警装置，在油量少于设定值或者油箱油位突然迅速降低的时候，燃油检测装置会发出报警信号。关键词：汽车；燃油量；检测；显示；PIC单片机AbstractAutomotive fuel quantity detection is the automotive electrical system is an important component. Through an automobile manufacturer research shows that the current cars fuel gauge the majority still three meter scale , due to the use of the fuel sensor limit these oils have a relatively large scale disadvantage is low accuracy , the system instability. To address this situation , the authors analyze and study a variety of display devices and vehicle fuel detection method is proposed based on a PIC microcontroller-based fuel detection and display system.Thesis first of all vehicle fuel detection and display system is the necessity of the subject for discussion, on fuel at this stage to summarize the research of the detection system. For vehicle fuel detection works , the detection system is displayed for analysis. Then select the appropriate sensor , microcontroller, display devices and other necessary equipment , independent design a PIC microcontroller-based fuel detection and display system. In software design, through such methods as median filter to exclude the error signal interference. Build the hardware platform , the writing system software, confirmatory testing, analysis of fuel consumption detection system used by the feasibility of the theory .Vehicle fuel detection system under the control of the microcontroller , an error signal is removed by the system software , driven by a stepping motor fuel gauge pointer will turn fuel tank fuel gauge accurately displayed on the upper.At the same time, alarm system design, less than setting value of gas or oil level when suddenly, rapidly reducing fuel measuring device will signal an alarm.Key words: Automobile; Fuel amount; Detection; Display; PIC microcontroller目 录第一章 绪论11.1引言11.2 汽车燃油检测及显示系统的研究情况及发展趋势11.3 论文的研究意义及主要工作21.4 本章小结2第二章 燃油检测及显示系统整体方案设计32.1 系统功能要求32.2 总体技术方案的确定32.2.1 汽车油量检测及显示系统技术方案32.2.2 汽车油量检测及显示系统的基本组成32.3 本章小结4第三章 燃油检测系统硬件的设计与选择53.1 燃油传感器的选择53.2 单片机的选择63.2.1单片机的匹配原则63.2.2 PIC16F877A简介73.3 显示方案的选择93.3.1 显示方式的选择93.3.2 步进电机的选择93.4 电源的选择113.5 本章小结13第四章 电路和软件设计144.1 硬件开发平台的安装144.2 系统电路设计144.2.1 单片机最小系统144.2.2 晶振电路154.2.3 复位电路164.2.2 电压采集电路174.2.3 电机驱动及报警灯电路184.2.4 电源电路194.3 软件开发平台的安装204.4 系统软件设计204.5 系统的仿真244.5.1 仿真系统的介绍244.5.2 仿真结果分析254.6 本章小结27第五章 硬件的组装和测试285.1 PCB板的制作285.2 系统软件的下载285.2.1 PICkit3简介285.2.2 系统程序下载305.2 系统测试305.3 误差分析355.4 本章小结35第六章 结论36谢辞37参考文献38附录39附录一：控制程序39附录二：系统原理图47附录三：PCB板图48第49页 共48页桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第一章 绪论1.1引言当今社会迅速发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的汽车走进平常百姓家。据中国汽车工业协会公布的数据：2011年中国汽车产销量分别为1841.89万辆和1850.51万辆，2012年这一数据则为1927.18万辆和1930.64万辆，连续三年位居世界第一位。虽然这一数据里乘用车占据大部分，但是作为高油耗的商用车对环境影响更大。经济的发展意味着物资流动性大。我们往往需要把货物从一个地方发送到其他地方。在运输业，轮船和火车以其价格低廉占据优势，但是，在灵活性上，公路运输有得天独厚的优势。巨大的货物流动给公路带来很大的运输压力，作为公路上主要运输力量之一的载重汽车保有量巨大。载重汽车油耗量大，随着我国载重汽车保有量不断增加，石油等不可再生能源逐渐减少，作为地球上的一员保护我们的环境义不容辞。对于载重汽车而言，他不仅需要载重能力强，省油，同时他在人机交流，舒适度，电子性能方面也很重要。汽车燃油量检测是汽车电子电器系统的重要组成部分。通过对某汽车生产企业生产的重型汽车的调研显示，目前大多数汽车上实验的燃油表仍为三刻度式仪表，由于使用的油量传感器的限制，精度比较低。低精度，不稳定的油量检测系统使得汽车司机不能准确掌握油箱油量，什么时候加油只能靠经验，因此会造成汽车偶尔半路抛锚，从而引发道路堵塞甚至交通事故等严重后果。燃油检测及显示系统可以让驾驶员根据油量表的显示及时加油和发现漏油，同时，汽车司机可以根据系统显示的油量选择不同的驾驶方式，在一定程度上降低汽车油耗。由此可知，开发一个新型的燃油检测系统是非常有必要的，并且他具有非常广阔的市场前景。1.2 汽车燃油检测及显示系统的研究情况及发展趋势目前国内许多研究所或者大学还有一些汽车生产企业里面有许多团队都在对汽车燃油检测这一课题进行技术攻关。燃油检测技术研究的两个主要方向是信号采集模块和单片机控制模块。信号模块的研究可以让我们拥有更准确，更及时的油量信号，单片机控制模块的研究可以让我们开发更稳定，性能更完美的燃油检测及显示系统。信号模块的关键是传感器。我国研究团队各自采用了不同的传感器进行研究。参考发表的研究成果，宁波工程学院的研究人员提出了一种根据电控喷油发动机的喷油特性采集信号的方法；重庆仪表研究所提出了一种采用磁敏油位传感器采集油位信号的方法；山东省公会管理干部学院的研究者提出了采用电容式传感器来采集油量信号进行研究的方法；上海交通大学的研究者则提出采用了压力式传感器采集信号的方法。燃油检测系统的核心是单片机。在单片机的选择上，苏州大学的研究团队发表了PIC单片机来进行系统的控制的方法；宁波大红鹰学院的团队则发表了采用以AT89S52单片机为核心的汽车燃油检测系统的研究。综合说现阶段燃油检测系统的研究仍然未能完全解决油量表显示不够准确，系统稳定方面的问题。同时，许多研究成果经济性较差，要是实际应用在汽车上会影响汽车制造成本。汽车燃油检测的发展必然向着智能化的方向发展，首先在采集方式上必然会有更迅速，更精确，更有可靠性的采集方案；其次在控制芯片上将采用性能更加强大，价格更加低廉的单片机；最后在显示方式上将想数字显示方向发展。1.3 论文的研究意义及主要工作如前文所述，目前汽车上使用的汽车燃油表多数仍为三刻度式油量表。对东风柳州汽车有限公司生产的重型卡车的调研表明，汽车燃油量检测存在的主要问题之一是传感器的油浮受到车身晃动的影响造成油量指示错误。因此，针对现阶段汽车燃油检测系统的这一现状，我们在深入了解燃油检测系统工作原理的基础上，通过分析、比较不同系统方案的工作特点，研制一种基于单片机的燃油量检测系统，通过增加检测阻尼、限速滤波、中值滤波等技术手段提高油表指示的准确性，在不增加成本的情况下使系统达到良好的性价比。课题研究的主要工作： 课题的调研； 资料的获取； 有关知识的准备； 总体技术方案的酝酿； 控制器硬件系统的设计； 绘制并制作电路板； 编写控制软件； 软硬件系统基本功能的调试和测试。1.4 本章小结本章主要介绍了课题研究的调研情况，课题研究的意义以及目前该领域的一些研究成果，展示了燃油检测系统的发展方向，并在此基础上简要介绍了作者在该课题中所做的工作。第二章 燃油检测及显示系统整体方案设计 2.1 系统功能要求（1）完成汽车油量检测。采用传感器检测油箱油量信号，经过单片机处理，然后把信号通过步进电机在油量表上显示。同时，在程序上要设计对整个系统的监控，有油量异常及时发出报警。（2）应能把汽车在行驶过程中遇到路况颠簸的时候传感浮子晃动的错误信号剔除，油量表显示信号要稳定准确。（3）系统采用的理论应具有可行性。因此，必须通过实验加以验证。（4）技术产品化后，同比之下成本要低、精度要高。2.2 总体技术方案的确定2.2.1 汽车油量检测及显示系统技术方案根据汽车燃油检测系统要实现的检测功能的要求,针对油量传感器的具体应用情况,选择系统组成元件,构成油量检测系统的硬件部分,进行各组成元件之间的合理匹配,设计系统控制电路,完成硬件部分的设计。根据汽车发动机供油系统工作原理和汽车运行条件,确定油耗检测方法,建立油耗系统检测数学模型,配合硬件部分控制电路编写控制软件,共同完成对油耗的智能化测试。针对油耗检测系统工作过程中会遇到的干扰,分析其原因,采取相应办法,提高油耗检测系统的抗干扰能力。通过试验分析油耗检测系统所采用的理论的可行性,根据具体情况对理论模型进行修正,以提高其检测精度。进行试验误差分析为了更合理的选用测试装置和测试方法,正确地分析误差产生的原因,减小或消除误差,并恰当地处理试验数据,以便得到理想的试验结果。2.2.2 汽车油量检测及显示系统的基本组成汽车燃油检测系统主要由油箱液位传感器、单片机、油量表组成。其控制关系如图所示:PIC16F877A电源电路传感器电压采集电路报警灯电路电机驱动电路电位器电压采集电路 图 2-1 系统控制框图电源电路主要是使用稳压器输出稳定电压，供给单片机运行。传感器电压采集电路主要器件是液位传感器。液位传感器用于检测汽车油箱实时油量，通过浮子的上下浮动将信号传送给单片机进行处理。单片机是汽车燃油检测系统的核心，它接收传感器的信号，经过A/D转换，并调用内部存储器中的数据和相关程序，分析处理后将结果送给步进电机显示出来。报警电路主要是通过二极管的亮灭实现系统的报警。单片机的控制命令通过驱动电路驱动步进电机的运动。油量表电位器将油表指针的位置反馈给单片机，单片机根据传感器的信号控制电位器的电位。2.3 本章小结本章介绍了汽车燃油检测及显示系统要实现的主要功能，并以此为核心，确定了汽车燃油检测及显示系统的总体技术方案。确定了系统的基本组成和控制原理。确定总体方案为我们的具体设计工作打下基础，提供思路，是系统设计的总体路线图。第三章 燃油检测系统硬件的设计与选择3.1 燃油传感器的选择汽车油位传感器是燃油检测系统的信息来源，在整个系统占优非常重要的地位。目前市场上使用的油位传感器种类繁多，原理也各有不同，使用环境千差万别，因此针对课题研究的实际应用选择合适的传感器非常有必要。汽车油位传感器由于持续浸泡在燃油中，工作环境恶劣，所以其稳定性，耐腐蚀性对燃油检测系统的准确性有很大的影响。目前应用比较多的传感器主要分为接触式和非接触式两种。接触式油位传感器主要有厚膜电阻式和绕线电阻式等，他的优点是制造简单，价格比较便宜，应用非常广泛。缺点是耐腐蚀性比非接触式传感器差，有可能因为导带触点腐蚀而引起电阻输出不正确或者不稳定。非接触式油位传感器有霍尔式、超声波式、电容式等，其优点是耐腐蚀性强，电特性不受油品腐蚀影响。缺点是成本较高，应用较少。综合应用性，经济性考虑，我选择瑞安市曼德卡汽车配件厂生产的柳汽霸龙油箱浮子TP401M3-3827011C作为课题实验燃油传感器。图3-1 油浮子实物图如图所示，此传感器结构非常简单，由厚膜电阻片、电刷、支架和一些传输导线组成，再辅以绕电刷回转中心转动的浮子杆组件。此传感器的优点就是上面所说的结构简单，价格低廉，应用非常普及。他的缺点是工作的时候容易受外界影响，比如汽车加速行驶时候油量的液面不平衡会带动浮子上下运动，还有汽车上坡时候油箱液面倾斜也会使传感器测量错误。在实际应用中，汽车上安装有加速度传感器和倾斜传感器，汽车的燃油检测系统可以综合燃油传感器和加速度传感器还有倾斜传感器三个仪器的数据，按照一定的数学模型准确判断邮箱的油位，此处不再赘述。对邮箱浮子进行简单测量发现，TP401M3-3827011C邮箱浮子的电阻变动范围是20200欧姆。参照浮子的长度，可以把浮子分为10个小段，浮子每个小段阻值如下表：表3-1 油浮子阻值表序号12345678910阻值/16.627.155.574.994.5116.5138.6161.6173.5185.3总的来说，选择柳汽霸龙油箱浮子完全可以满足我们课题研究的需要，并且实用性强。3.2 单片机的选择3.2.1单片机的匹配原则1.单片机控制系统的设计原则单片机控制系统的硬件设计主要包括单片机系统的扩展部分设计(包括存储器扩展和接口扩展)和各功能模块的设计(如测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块)为了使系统设计尽可能合理,应依据如下原则:(1)尽可能采用功能强的芯片,以简化电路；(2)要留有余地，就是要考虑到将来修改扩展的方便，包括ROM空间、RAM空间、I/O端口以及A/D和D/A通道；(3)兼顾工艺设计,包括机箱、面板、配线、接插件等，必须考虑到安装、调试、维修的方便性。另外,抗干扰设施也必须在设计时一并考虑。2.单片机的选择原则面对市场上琳琅满目的单片机产品,如何选择一种适合设计需要的单片机显得十分重要。对于明确的对象,选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过多的单片机,则会造成资源浪费,使性能价格比下降。因此,实际应用中可根据以下原则来选择单片机:(1)了解单片机对控制系统的适用性。单片机对控制系统的适用性是指能否用一个单片机对系统进行控制,或需要增加几个附加的集成电路才一能实现对系统的控制。对此,应注意以下几方面:单片机是否含有所需的I/0端口数目；单片机是否含有所需的外围端口部件；单片机的CPU是否含有合适的吞吐量；单片机的极限性能是否满足要求。(2)了解单片机的可购买性。单片机是否可直接购买到；单片机是否有足够的供应量；单片机是否仍在生产之中；单片机是否在改进之中。(3)了解单片机的可开发性，对于被选择的单片机,应考虑下列开发工具:编译软件；程序写入工具；调试工具；技术支持；语言体系与熟悉程度。根据上述原则对单片机进行选择,即可选择出最适用于控制系统的单片机,从而保证控制系统高可靠性，最优的价格性能比，最长的使用寿命和最好的升级换代性。目前比较常用的单片机种类很多，使用量比较大的有：51单片机、61单片机、430超低功耗单片机、PIC单片机、飞思卡尔单片机、英飞凌单片机等。上述单片机各有特点，功能都很强大。燃油检测系统常用芯片对比如下表：表3-2 芯片对比芯片优点缺点PIC16F877A价格较便宜，集成性能高，编程要求不高，性能稳定端口寄存器比飞思卡尔少STC89C51价格便宜，功能相对较弱，内部没有集成A/D转换模块，抗干扰能力差飞思卡尔9S12XS128功能强大，集成性能高，抗干扰能力强价格较高，对编程技巧要求高如上表所示,飞思卡尔单片机价格过于昂贵，出于经济性考虑，首先排除。51单片机在性能上难以满足汽车制造领域的需要，舍去。因此，结合实际应用和价格考虑，我选择PIC16F877A作为系统的单片机。3.2.2 PIC16F877A简介单片机按照其基本操作处理的位数可以分为1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机等。PIC16F877单片机是microchip公司推出的系列单片机中性能非常强大的8位单片机。PIC系列单片机采用RISC指令集，采用harvard双总线结构、运行速度快，功耗低、可靠性高。适用于用量大，可靠性要求高、价格敏感的产品。在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域都有广泛的应用。PIC16F877A是microchip公司基于PIC16F877推出的改进版本。其基本功能特性包括如下几点：harvard结构，功能强大的RISC单片机内核；8层硬件堆栈用于保护和恢复程序计数器；工作频率为020MHz，用户可选的多种时钟模式；二级指令执行流水线机制，使平均每条指令执行时只需1个指令周期；全部35条指令，每条指令占一个字，程序字长14位；程序空间最大物理寻址范围为8192（8K）程序字；片上寄存器最大物理可寻址范围为512字节，使用寄存器文档的概念；丰富的外围功能模块；片内或片外多种信号中断机制；片上具备独立的看门狗，可靠的复位功能。PIC16F877A引脚如图所示：图3-2 单片机引脚图PIC16F877A的封装形式为PDIP。PDIP是指一般最常见的DIP(Dual In Line Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)与QFP(Quad Flat Package)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。如图所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD)为正电源接脚，Pin12 与Pin31(VSS)为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三种以上功能，例如Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset)后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。PIC16F877A 除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC 是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O命名为PORTA(RA0RA5)、PORTB(RB0RB7)、PORTC(RC0RC7)、PORTD(RD0RD7)和PORTE(RE0RE2)等，各分组接口特性说明如下：PORTAPIC16F877 的PORTA总共有6个位(RA0RA5)，PORTA 的接脚可作为数字输出输入端口，而系统重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入讯号。PORTBPORTB总共有8 个位(RB0RB7)，可以撰写程序规划输入输出方向、状态，其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是Pin36(RB3/PGM)、Pin39(RB6/PGC)与Pin40(RB7/PGD)。PORTCPORTC总共有8 个位(RC0RC7)，除了可作为数位I/O外，还和一些特殊功能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通讯电路）、UART（异步串行传输电路）等等。3.3 显示方案的选择3.3.1 显示方式的选择将燃油检测系统检测出来的数据准确地输出显示给司机是燃油检测系统的一个重要部分。目前应用上主要有仪表显示和数字显示两种。数字显示分为七段数码管显示和LED显示。这两种显示方式都是通过单片机对数据结果进行分析，然后将数值分为高位、低位、一位小数，在显示屏上直接显示。数字显示精确度高，数字直观，但是，实际应用上数字显示应用并不多，多数用于科学研究中，一些高级轿车上也有应用。仪表式显示是现在大部分汽车上实验的显示方式。仪表式显示是通过步进电机带动指针，将单片机处理出来的油量数据在油量表上显示出来。这种显示方式更直观，应用广泛。虽然仪表式油量表显示精度比数字式要差，甚至可能因为路面颠簸、汽车启动/急停等状态出现油表指针摆动。但是，上述问题可以通过软件方式剔除。综合实际应用，我选择仪表式油量表作为燃油检测系统的显示方式。3.3.2 步进电机的选择步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。步进电机的转子通常为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来。（1）步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。（2）静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）.（3）电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。综合考虑，我选择28BYJ48步进电机作为油量表的电机。图3-3 步进电机实物图 28BYJ48步进电机主要电气性能：l 额定电压：12VDCl 相数：4l 减速比：1/64l 步距角：5.625/64l 驱动方式：四相八拍l 直流电阻：2007%（25）l 空载牵入频率：600Hzl 空载牵出频率：1000Hzl 牵入转矩：34.3mN.m(120Hz)l 自定位转矩：34.3mN.ml 绝缘电阻：10M（500V）l 绝缘介电强度：600VAC/1mA/1sl 绝缘等级：Al 温升：40K(120Hz)l 噪声：40dB（A）l 重量：40gl 未注公差按：GB1804-m3.4 电源的选择电源为系统工作提供能量，在系统的电路中，需要电压非常稳定的直流电源，目前应用上比较多的是各种半导体直流电源。电源电压的不稳定会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至试系统无法正常工作。引起电压不稳定的原因是交流电压的波动和负载电流的变化。在燃油检测系统中，油位传感器和单片机供电都需要+5V，单独设计制作每个电源，不但成本高，而且用起来比较繁琐，不方便。电源电路设计中，为了防止交流电压的波动和负载变化对直流电源的影响，采用了具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉的单片集成稳压器LM7805.使用时三端稳压器接在整流和滤波电路之后，可满足测试中对直流电压稳定性要求较高的特点。LM7805是比较常用的三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220。它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后。就能获得不同的电压和电流。LM7805的特点有：输出最大电流为1.5A。输出电压为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。热过载保护短路保护输出晶体管安全工作区保护图3-5 LM7805实物图LM7805内部电路图如下：图3-6 LM7805内部电路图LM7805电气特性如下表所示：表3-3 LM7805电气特性表参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V5.0mA<1o<1.0A,Po<15WVi=7.5v to 20v4.755.005.25V线性调整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.0100mVTj=25,Vi=8V to 12V1.650mV负载调整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mVTj=25,lo=250mA to 750mA450mV静态电流IQTj=255.08mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A0.030.5mAVi=8V to 25V0.30.8mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/输出噪音电压VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V6273dB输入输出电压差Volo=1.0A,Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=35V,Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A除特别说明，0Tj125,lo=500mA,Vi=10V,Ci=0.33F3.5 本章小结 本章主要介绍如何选择燃油检测系统的元器件，通过对比分析，选择合适的元件是系统的设计重要的一步。正确的元件选取可以为系统稳定性提供保障，为系统的设计、调试节省时间。本章着重介绍了传感器、单片机、步进电机、电源的选择。第四章 电路和软件设计4.1 硬件开发平台的安装随着计算机在国内的逐渐普及，EDA(Electronic Design Automatic,电路设计自动化)软件在电路行业的应用也越来越广泛。国内比较常用的EDA软件分别有Portel公司推出的PROTEL,ORCAD公司的ORCAD，MICROSIM公司推出的PSPICE,交互图像技术有限公司推出的EWB，VISIO公司的VISIO，IVEX公司推出的WINDRAFT和WINBOARD。经过比较，我选择altium公司的altium designer10作为电路设计软件。Altium公司的前身是protel technology。Altium designer 10是altium 公司推出的一套完整的板卡级设计系统。Altium designer 10作为从protel系列发展起来的新一代板卡级设计软件，不但继承了protel的优点，同时，altium独一无二的技术集成平台也为设计系统提供了所有工具盒编辑器的相容环境。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。4.2 系统电路设计4.2.1 单片机最小系统单片机最小系统电路图如下图所示：图4-1 单片机最小系统电路图如图，PIC16F877A为系统的控制芯片，控制系统的运行，处理信息。S1-R1-C3三个元件组成单片机复位电路，S1为复位按键。C1-C2-Y1为单片机晶振电路。ICSP-SIP6为单片机编程下载接口。R5-D1两个元件组成电源指示灯，R5为发光二极管D1的限流电阻。J6为排针，引出接口备用。4.2.2 晶振电路虽然PIC单片机自带内部晶振，但是，在设计中为了是电路时钟频率更加准确，我在电路中设计了外部晶振电路。晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。PIC16F877A引脚OSC11和OSC2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3-8所示方式连接。晶振、电容C1C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容C1、C2取值范围在533pF之间。根据实际情况，对外接电容 C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30PF10PF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF。本设计中采用12MHZ的晶振作为系统的外部晶振，电容取值为33pF。晶振电路原理图如图所示。图4-2 晶振电路原理图4.2.3 复位电路复位电路在系统中非常重要。在系统中，当单片机运行出错的时候，按下复位按钮可以使内部程序自动从头开始执行。当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。为了确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到vcc，没到vcc时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近vcc时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。在电路中我选择+5V的电源和10uF的极性电容外加一个10K的电阻就组成复位电路，复位电路原理图如图所示：图4-3 复位电路原理图4.2.2 电压采集电路本系统有两个电压采集电路，第一个是采集油量传感器电压，第一个是采集仪表盘电位器的电压。图4-4 传感器电压采集电路图上图为油量传感器电压测量电路，J1接油量传感器，油量传感器与R4组成分压电路，单片机对测量的电压为油量传感器的分压。R3和R4组成低通滤波电路，主要功能是把需要测量的油量电压进行滤波，消除干扰。 图4-5 仪表盘电位器电压采集电路图上图为仪表盘电位器的电压测量电路。电位器电压接在J7上，R7和C5组成低通滤波电路，消除电压干扰。4.2.3 电机驱动及报警灯电路图4-6 电机驱动及报警灯电路图R6和D2组成油量表的报警灯电路，R6为D2的限流电阻。ULN2003为步进电机的驱动芯片，J2为步进电机的接口。ULN2003是一个单片高电压，高电路的达林顿晶体管阵列集成电路。它由7对NPN达林顿管组成，它的高电压输出特性和阴极钳位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA，达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器、灯驱动器、显示驱动器（LED气体放电）、的、线路驱动器和逻辑缓冲器。ULN2003电路有如下特点：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来出来的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电路并行运行。图4-7 达林顿管内部电路图4.2.4 电源电路图4-8 电源电路图Power(CON2)是变压器电源输入接口。D3、D4、D5、D6组成整流电路，C6、C7、C8为滤波电容，LM7805是5V的稳压芯片。LM7805稳定输出5V电压，SW-SPST是电源拨动开关，J3、J4、J5是5V电压输出接口。电源电路组成为：整流-滤波-稳压此处电路设计时候采用的是LM7805，实际焊接时候采用的是LM2940稳压芯片。LM2940是输出电压固定的低压差三端稳压器。它的输出电压为5V，输出电流为1A；输出电路1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度-40125；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。LM2940比7805的转换率更高，7805在直接输入不接输出的情况下，其内部会有3mA的电流消耗，而LM2940的静态电路比7805小得多。4.3 软件开发平台的安装应用于单片机的开发工具种类繁多，各种不同的单片机都有属于自己的开发软件。比如用于51单片机的Keil C51，用于avr单片机的avrstudio等等。PIC单片机的开发环境有很多，但是最常用的是microchip公司为其用户免费提供的“MPLAB IDE”软件。MPLAB IDE是综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于使用Microchip 的PIC系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。MPLAB IDE 是适用于PIC系列单片机和PIC数字信号控制器，基于Windows操作系统的集成开发环境。MPLAB IDE 提供以下功能： 使用内置编辑器创建和编辑源代码。 汇编、编译和链接源代码。 通过使用内置模拟器观察程序流程调试可执行逻辑；或者使用MPLAB ICE 2000和 MPLAB ICE 4000 仿真器或MPLAB ICD 2 在线调试器实时调试可执行逻辑。 用模拟器或仿真器测量时间。 在观察窗口中查看变量。 使用 MPLAB ICD 2、PICSTART Plus 或 PRO MATE II 器件编程器烧写固件。4.4 系统软件设计 硬件系统就像是一辆组装完成的汽车，而系统软件程序就是汽车上的驾驶员。汽车在驾驶员的操控下才能启动，而硬件系统只有在单片机加入程序才能开始运行。软件程序不仅控制检测系统的启动，并且负责系统的正常运行。系统软件是燃油检测系统的灵魂，有了软件程序的控制，燃油检测系统才能正确检测汽车油箱燃油量，并实现显示、报警等基本功能。针对燃油检测及显示系统的功能要求，系统运行时候先采集传感器油量信号和油量表电位，然后判断油箱油量是否处于低油位，如有，进行报警。接下来判断此次测量油量相对上一次测量时候油箱液位变化，根据具体变化值通过调整步进电机的转动在油量表显示油量。系统程序的流程图如下：开始初始化采集油量和读取油表刻度油量是否下降YN油表顺时针转动油量是否大于1/5N报警Y油表逆时针转动检测是否漏油YN漏油报警 图 4-9 程序流程图1、AD转换程序本系统对油量的检测主要是通过浮漂滑动变阻器的变化而引起的电压的变化，所以对油量的检测可以通过检测电压的变化值来显示。PIC16F877A工业芯片具有内置AD转换无需要外置AD。只要在程序里面进行设置即可，下面是具体的AD转换程序流程图：开始I=0采集0采集1读取AD值返回是否图4-10 AD转换程序流程图2、 希尔排序程序在油量测量中很重要的一问题是外界的干扰，比如车的颠簸引起液面的晃动，油浮子晃动使得系统采集到的信号数值不稳定，会在一定范围内波动。为了解决浮子晃动带来的问题，我采用中值滤波的方法来筛选信息。在设计时中值滤波的具体方法是希尔排序，希尔排序可以通过对数据的排序有效排除干扰，更加准确显示油量。希尔排序主要原理是通过增量取值实现将数值从低到高