基于失重法的汽车油耗检测仪器设计【6张CAD图纸和说明书】
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本科学生毕业设计基于失重法的汽车油耗检测仪器设计 院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Automobile Oil Consumption Instrumentation Based on Weightlessness Candidate：Specialty：Class：Supervisor：摘 要随着我国汽车保有量的不断增加，汽油、柴油等非再生资源的逐渐减少，加之环境保护意识的逐渐加强，人们更加关心车辆油耗，要求限制车辆用油量的呼声越来越强。研制能快速、准确测量汽车在各种工况下油耗的仪器，已成为一项重要的课题。文中研制的智能型汽车油耗检测仪器，利用失重法原理，结合国内外发动机油耗智能测试技术的研究水平和发展趋势，采用传感器技术、单片机控制技术和显示技术。主要内容包括：根据油耗测试系统的功能要求，进行油耗检测系统硬件的设计与选择，建立了汽车油耗检测系统数学模型，进行了油耗检测系统软件模块的设计，同时提出了系统抗干扰的相关措施，包括软件和硬件两方面，分析了油耗检测系统所采用的理论的可行性，并进行了油耗检测系统的误差分析。智能油耗仪在单片机的控制下，通过传感器送来的信号，在控制软件的支持下，能对汽油机、柴油机在室内进行静态和动态油耗测试，能测量汽车的平均油耗和瞬时油耗。解决了国内油耗检测产品与国外相比测试精度相对较低、成本较高等问题。能对新生产车、营运车辆进行燃料经济性检测和评价，能满足科研院所、车辆制造、使用和维修单位、大专院校试验教学等需要，应用前景广阔。关键词：油耗；智能；单片机；检测；传感器ABSTRACTWith the increasing of the automobile quantity people own, the unproducing resources such as gasoline, dieal have decreased gradually. Together with peoples envioroment protection consciousness that strengthens gradually, more attention is focused on the vehicle fuel consuming, calling about limiting vehicle fuel consuming becomes more and more fierce. research the equipments that call quick and accurate measuring gas-consuming under all working conditions，which becomes a very important topicThe research on monitoring indtruments, on the basis of the weightlessness principle, combining with the domestic and foreign research level and development trend, adoping sensing technology, single chip microcomputer control technology and display technology. The main content includes gas-consuming detecting systems hardware design and selectionAutomobile gas-consuming detecting system mathematics model were included, gas consuming detecting system softwares design. Diagnose the practicing performance of the theory that gas-consuming detecting system Was adopted and the theory models on the base of practice conditions were modifiedVehicle intelligent gas consuming instruments were controlled by the single chip computers，and by means of calclllating the gasoline flowing pulse signal that flowing amount measuring sensor bring，together with the support of controlling software，it call turn the automobiles quiet condition and moving condition into reality and measure the automobiles average gas consuming and instant gas consuming alsoIt settles that comparing to exotic gas consuming system，domestic gas consuming products testing accuracy is relatively lowerThe volume is big and high cost and so on questionsIt call detect and evaluate the fuel economic performance of new produced automobiles and operating automobilesIt can also satisfy the science research institute，vehicle producing，using，and repairing departments，college and university experiments teaching ，which has a widely application futureKey words: oil consumption；intelligent；singlechip；check；sensorIV目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外智能油耗检测仪研究现状及发展趋势21.2.1 国内外智能油耗检测仪研究现状21.2.2 智能油耗检测仪发展趋势31.3 智能油耗检测仪研究目的和意义31.4 汽车油耗检测技术51.5 本文主要研究内容5第2章 检测系统总体分析62.1 系统主要功能要求62.2 测量原理62.3 元件在油路中的布置72.4 油耗测量部分组成82.5 本章小结8第3章 智能油耗检测仪中硬件的选择与匹配93.1 目前常用油耗检测方法分析93.1.1 常用油耗检测方法分类93.1.2 常用油耗测量原理介绍113.2 重量传感器的选择133.2.1 重量传感器分类133.2.2 重量传感器主要功能及选择原则153.2.3 重量传感器的选择163.2.4 重量检测数学模型的建立173.3 单片机的选择173.3.1 单片机硬件系统设计原则173.3.2 单片机的选择原则183.3.3 单片机型号的匹配183.4显示器的选择与匹配213.4.1 显示器的选择213.4.2接口电路223.5 打印机的选择与匹配223.5.1 打印机的选择233.5.2 接口电路233.6 控制面板的设计233.7 其他主要元器件的原则与匹配243.7.1 程序存储器的选择243.7.2 数据存储器的选择243.7.3 片外扩展I/O芯片的选择243.7.4 通讯接口的选择253.7.5 日历与时钟芯片的选择273.7.6 监控芯片的选择293.7.7 AD转换芯片的选择303.7.8 电源的选择303.7.9 电磁阀的选择313.8 本章小结32第4章 智能油耗检测系统软件设计334.1 软件系统设计方案334.1.1 单片机的C语言334.1.2 keil C51开发工具344.1.3 软件系统功能结构344.1.4 软件系统主程序流程图364.1.5 初始化模块364.1.6 信号采集模块374.1.7 数据处理模块374.1.8 监控程序模块384.2 系统可靠性设计394.2.1 可靠性概述394.2.2 硬件抗干扰技术404.2.3 软件抗干扰技术414.3 本章小结42第5章 机械部分设计445.1 油耗仪外部的设计445.1.1 壳体材料的选择445.1.2 外形尺寸的确定455.1.3 接口设计465.2 内部主要部件的安装465.3 本章小结47第6章 试验验证与误差分析496.1 试验和数据496.1.1 试验的目的和意义496.1.2 试验前的准备496.1.3 试验步骤506.1.4 试验数据506.2 误差分析506.2.1 概述506.2.2 误差的来源516.2.3 误差的分类516.2.4 汽车油耗智能检测系统的误差分析516.3 本章小结52结论53参考文献54致谢57第1章 绪论1.1引言据中国石油天然气集团公司有关专家推算，我国石油需求量，2000年为1.86亿吨，2010年为2.68亿吨，2020年为3.05亿吨。国际能源机构（IEA）2020年中国能源展望报告预测中国石油需求将以年均4.6% 的速度增长，到 2020年市场份额将大幅增加，年消费量可达5亿吨以上。国家计委产业经济研究所预测，到2050年，中国石油需求量将达到4.5亿吨，是目前1.6多亿吨消费量的2.8倍。目前全国可供开采的石油资源量预测为 160亿吨 ，2003年全国石油年产量1.6亿吨计算，若每年增长5% 以上，2005年可达1.85亿吨，随后达到2亿吨至2.5亿吨的峰值稳产，据此估算，中国石油储量可持续开采60到65年。据中国石油天然气集团公司对我国石油供需平衡的预测分析，国内原油的自给率将从2000年的82% 降低到 2020年的60% ，到 2020年缺口将达到1.3亿吨。另据国际能源机构（IEA）预测，中国石油产量从2010年之后开始下降，到2O20年石油产量将下降到约1.01亿吨年，石油进口将达到约4.04亿吨年以上，成为世界石油市场的主要进口国。从当前我国的科技水平来看，汽车燃料的主要来源还要依靠石油能源中的提取物:汽油和柴油。我国目前车用汽油约占汽油总消耗量的85%，车用柴油占柴油总消耗量的20%。随着国民经济的发展，以及汽车进入家庭速度的加快，我国能源供求矛盾将更加突出。中国对石油需求急剧上升的最重要原因是运输业的需求，目前运输业对石油的消耗量已经攀升到40%。在汽车运输成本中，燃油消耗费用占较大比重，约为20%30%。此外，本着控制能源消耗的目的，我国己经制定征收汽车燃油税的方案，并将择机在全国公布推行。所以汽车燃油经济性就和汽车运输成本和经济效益息息相关。因此，汽车的燃油经济性好，不但可以节省石油资源，减少国家对进口石油的依赖;同时也降低发动机产生的二氧化碳(温室效应主要气体)的排放量，起到防止地球变暖的作用;对汽车用户而言也降低了汽车的使用费用。石油能源短缺的严峻形势以及它给人们生活带来的各种影响，迫使人们开始关注汽车燃油经济性，因而对汽车进行燃油经济性的检测评价具有重要意义。另一方面随着汽车制造和检测技术的进步，汽车检测行业也不断地发展壮大，在汽车维修、生产和管理部门动态监测汽车技术状况方面发挥着重要作用。国家质检总局、国家标准委于2005年11月联合颁布的我国第一个强制性汽车产品油耗国家标准乘用车燃料消耗量限值已于2006年7月1日正式执行。根据限值有关规定，在按照汽车整车装备质量进行划定的等级范围内，各类车辆都必须达到相应的燃料消耗量标准。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。汽车的燃料经济性一般是用汽车燃油消耗量来评价。汽车燃油消耗量是在用汽车技术状况与车辆维修质量综合性能的体现，也是诊断和分析汽车故障的重要参考，同时也对汽车的设计制造具有重要的意义。1.2国内外智能油耗检测仪的研究现状及发展趋势1.2.1国内外智能油耗检测仪的研究现状 1.国内智能汽车油耗检测仪的研究现状国内技术落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚，到1991年10月1日交通部才颁布实施涉及车辆燃油消耗检测的法规汽车运输业综合性能检测站管理办法，规定采用的测量方法为容积法和重量法。汽车油耗检测可通过汽车道路试验，也可在室内底盘测功试验台上模拟路试来检测。在汽车道路试验中，一般汽油车常用容积法测量油耗，柴油车常用质量法测量油耗。目前的油耗仪多为体积式的，FP214型活塞式流量传感器、祸轮流量仪、数字式油耗转速自动测量及四活塞式流量计仪等。随着计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，虚拟实验技术也开始用来进行车辆经济性方面的研究。虚拟实验系统的类型可分为纯软件型和硬件在环型。纯软件型系统仅利用软件完成整个系统仿真，它把实验环境、实验对象全部抽象为数学模型。其重点在于抽象的数学模型和软件技术；硬件在环型系统是指将实物硬件嵌入仿真系统的实时动态仿真技术，其强调软硬件技术及电子技术的结合，获取的一些关键信号由真实硬件发出，比纯软件方式可信度高。研究开发的智能油耗检测仪既要能用于汽车发动机在不同工况时的油耗数据的测量。及车辆行驶的等速油耗、加速油耗、变工况油耗及百公里油耗测试，尤其是瞬时油耗测试的智能型快速检测仪器；同时还要将先进的智能传感器技术和智能仪表技术应用于液体流量检测与显示，集机、电、液于一体，提高检测与显示精度和检测的自动化程度，满足生产实际的需要。目前逐步投入市场的代表性的产品有以下几种：国产CTM8A汽车综合测试仪是以微型计算机为核心，用于汽车动力性能和经济性能的测试，采用两个流量传感器，可进行电喷车的等速油耗、加速油耗、六工况油耗、百公里油耗测试；淄博无线电厂生产的WYHB型微电脑多功能油耗仪，用于检测汽车、拖拉机的动力性能、经济性能、操纵性能及拖拉机牵引性能。测试项目采用菜单操作，系统内置40列微型打印机，可将测试结果及测试数据打印出来；EPFA型发动机功率、油耗综合测试仪。该产品采用无外载测功法，配接转速和油耗传感器，用来测量发动机功率、比油率、百公里油耗、怠速转速、机油压力、异响控制软件在Windows下运行，操作简便，测量数据可进行存储和打印，并具有联机通讯功能。2.国外智能汽车油耗检测仪的研究现状国外汽车工业发达国家，较重视环保与节能。其车辆油耗检测技术较先进，投入的人力和财力也较多，并大量采用了传感技术和微电脑技术，正在大力研发智能型油耗检测装置，其功能、测试项目、精度、显示方式都在不断发展与完善之中，成本逐渐趋向合理。美国、日本等发达国家在70年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗检测系统进行了大量的研究，并取得了一些成果及试验数据，结果表明，该方法测汽车油耗完全可行，并且可以在检测汽车尾气排放的同时进行，但该检测系统设备庞大、复杂，而且无法实现快速检测。采用这种检测系统进行油耗量检测仅局限于实验室中，难以在实际中广泛应用。日本小野公司的FP-214型活塞式流量传感器，最低采样时间为0.1s，最小油量分辨率为lml，传感器量程为0.3120Lh；美国Pier burg仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型，流量范围可从1L/h起，响应时间为200ms,精度可达01；奥地利的AVL公司研制的台架试验中发动机燃油耗的精确测量仪，在油量25g时精度较高，台架试验测量范围为O150kgh，尽管该油耗仪可进行动态测试，但仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200ms11。1.2.2智能油耗检测仪发展趋势目前国内外都在研究虚拟技术应用于汽车油耗检测，可克服传统设计的缺陷，提高仪器的功能和检测效率，大幅度降低仪器成本，是实现汽车油耗高精度、低成本检测的一个发展趋势7。1.3 智能油耗检测仪研究的目的和意义1我国汽车行业发展迅速，汽车有保有量大幅增加。随着近几年我国经济的快速发展和国民生活水平的快速提高，汽车行业发展迅速，汽车的产销量和保有量都大幅增加，据中国汽车工业协会统计，2010年国内汽车产销量分别达1826万和1806万辆，汽车保有量突破7000万辆，随着汽车走进千家万户，一系列问题也日益凸显。能源是发展生产和提高生活水平的物质基础，汽车主要能源是石油产品中的汽油和柴油。而作为汽车用油来源的石油，其储量是有限的，2010年，我国石油产量为20301万吨，而全国石油消耗量为4.07亿吨，占全年石油消耗量的45%，当年我国石油对外依存度为55%。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。要达到节约用油，降低能耗的目的，除广泛采用新材料、新工艺提高汽车性能外，主要应加强管理和监督。（1）制定法规，限制新生产汽车的燃油消耗量。70 年代能源危机后，各国纷纷制定本国的汽车油耗法规，强制性地降低新生产汽车的油耗指标。如美国近十年来汽车油耗平均每年下降2%，要求1985 年生产的轿车平均油耗必须低于8.5L/100km ， 1995 年生产的要低于5.73L/100km。（2）加强对在用车的检查和管理。对在用车辆进行定期的技术状况、经济状况检查，以便及时对技术状况差的车辆进行维护修理。对于维修后仍不能达到要求的，强制报废。为缩小与发达国家的差距，我国已经制订了汽车技术等级评定标准、汽车技术等级评定的检测办法，将燃油消耗列为评定汽车经济性的重要指标；1991 年10 月颁布的交通部29 号令汽车运输车辆综合性能检测站管理办法也规定，所有从事汽车运输车辆综合性能检测的A、B、C 三级检测站，都应具备燃油消耗量检测的能力，这更加体现了对车辆经济性指标的重视。2.随着油价不断上涨和人们环保意识的增强，汽车经济性备受关注。作为汽车的主要性能之一，准确、迅速地对汽车燃油消耗量进行检测并作出评价，这是非常关键的。国家有关标准中规定的燃油经济性的评定使用的是油耗计测定方法。目前国内常用的发动机油耗测量方法还是油耗仪测量方法，这些油耗测量仪表种类繁多，使用方法和测量精度也各有优劣。传统的油耗计对于化油器的汽油机燃油消耗的测量较为单一，但是，随着汽车排放法规的日趋严格和汽车电子技术的长足进步，汽油机的化油器已逐渐被电控燃油喷射系统(EFI)所取代，汽车的燃油经济性测量的对象已全部变成了电控喷射发动机。电控喷射发动机由于需要处理多余燃油的回流问题，使其对油耗的测量变得复杂。所以，相关的测量方法和仪器的研究受到了更多的关注。目前测定燃料消耗率(简称耗油率) 的方法通常有容积法、重量法、流量计法和流速计法等。常规的容积法和重量法的测量精度较高,但不能测量瞬时耗油率, 只适用于内燃机稳定工况下燃油消耗率的测定。流量计法和流速计法可以测量瞬时耗油率, 但由于单位时间燃油的流量很小, 因此测量精度较低。测量内燃机各工况下的耗油率不仅可以判断其经济性, 同时也有助于诊断燃油系统的缺陷和故障。因此，研发车辆油耗检测仪，提高油耗检测精度，扩大仪器测量范围，是实现油耗仪产品更新换代的要求，也是科学技术日益发展的需要。基于失重法的汽车油耗检测仪器能精确检测汽车油耗，可以对汽车的燃油经济性有一个正确的评价和预测，可为研制低油耗车提供依据；对营运车辆油耗检测评价，可为其维护、维修提供依据；对于维修企业，可用于判定维修质量；还可用于教学、研究单位进行其工作规律研究。1.4汽车油耗检测技术目前，在汽车道路试验中，测量汽车油耗的方法，可归纳为两大类。(1)直接测量法，指拆开汽车发动机油路，接人流量测量设备，直接测得燃料消耗量。具体可分为两种：容积法：单位时间内消耗燃油体积；重量法：单位时间内消耗燃油重量。它们的共同特点是：测量精度较高；操作复杂、费时；破坏车辆原有油路结构。(2)间接测量法，即碳平衡法，不拆解发动机油路，利用汽油中的含碳量和燃烧后尾气排放的含碳量不变，只要测出单位时间内尾气含碳量与汽油中含碳量相比，即可计算得到燃油消耗量。这类测量方法的特点是：不需拆解被测车辆，适应汽车不解体检测的发展方向；可以和汽车排放检测相结合；油耗测量精度没有直接测量法高。少数几个大的科研单位虽然从国外引进了一些相关设备，由于所需设备庞大、昂贵而复杂、不可携带，还没有引起重视。1.5 本文主要研究内容本设计通过对目前常用的汽车油耗测试方法及原理进行分析比较，在此基础上，提出一种基于失重法的智能汽车油耗检测仪的设计，该检测仪能实现智能化油耗检测，同时满足汽油车和柴油车及各种工况下的检测要求，具有较高的测量精度，操作简单，测量数据直观可视等特点。主要内容包括：（1）介绍基于失重法的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；（2）确定基于失重法的汽车油耗检测的控制原理；建立汽车油耗检测的数学模型；（3）确定总体设计方案，进行汽车油耗检测仪器的硬件选择与设计、系统控制电路设计、软件设计、可靠性设计和机械部分设计；（4）绘制装配图、控制电路图、零件图；（5）试验验证与误差分析。第2章 检测系统总体分析2.1 系统的功能要求（1）本系统应能实现油耗的智能检测，应用先进的传感器技术，将采集到的信号输送到单片机，在软件系统的支持下，单片机完成对油耗的分析与处理，并通过显示器实现数据的直观性和可视化，采用控制面板实现人机交互功能，自带微型打印机打印检测结果。（2）能对汽油机、柴油机进行发动机台架试验。（3）具有较高的测量精度和可靠性。（4）该系统所采用的理论应具有可行性，通过试验加以验证。（5）具有较低成本。2.2测量原理本设计主要是基于失重法原理，采用数字信号处理手段，设计出一种新型的智能油耗检测仪，既能同时满足汽油车和柴油车的检测，又能适应各种工况，并且具有较高的精度和较低的成本。 图2.3 失重法测量原理1-密封油箱 2-重量传感器 3-信号处理4-电路电磁阀 5-供油管 6-出油管 7-旁通管测量原理如图2.3所示，密封油箱固定于重量传感器之上,在测量时，重量传感器的输出电压与加在上面的压力成正比，即: （2.1）式中：mc密封油箱的质量； mf燃油的质量； m总质量；k测量常数； g重力加速度。为了提高测量精度，油箱的自重不能太大，并且贮油量要合适。在测量过程中，随着燃油的消耗，油箱中的燃油量逐渐减少(即失重)，设传感器的输出电压为,有： （2.2） （2.3）则式中时刻燃油的质量。上式表明，燃油的失重量与压力传感器输出的电压信号的变化成正比。用上式除以时间，当足够小时，只要测得传感器在各个时刻的输出电压，就能计算出平均油耗率和瞬时油耗率23。2.3元件在油路中的布置具体布置如下图2.1所示： 控制装置重量传感器率密封油箱 发动机 高位油箱充油电磁阀进油管出油管图2.1 油耗检测系统的布置图该系统采用定时称重方式，一次加油多次测量，其工作过程如下：发动机不断消耗密封油箱内的燃油，当消耗到密封油箱最低油位时，控制装置发出加油指令，充油电磁阀打开，充油指示灯点亮，高位油箱内的燃油通过充油电磁阀不断像发动机供油（保证发动机正常运转）同时对密封油箱加油，加油过程中由于发动机耗油速度小于加油速度，因此密封油箱内燃油油位逐级升高。当密封油箱内的燃油油位达到最高油位时，控制装置立即关闭充油电磁阀，充油指示灯熄灭，发动机的供油立即转向由密封油箱内的燃油供给。2.4油耗测量部分的组成总线油耗测量系统主要由重量传感器、单片机、显示器、控制面板等组成，其控制关系如下图2.2所示：ROM ROM率接口率 标准通讯接口率RAM率 微处理器率 充油电磁阀重量传感器率接口率接口率接口率接口率显示器率 打印机率 控制面板率图2.2 油耗测量部分模块连接图重量传感器主要用于检测汽车发动机的油耗量，通过信号转换装置将传感器信号转换为数字信号，以便单片机能够接收实现控制。单片机是油耗测试系统的核心，用于接受来自重量传感器的信号，并调用内存储器中的数据和相关程序，进行分析处理，并将数据处理结果传送给显示器或者打印机对外输出。显示器的功能便是显示输出处理结果数据。控制面板的功能是用于系统功能的设定，实现人机交互功能。打印机的功能是打印检测结果。2.5本章小结介绍基于失重法原理的智能汽车油耗检测仪的主要功能要求，并确定总体设计方案包括本系统的检测原理，元件在油路中的布置，油耗测量部分的组成及其各部分应实现的功能。第3章 智能油耗检测仪中硬件的设计与选择3.1目前常用的油耗检测方法分析3.1.1常用油耗检测方法分类发动机经济性检测试验分为两大类，一种是汽车道路试验，另一种是发动机台架试验20。1.汽车道路试验根据各种使用因素控制的程度，道路试验大致分为以下三种：无控制道路试验，有控制道路试验和道路循环试验。无控制道路试 验是车辆使用变量不加约束的一种试验，与车辆平时在道路上运行的情况相同。如果试验时间较长，得出的油耗值与实际运行油耗一样。但是这种试验的重复性较差，不同的道路条件和操作习惯都会试验结果不一样。而且如果不结合运输生产进行，实验的时间和经费很难承受。有控制道路试验是指对道路条件、环境条件、驾驶习惯等条件中的一个或者几个变量实行控制的一种试验。比如道路可以选择同样的等级、同样长短；环境可以加以适当控制；操作方法可以统一规范等。控制的条件越多，越严格，油耗测试结果的重复性越好。道路循环试验与有控制道路试验没有明显界限，所不同的是这种试验对循环行驶里程，行驶中的换挡、制动次数、加速时间及稳定车速都有严格规定。这种实验方法在国外常被汽车制造厂所采用，不同的汽车制造厂都有自己的专用试验路和特定的道路循环试验模式。等速行驶油耗试验和怠速油耗试验是这类试验中两种最简单的循环试验方法。等速行驶百公里油耗试验是一种正在采用的最广泛的最简单的循环试验方法，它不能全面反映汽车燃料经济性，只能作为一种比较性的相对指标。等速燃料经济性试验缺乏有关动力性要求的检验指标，容易造成试验汽车动力性要求与燃料经济性匹配不合理的现象，它也不能反映汽车实际行驶中频繁出现的加速、减速等工况。2.发动机台架试验采用路试方法受到很多限制，参照GB/T12545-90汽车燃油消耗量试验方法的要求评价汽车发动机燃油经济性，便于汽车综合性能检测站开展车辆技术等级评定工作，可通过台架试验方法来模拟道路试验，即在试验台架上模拟发动机各种工况油耗测试的方法。检测燃料消耗量时，可以采用测定其容积、质量、流量和压力等方法，其中容积法和质量法较常用，特别是容积法应用更为广泛。发动机台架试验时容积法和质量法的做法，是测定发动机消耗一定燃料质量时所经过的时间，然后由燃料量和时间计算单位时间的燃料消耗量。汽车道路试验或整车在底盘测功机实验台上检测燃料消耗量时，则是测定汽车通过一定路程时消耗的燃料量和通过的时间，然后由燃料量、路程和时间，计算试验车速下单位里程燃料消耗量、百公里燃料消耗量或每升燃料行驶里程。利用发动机台架试验测量油耗，相比道路试验有很多有势：一是试验条件可以人为控制，能够最大条件地克服外界环境对于实验结果的影响；二是经济方便，燃油消耗量可以用容积法、重量法等多种方法测量，并且可以同时完成如测定排放物等其它试验内容；三是试验可以在稳定的条件下进行，因此测量的结果相对误差小，数据的重复性好；四是相比道路试验不需要很高的场地要求。但是台架试验也存在着一些问题，如台架试验的条件和道路试验的条件相差很大，无法与汽车实际运行情况一致。因此，台架试验所测得的燃油消耗量，并不能完全反映汽车实际运行工况时的油耗量。在台架试验中用底盘测功机循环试验测量汽车整车燃油消耗量也越来越受到重视。汽车在道路上行驶时受到的道路阻力、滚动阻力、惯性阻力、负载特性等，可以利用底盘测功机来进行模拟。在底盘测功机上进行油耗试验时，可以采用负荷法和滑行法。负荷法一般适用于汽油车的负荷设定，汽车行驶阻力随车速提高而增加，通常节气门开度也随之增大。在同一种速度下，如果底盘测功机上和试验场跑道上的节气门开度一样，则说明两者阻力相同，可利用其中一个原理确定测功机的设定负荷，从而达到模拟道路阻力的目的。柴油车不能用负荷法，需采用滑行法来设定负荷。当汽车从某一车速脱档滑行时，由于行驶阻力特性不同，速度变化的时间也就不一样，利用这一原理，便可使底盘测功机试验和道路试验负荷相同，从而控制测功机的制动力矩。利用底盘测功机进行油耗测试时，可以通过确定等速百公里油耗测试模拟加载量、汽车多工况燃油消耗测试加载量来进行工况模拟循环试验。底盘测功机测量油耗的优点：(1)在室内进行试验不受外界气候条件限制和场地道路的限制，且油耗测量值重复性好；(2)由于能够控制实验条件，因此周围环境影响的修正系数可以减到最小；(3)由于室内便于控制行驶情况，因此能够进行复杂工况循环试验；(4)能够采用多种油耗测量方法；(5)可以同时进行废气排放物的试验。同时底盘测功机测量油耗也存在着缺点：(1)不易准确模拟道路行驶中的滚动阻力和空气阻力；(2)测功机的可变惯量间隔较大，会产生不正确的车辆惯性力，影响车辆负荷模拟的准确度和稳定性，不太符合燃油经济性试验的要求；(3)室内冷却风扇产生的冷却气流与道路上行驶时的实际情况不一致。3.1.2常用油耗测量原理介绍1容积法采用行星活塞式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，测定一定体积燃油的消耗时间。容积式油耗传感器通过累计发动机工作中所消耗的燃油总量，用时间或里程来计算油耗量。容积式油耗传感器的流量检测装置由流量变换机构及信号转换机构组成。图3.1 行星活塞式油耗传感器的流量转换机构的工作原理图1,2,3,4.活塞. 5曲轴. 6连杆.7. 油道. 8.排油口.流量变换机构是将一定容积的燃油量变为曲轴的旋转运动，它由十字形配置的四个活塞和旋转曲轴构成，其工作原理如图3.1所示。燃油在泵油压力作用下推动活塞运动，再由活塞运动推动曲轴旋转，曲轴旋转一周（即四个活塞各往复运动一次），完成一个进排油循环。如此反复，在燃油泵泵油压力的作用下，就可完成实现定容量、连续泵油的作用。曲轴旋转一周，各缸分别排油一次，其排油量可用下式确定： （3.1）式中，V四缸排油量，cm3； h曲轴偏心距，cm2； d活塞直径，cm。信号转换机构装在曲轴的另一端，由主动磁铁、从动磁铁、转轴、光栅板、发光二极管、光敏光、电缆插座及壳体等组成。当曲轴转动时，由于一对永久磁铁的吸引作用，转轴及其上的转动光栅也随之转动，通过发光二极管和光敏管，把曲轴的转动变成电脉冲信号送入计量显示仪，经过内部运算处理后，即可显示出流经的燃油量1。2质量法质量式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，是测定消耗一定质量燃油所需的时间。质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装置组成，如图3.2所示,在测量消耗一定质量的燃油所需的时间后，可按下式计算出单位时间内发动机的燃油消耗量1。 （3.2）式中：w燃油质量，g；t测量时间，s；G燃油消耗量，kg/h。称量装置通常利用台秤改制，量程为10kg，称量误差为0.1%。称量装置的秤盘上有量杯，燃油经过电磁阀加入油杯。电磁阀的开闭由装在平衡块上的行程限位器拨动两个微型限位器开关来控制。光电传感器给出油耗终点和始点，它有两个光电二极管和装在棱形指针上的光源组成，光电二极管5为固定式，光电二极管8装在活动滑块上，滑块通过齿轮齿条移动，齿轮轴与鼓轮相连，计量的燃油量通过转动鼓轮从刻度盘上读出。计量开始时，光源的光束射在光电二极管5上，光电二极管发出信号，使计数器开始计数，随着油杯中燃油的消耗，指针移动。当光束射到光电二极管8上时，光电二极管发出信号，计数停止。图3.2 重量式油耗仪原理图1油杯 2出油管 3加油管 4电磁阀 5光电二极管 6限位开关 7限位器 8光电二极管 9电源 10计数器 11控制器质量式油耗仪有一个系统误差，即测量时油面高度发生变化，伸入油杯中的油管浮力的反作用力也在变化，造成称量时的系统误差。此项系统误差必须根据汽车油耗量及油杯高度变化进行修正。此外以L/100km作为油耗计量单位时，在换算必须考虑燃油密度与温度之间的关系。在测量消耗一定质量的燃油所需时间后，即可利用以下公式计算出单位时间内发动机燃油消耗量： （3.3） 上式中：G燃油质量，g；t测量时间， s； Q燃油消耗量，kg / h。3.2 重量传感器的选择3.2.1重量传感器分类重量传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广22。 （1）光电式传感器：包括光栅式和码盘式两种。 光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。 码盘式传感器的码盘(符号板)是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。 （2）液压式传感器：在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值,即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大,但准确度一般不超过1/100。 （3）电磁力式传感器：它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000,但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。 （4）电容式传感器：它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作。极板有两块，一块固定不动,另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/2001/500。（5）磁极变形式传感器：铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。 （6）振动式传感器：弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大,右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高,可达1/10001/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂,加工难度大，造价高。 （7）陀螺仪式传感器：转子装在内框架中，以角速度绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动(进动)。进动角速度与外力P/2成正比,通过检测频率的方法测出，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。 陀螺仪式传感器响应时间快(5秒),无滞后现象，温度特性好(3ppm)， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/300001/60000)。 （8）电阻应变式传感器：利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。 电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。 3.2.2重量传感器主要功能及选择原则1.重量传感器主要功能对被测对象状态的检测，一般都离不开传感器，这是因为被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而单片机只能识别和处理电信号。因此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控制任务，而重量传感器的主要功能就是将燃油的质量信号转变为电信号输送至单片机，完成对被测对象状态的检测。2.选择原则传感器是实现测量和控制的首要环节，是测控系统的关键部件。选择传感器的总的原则是在满足传感器所有技术要求情况下，成本低廉，工作可靠和维修容易，在选择传感器时，最重要的是满足其主要功能要求，一般来说传感器的性能指标主要包括：（1）灵敏度系数，是指在稳定状态下工作时输出变化和引起次变化的输入变化的比值，一般传感器灵敏度系数越大，则测量范围就越窄。（2）最小测量量，它是表征传感器能检测被测量的最低极限值，他通常与传感器的噪声、灵敏度和电源的稳定度等因素有关。（3）线形度，传感器的校准曲线（标定曲线）与其理论拟合直线（刻度直线）之间的偏差。（4）迟滞性，在传感器的输入量连续增加时所对应的输入量连续减少时对应的输出量不相重合的现象。（5）稳定性，是指在传感器的所有工作条件保持不变的情况下，在规定的时间内其输出保持不变的能力。3.2.3重量传感器的选择在本检测系统中，重量传感器是至关重要的部件，它的精度直接影响油耗检测仪器的精度，所以，根据传感器选择原则，本检测系统选择由佛山市顺德区泰昱传感器有限公司生产的TYC601 平行梁式称重传感器，采用合金钢材质，无色阳极化处理,封胶。主要技术参数如表3.1所示：表3.1 TYC601 平行梁式称重传感器技术参数综合误差: C3绝缘电阻: 5000M(100VDC)灵敏度: 20.01mv/v激励电压: 912VDC非线性: 0.017(%F.S)温度补偿范围: -10+40滞后: 0.02(%F.S)使用温度范围: -20+55重要性: 0.01(%F.S)零点温度影响: 0.03F.S/10蠕变：0.02(%F.S/30min)灵敏度温度影响:0.014(%F.S/10)零点输出: 1%F.S安全过载范围: 150%输入阻抗: 3805极限过载范围: 200%输出阻抗: 3603防护等级: IP65电缆线：四芯屏蔽电缆4 0.42m接线方法：红色(电源) + , 黑色(电源) - ,绿色(信号) + ,白色(信号) 外形尺寸如图3.3所示：图3.3 重量传感器外形尺寸3.2.4重量检测数学模型的建立根据失重法原理，重量传感器输出的电压信号与密封油箱和箱内燃油重量之和成正比，有：U=kmg=kg(mc + mf) （3.4） 式中： U电压信号； mc密封油箱的质量； mf燃油的质量； m总质量； k测量常数； g重力加速度。把测量常数k预先存储到单片机中，单片机可以根据重量传感器检测到的电压信号U和测量常数k求的此时的燃油质量mf （3.5）因此重量检测数学模型可以用上式表示。3.3单片机的选择3.3.1单片机硬件系统设计原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。 系统的扩展和配置应遵循以下原则： 1.尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2.系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 3.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。 4.系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5.可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6.单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。3.3.2单片机选择原则单片机的选择是一件重要而费心的事情,如果单片机型号选择得合适,单片机应用系统就会得经济,工作可靠;如果选择得不合适,就会造成经济浪费,影响单片机应用系统的正常运行,甚至根本就达不到预先设计的功能。对于一个已经设计好的单片机应用系统来说,它的技术要求和系统功能都应当十分明确.如果选择功能过于少的单片机,这个单片机应用系统就无法完成控制任务;但是如果选择的单片机功能过于强大,这不但没有必要,还会造成资源浪费,降低性价比。只要掌握和运用单片机正确选择的原则,就可以选择出最能适用于应用系统的单片机,保证单片机应用系统有最高的可靠性,最优的性能价格比,最长的使用寿命和最好的升级换代可能。对单片机选择,主要应用从单片机应用系统的技术性,实用性和开发性三方面来考虑：1.技术性:要从单片机的技术指标角度,对单片机芯片进行选择,以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行；2.实用性:要从单片机的供货渠道、信誉程度等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统能长期、可靠运行；3.可开发性：选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。3.3.3 单片机型号的匹配1AT89S52主要性能(1)与MCS-51单片机产品兼容(2)8K字节在系统可编程Flash存储器(3)1000次擦写周期(4)全静态操作：0Hz33Hz(5)三级加密程序存储器(6)32个可编程I/O口线(7)三个16位定时器/计数器(8)八个中断源(9)全双工UART串行通道(10)低功耗空闲和掉电模式(11)掉电后中断可唤醒(12)看门狗定时器(13)双数据指针(14)掉电标识符2AT89S52功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图如图3.4所示：（a） （b）图3.4 AT89S52引脚图3.AT89S52引脚功能描述：VCC: 电源。GND: 地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.4 显示器的选择与匹配3.4.1显示器的选择单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD），前者价格便宜，功能简单，只能显示数字。后者可进行图形显示，具有功耗低，抗干扰能力强等特点，目前已被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。本系统采用1602字符型LCD。 具体选择为长沙金太阳电子有限公司生产的SMC1602 LCM(液晶显示模块)。主要技术参数如表3.2所示：表3.2 液晶显示器主要技术参数显示容量：162字符芯片工作电压：4.55.5V工作电流：2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.954.35mm引脚说明如表3.3所示：表3.3 液晶显示器引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/02VDD电源正极10D3Data I/03VL液晶显示偏压信号11D4Data I/04RS数据/命令选择端12D5Data I/05R/W读/写选择端13D6Data I/06E使能信号14D7Data I/07D0Data I/015BLA背光源正极8D1Data I/016BLK背光源负极 外形尺寸如图3.6所示：图3.6 显示器外形尺寸3.4.2.接口电路：如图3.7所示： 图3.7 单片机与显示模块的接口电路3.5打印机的选择与匹配3.5.1打印机的选择为了能使显示器显示的数据进行保留，便于以后的分析处理，我们需要选择打印机实现智能油耗仪的打印功能，而在打印机选择时，一种是选择外接打印机，另一种是选择嵌入式微型打印机，前者体积较大，外接的连接线降低了仪器的便携性，而后者相对体积较小，微型打印机为内嵌式，能和油耗检测系统安装在一个外壳里，更适合仪器仪表的使用功能要求，所以本次设计选择微型打印机来实现智能油耗仪的打印功能。目前市场上微型打印机种类较多，综合分析，选择由北京斯普瑞特科技发展有限公司生产的SP-DVII微型打印机。 该打印机具有以下特点：1.大纸卷打印机；2.PUSH开门更方便，装纸、换色带更容易；3.安装方便、可靠；4.抗干扰能力强。3.5.2接口电路微型打印机与单片机采用并行接口方式，如图3.8所示： 图3.8 单片机与微型打印机接口电路3.6 控制面板设计控制面板在单片机控制系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人机交互的主要手段。常用的控制面板接口分为独立式按键接口和矩阵式控制面板接口。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线的状态。独立式按键电路的优点是配置灵活、软件简单。缺点是每个按键都需要占用一根输入端口线，所以在按键数量较多时，需要较多的输入端13线且电路结构复杂，故此种控制面板适用于按键较少或操作速度较高的场合。矩阵式控制面板接13适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。例如，一个33的行、列结构可以构成一个有9个按键的控制面板，同理，一个44行的行、列结构可以构成一个16个按键的控制面板等。显然，在按键较多的场合，矩阵式控制面板与独立式控制面板相比，要节省很多的I/O线。针对设计的智能油耗仪，需要8个按键，包括“”、“”、“”、“”、“开始”、“结束”、“打印”、“发送”。选择测试项目用“”、“”、“”、“”光标键；准备好后，按“开始”键开始测试，等达到测试值后，测试结束，仪器显示测试的结果；按“结束”键，结束测试，也可以进行下一次测试；按“打印”键，打印测试结果；按“发送”键，将测试结果由RS-232发送出去。3.7其它主要元器件的选择与匹配3.7.1 程序存储器的选择与匹配27512是INTEL公司产品，是一种512k8位紫外线擦除电可编程只读EPROM，不同的一点是它采用NMOS工艺制成，其读写访问时间从170ns450ns，采用单一+5V电源供电，三态输出，与TTL电平兼容，工作温度范围从0+70工作电流最大125mA，维持电流40nA，读出时间最大为250us。基于以上原因，并考虑到与80C196KC兼容匹配性和性价比，初选27512为扩展程序存储器。27512为28脚双列直插式封装，其管脚排列如图3.9所示19。3.7.2 数据存储器的选择与匹配62256是一种采用CMOS工艺制成的32K8位28引脚的静态读写存储器，其读写访问时间根据不同型号从20ns200ns。数据输入和输出引脚共用，三态输出；采用单一电源+5V，其输入输出电平与TTL兼容，具有低功耗操作方式。当未选通时，芯片处于低功耗状态，这时可减少80%以上的功耗，只有2V电源电压，几十微安电流就可保证数据不变，这个性能用于电池供电的数据断电保护操作。工作温度范围：0+70。基于以上原因，并考虑到其性价比，基于以上原因，选择62256作为静态数据存储器。其管脚排列如图3.10所示19。3.7.3 片外扩展I/O口选择与匹配8155是一个有40引脚的塑封芯片，功能较强，广泛的应用在计算机电路中。256字节的静态RAM,存取时间为400ns，它有两个8位口A、B和一个6位口C，总共可以扩展出22条接线。它含一个可预置的计数器，计数范围从216383，可用于延时、计数或分频。它内部还有256字节的RAM，可以补充CPU内存的不足。单一+5V电源供电。为了能够设置芯片的工作方式和了解芯片的状态，内部还有命令寄存器和状态寄存器。基于以上的特点和性价比，初选芯片8155。图3.11为8155的引脚图19。图3.9 27512管脚排列图图3.10 62256管脚排列图3.7.4 通讯接口的选择在实际工作中，单片机常常要与PC机和外部设备之间进行信息交换，所有这些信息交换均可称为通讯。通讯方式有两种：串行通讯和并行通讯。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为图3.11 8155引脚图标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。RS-422是由RS-232发展而来，它是为了弥补RS-232的不足而提出的，为改进RS-232通讯距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通讯接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200米（速率低于100Kb/s），并如许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送，多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接在同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于本次设计对通讯接口的要求不高，目前使用最为广泛的RS-232-C串行通讯接口就能满足，而且RS-232-C串行通讯接口成本较低，购买方便。由于单片机通过串口发送出来的是TTL逻辑电平（0V和5V），而计算机RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V左右的电压，所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换，但是为了方便起见，设计采用集成芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高。本次所采用的是MAX232，其引脚如图3.12所示。MAX232能将RS-232C电平转换成TTL电平，也能将TTL电平转换成RS-232C电平，只需单+5V供电，由内部升高电路产生10V+12V。内部有两个发送器(TTL电平转换为RS-232C电平)和两个接收器(RS-232电平转换为TTL电平)。 图3.12 MAX232引脚图电路如图3.13所示：图3.13 电平转换电路3.7.5 日历与时钟芯片的选择在仪器仪表与工业控制现场的单片机应用系统中,经常有精确计时的需要,这时我们通常采用DS1302与单片机综合应用系统,以实现各种时间的精确获取。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图3.14所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。 各引脚的功能为：Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入。I/O：三线接口时的双向数据线。CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。图3.14 DS1302的外部引脚分配单片机与DS1302的接口电路图如图3.15所示：图3.15 单片机与DS1302接口电路DS1302与单片机的连接仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。3.7.6 监控芯片的选择1.监控芯片的原理要求所选的芯片应能对系统的电压进行时时监控，同时能够起到看门狗定时器等一系列功能。而且可以提高可靠性能和抗干扰性能，另外也可以简化硬件电路和掉电数据保护。根据以上要求，初选监控芯片XICOR公司生产的X25045芯片。其引脚图如图3.16所示。X25045芯片把四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电压监控和串行EEPROM功能组在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。X25045将多种功能集成在一起。图3.16 X25045引脚图2.芯片的功能特点（1）上电复位和电压监控功能：在单片机系统应用中，复位电路需要在供电电源VCC和振荡器稳定后能够提供至少2个状态的有效复位信号，对X25045来说是低电平信号。X25045可在电源和振荡器稳定后提供200ms的有效低电平信号，然后恢复为高电平信号。在运行过程中，X25045会时时监控供电电源VCC。当VCC下降到小于一个预先设定的电压VTRIP时，/RESET输出信号将为低电平，使单片机系统复位，/RESET信号一直在VCC下降到1V仍有效。在电源回升时的动作和供电复位时的动作一致。其中，VTRIP是可以通过编程进行重新设定。（2）看门狗定时器功能：看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统出故障时，在可选的超时周期（timeout interval）之后，X25045看门狗将以/RESET信号做出响应。用户可从三个预置的值中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。在正常的微机控制系统中，在每次控制任务完成后，必须对看门狗定时器进行复位，重新开始计数。而X25045芯片，只需把/CS端口电平置一个下降沿，即可将看门狗复位。X25045的看门狗定时器有三种初始定时值可以选定，其选定可以通过设置状态寄存器的2、3位即可。（3）串行EEPROM功能：电可擦除可编程只读存储器EEPROM可像EPROM一样在线读出数据。因为EEPROM内部有擦除和改写的专用电路，因此可在线方便地写入和读取。X25045的存贮器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按5128来组织，而且可以进行块锁存(Block Lock)。块锁存可以保护1/4，1/2或所有EEPROM阵列，锁存后只可读不可写。X25045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）和软件协议。X25045利用了Xicor公司专有的Direct Write晶片，提供最小为100,000周期/字节的使用期限（endurance）和最小为100年的数据保存期。3.7.7 AD转换芯片的选择 AD7730是美国ADI公司推出的一款高分辨率的A/D转换器,具有双通道差分模拟输入、24位无失码、21位有效分辨率、0.0018%线性误差等特点。由于采用-转换技术,量化噪声被移至A/D转换的频带以外,因此AD7730适合用于宽动态范围内的低频信号A/D转换,具有优良的抗噪声性能。在发动机燃油消耗测量仪中使用AD7730直接与称重传感器和单片机接口,并由单片机读入A/D转换值,进行发动机平均油耗计算并显示输出,就是其应用之一33。3.7.8 电源的选择单片机电源系统设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标，直接影响系统的整体性能。电器与电子产品中常用的直流稳压电源有两种：线性稳压供电电源和非线性直流稳压电源（开关电源）。线性稳压供电电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成，有些还包括保护电路和启动电路等部分。优点是：反应速度快，输出文波较小，工作产生的噪声低；缺点是：输出电压比输入电压低，效率较低，负载大时发热量大，间接地给系统增加热噪声。常用的线性集成稳压器大致可以分为3类：三端固定输出集成稳压器，三端可调集成稳压器，低压差线性集成稳压器。 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多。开关电源具有以下特点:效率高、重量轻、稳压范围宽、安全可靠、功耗小。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。简单地说,开关电源的工作原理是: 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。 本设计采用目前使用最为广泛的78系列三端集成稳压器，其内部电路由启动电路、基准点压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等组成，有5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V 7档，输出电流最大可达1.5A，它有三个引脚，1脚为输入端（不稳定电压输入），2脚为输出端（稳定电压输出），3脚为公共端。本系统选择LM7805芯片，其参数如表3.4所示。表3.4 LM7805参数列表参数名称符号7805输出电压(V)Vo5（10.05）输入电压(V)Vi10电压调整率（最大值）(mV)Sv50电流调整率（最大值）(mA)Si80静态工作电流(mA)Iq6输出噪声电压（典型值）(A V)Vno40最小输入电压（典型值）(V)Vimin7.5最大输入电压(V)Vimax35最大输出电流(A)Iomax3.7.9 电磁阀的选择电磁阀采用上海太纳自动化设备有限公司生产的ZCT系列不锈钢常闭式二位二通电磁阀，适用介质：蒸汽、水、油、弱酸碱性液体等。动作方式：直动式。阀体材质：不锈钢SUS304（精密铸造）。密封件材质：氟橡胶。具体选择型号为ZCT-10，具体参数如表3.5。表3.5 ZCT系列电磁阀参数型号ZCT-6ZCT-10ZCT-15ZCT-20ZCT-25通径（mm）610152020Cv值 0.6 1.5 3.5 6.2 9.8介质温度-5-150工作压力kgf/cm3 0-10额定电压220VAC:50HZ DC24，上下浮动：10%；其他电压可定制3.8 本章小结本章重点介绍了汽车油耗智能测量系统硬件部分的设计与选择的问题。分别对重量传感器、单片机、片外扩展芯片、打印机、日历时钟、监控芯片、键盘部分、通讯接口和电源等部分作了详细的介绍。根据其具体的功能和元器件的选择匹配要求，综合了多方面的知识，最后确定了智能测量系统硬件部分的主要元器件。这些元器件都有详细的说明和原理图，同时也给出了各元器件与单片机系统连接的接口电路图。 第4章 智能油耗检测系统软件设计4.1软件系统的设计方案4.1.1单片机的C语言在单片机应用系统开发过程中，软件编程占有非常重要的地位。尤其是随着大年纪技术的发展，嵌入式系统的推广和应用，硬件的集成化程度越来越高，同时对软件编程的要求越来越高。这就要求单片机开发人员能在短时间内编写出执行效率高、运行可靠的代码。同时，由于实际系统的日趋复杂，对使用代码的规范性、模块化的要求越来越高，以方便多个工程师以软件工程的形式进行协同开发。在这种形势下，仅靠单片机在推广应用的初期使用的汇编语言来进行软件开发，是远远不够的。C语言是近年来在国内外普遍使用的一种程序设计语言。C语言能直接对计算机硬件进行操作，既有高级语言的特点，又有汇编语言的特点，因此在单片机应用系统开发过程中得到了广泛的应用。嵌入式单片机在推广应用初期的编程语言主要是汇编语言，只是因为当时的开发工具只能支持汇编语言。随着硬件技术的发展，嵌入式单片机开发工具的功能也有很大的提高。对于8051单片机，有4种语言支持，即汇编语言、PL/M语言、C语言和BASIC语言。汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，已经不能满足实际需要了，而C语言的结构化和高效性满足了这样的要求，成为电子工程师在进行嵌入式系统编程时的首选语言，并得以广泛应用。尤其是C语言编译系统的发展，更加促进了C语言的应用。1985年出现了针对8051的C51编译器，进而又出现可其他流行的嵌入式处理系统如196系列、PIC系列、MOTORAL系列、MSP430系列、AD公司和TI公司的DSP系列的C语言编译系统，以及丰富的C语言库函数。单片机C语言的特点主要体现在以下几个方面：(1) 无需了解及其硬件及其指令系统，只需初步了解MCS-51的存储器的结构。(2) C51语言能力方便地管理内部寄存器分配、不同存储器的寻址和数据类型等细节问题，但对硬件控制有限，而汇编语言可以完全控制硬件资源。(3) C51语言在小应用程序中产生的代码量大，执行速度慢，但在较大的程序中代码效率高。(4) C51语言程序由若干函数组成，具有良好的模块化结构，便于改进和扩充。(5) C51语言程序具有良好的可读性和可维护性，而汇编语言在大应用程序开发中，开发难度增加，可读性差。(6) C51语言有丰富的库函数，可以大大减少用户的编程量，显著缩短编程与调试时间，大大提高软件开发效率。(7) 使用汇编语言编制的程序，当机型改变时，无法直接移植使用，而C语言程序是面向用户的程序设计语言，能在不同机型的机器上运行，可移植性好。4.1.2 Keil C51 开发工具Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。1.系统概述 Keil C51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，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51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。2.Keil C51单片机软件开发系统的整体结构 C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos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C51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L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。3.优点Keil C51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。4.1.3 软件系统的功能结构软件是智能仪器的灵魂，而且往往是智能仪器功能实现的关键所在。按照仪器的功能要求和技术指标，遵循自顶向下、由大到小、由粗到细的思想，按照仪器的功能层次，把硬件和软件分成若干个和调试；然后把它们连接起来，进行总调试。仪器开发的过程中，程序的编写应采用结构化和模块化方法编程，这对查错和调试极为有利。在一段程序中，往往有许多地方需要执行同样的一种操作。可以把操作单独编制成一个子程序，在主程序需要执行这种操作的地方执行一条调用指令，转到子程序去执行；完成规定的操作后，再返回到原来的程序继续执行，并可以反复调用，这样处理可以简化程序的逻辑结构，缩短程序长度，便于模块化，便于调试。所以，设计时应采用子程序标志化管理，即在需调用的程序模块之前，需设置程序实现的功能名称，调用时可直接转向该模块程序，这样既便于调试、链接，又便于移植和修改。本设计系统中软件设计要实现的功能是配合控制硬件电路，共同完成对油耗的智能化测试，因此，整个软件系统可看成是由若干个功能模块组成的，它包括：（1）系统自检模块：完成对硬件系统的检查，发现内部存在的故障，避免系统“带病运行”，从而影响测量精度。该模块通常包括程序存储器自检、数据存储器自检、输入输出通道自检和外部设备自检等。（2）初始化模块：完成系统硬件的初始设置和软件系统中各个变量默认值的设置。（3）时钟模块：完成时钟系统的设置和运行，为系统其它模块提供时间数据。系统时钟的实现方法有两种：一种是采用时钟芯片来实现；另一种是采用定时器来实现。时钟系统的主要指标是最小时间分辨率和最大计时范围，其指标必须满足系统实时控制的需要。（4）监控模块：通过获取键盘信息，解释并执行，完成操作者对系统的控制。该模块实现了系统的可靠性。（5）信息采集模块：采集系统运行所需要的外部信息，通常包括采集流量传感器输出的模拟信息和各开关量输出的数字信息，其中模拟信息的采集由A/D转换来完成。该模块执行的实时性体现了系统对外部信息变化的敏感程度。（6）数据处理模块：按预定的算法将采集到的信息进行加工处理，得到所需的油耗测试结果。该模块设计的核心问题是数据类型的选择和算法的选择，合理的选择将大大提高数据处理的效率。（7）显示打印模块：系统将各种信息通过显示设备或打印设备输出，供操作者使用。该模块设计中常常需要处理数据格式转换的问题。（8）信号输出模块：输出模拟信号和数字信号，对控制对象进行操作，使其按预定要求运行。（9）通信模块：完成不同设备之间的信息传输和交换，该模块设计中的核心问题是通信协议的制定。（10）其它模块：完成特定系统所特有的功能，如电源管理。从功能结构来看，应用系统的软件设计过程也就是完成各个功能模块设计的过程。4.1.4 软件系统的主程序流程图软件系统的主程序流程图如图4.1所示：输入信号率开始按下“开始”率测量程序率控制面板选择检测项目率数据采集 数据采集完成？数据处理Y显示 是否打印？打印 初始化率YNN4.1 软件系统的主程序流程图4.1.5 初始化模块初始化包括硬件初始化和软件初始化，初始化模块只在系统上电时执行一次，主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器初始化、捕获单元初始化、液晶显示初始化、IO口的设置和初始化、E2PROM初始化等。初始化设置完成后，系统进入循环等待状态，当控制面板有输入时，中断事件发生，则进入相应的中断服务子程序去完成其功能，其流程图如图4.2所示： 初始化保存参数率 启动？读入参数率 中断？定时器中断率结束率NYNY开始初始化单片机复位 DANPIA？等待率 是否采集完成？采集信号率A/D转换率Y开始串口发送率结束率NYN图4.2 初始化程序流程图 图4.3 信号采集程序流程图4.1.6 信号采集模块 信号采集模块主要完成数据的采集，主要由重量传感器，采集电路，A/D转换，串口发送单元组成。其中重量传感器将采集到的燃油质量信号转变为电压信号，经采集电路模拟放大和滤波，A/D转换，并根据数据处理系统的指令通过串口把数据传送到数据处理系统中。其流程图如图4.3所示：4.1.7 数据处理模块根据失重法原理，重量传感器输出的电压信号与密封油箱和箱内燃油重量之和成正比，有：U=kmg=kg(mc + mf) 把测量常数k预先存储到单片机中，单片机可以根据重量传感器检测到的电压信号U和测量常数k求的此时的燃油质量mf 数据处理程序流程图如图4.4所示：开始初始化复位率定时率 定时结束？读出定时结束时采集到的信号率读出定时开始时采集到的信号率求出燃油质量率换算成百公里油耗率存储并显示率YN图4.4 数据处理程序流程图 4.1.8 监控程序模块监控程序是面向仪器控制面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式和工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关的处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。键盘为4*4矩阵排列形式，采用中断扫描工作方式，即只有在键盘有键按下时才产生中断申请，单片机响应中断，进入中断服务程序进行键盘扫描，并作相应处理。中断服务程序除完成键识别、键功能处理外，还需有键抖动等功能。中断服务程序流程图如图4.5所示：开始关蜂鸣器开中断率循环等待按键按下率是否有键按下？打开蜂鸣器，让蜂鸣器响一下中断返回率液晶显示率N中断等待按键延时10ms去抖动1110002991010ms率判断闭合键键号率图4.5 中断服务程序流程图 LCD液晶显示程序流程图如图4.6所示：4.2 系统可靠性设计4.2.1 概述可靠性是描述系统长期稳定、正常运行能力的一个通用概念，也是产品质量在时间方面的特征表示。可靠性又是一个统计概念，表明在某一段时间某个产品或系统稳定正常完成预定功能的概率。一个单片机系统的可靠性使其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果，因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析设计。对于系统自身而言，能不能保证系统各项功能实现的同时，对系统自身运行过程中出项的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。单片机应用环境干扰是以脉冲的形式进入单片机系统，其渠道主要有三条，即空间干扰，供电系统干扰，过程通道干扰。一般情况下空间干扰在强度上要远小于其它两个渠道窜入的干扰，故应重点防止供电系统干扰和过程通道干扰。当干扰产生后会对单片机系统产生严重的影响，归纳起来可概括为如下几个方面：1.影响数据采集的准确度；2.程序运行失常（控制状态失灵或死机）；3.系统误操作；4.被控对象不稳定。抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大多数干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰算入单片机系统，所以一个成功的抗干扰系统应包括硬件抗干扰和软件抗干扰两部分。开始初始化LCDLCD是否忙？写LCD指令写显示行列地址取LCD显示缓存区首地址写数据是否写完16次？行+1写数据是否写完16次？读数据并显示返回YNYYNN图4.6 LCD液晶显示程序流程图4.2.2 硬件抗干扰设计1.光电隔离在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输是很有好处的，它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡。2.过压保护电路在输入输出通道上应采用一过压保护电路，以防引入高电压，伤害微机系统。过压保护电路由限流电阻和稳压管组成，限流电阻选择要适宜，太大会引起信号衰减，太小起不到保护稳压管的作用。稳压管的选择也要适宜，其稳压值以略高于最高传送信号电压为宜，太低将对有效信号起限幅效果，使信号失真。步进电机驱动电路即采用过压保护电路。3.抗干扰电源 微机系统供电线路是干扰的主要来源，电源采用隔离变压器接入电网，可以防止电网的干扰侵入微机系统。隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它在初级和次级之间加了一层屏蔽层，并将它和铁芯一起接地。 4.配置去耦电容 原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01mF的陶瓷电容器，可以消除大部分高频干扰。 5.良好接地 本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰30。4.2.3 软件抗干扰设计尽管在硬件方面采取了种种抗干扰措施，但是干扰是不可能完全消除的。必须同时从软件方面采取适当的搓死，才能取得良好的抗干扰效果。1.消除数据采集的干扰误差数据采集时，由于受到诸如冲击、振动等多种干扰的影响，被测参数的采集存在测量误差，未解决这一问题，在数据采集软件中采用数字滤波的抗干扰措施，对非正常数据进行了过滤，提高了系统的测量精度。数字滤波就是通过特定的计算程序处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，故实质上是一种程序滤波，数字滤波克服了迷你滤波的不足，他与模拟滤波器相比的优点是：由于数字滤波用程序实现，因而不需要增加硬件设备，可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配问题；数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而却通过改写数字滤波程序，可以实现不同率播放方法或改变滤波参数，这比改变模拟滤波器的硬件要灵活方便。2.指令冗余当窜入系统的干扰作用于单片机内部的CPU。上时，常常破坏程序计数器PC的状态，则CPU就不能正常执行程序，从而导致程序在地址空间内“乱飞”，这就是通常所说的程序“跑飞”。程序“跑飞”后使其恢复正常的最简单的方法是CPU复位，让程序重新运行，此时已经完成的工作量全部作废，这在控制系统中是不允许的。CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”。当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出现错误。若“飞”到了三字节指令，因为有两个操作数，继续出错的机率更大。因此，在关键地方人为插入一些单字节的空操作指令NOP或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两条以上的NOP，这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对程序流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、I,JMP、JC等，在其之前插入两条NOP指也可将“乱飞”程序纳入止轨，确保这些重要指令的执行。应该注意的是在一个程序中指令冗余，不能使用太多，否则会降低程序的执行效率。3.软件陷阱指令冗余技术只有在“跑飞的程序落到程序区内而且执行到冗余指令时才能使程序恢复正常。如果“跑飞”的程序落到非程序区，或在执行到冗余指令之前已经形成一个死循环，则指令冗余技术就不起作用了，这时可设置软件陷阱。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕扶的乱飞程序引向一个指定的地址。软件陷阱通常安排在下列四种地方：(1) 未使用的中断向量区；(2) 未使用的大片ROM区；(3) 表格，为了不破坏其连续性，一般把软件陷阱安排在表格的最后；(4) 程序区。 4. 看门狗(WATCHDOG)技术“看门狗”技术是一种良好的抗干扰软件子系统。它能够强制将陷入了“死循环”的程序返回到程序的入口地址，使系统重新纳入到正常运行轨道。例如，看门狗定时器(WDT)是MSP430系列单片机中常用的一个部件。在正常操作期间，一次WDT定时时间到，将产生一次器件复位。如果通过编制程序使WDT定时时间稍大于程序执行一遍所用的时间，并且程序执行过程中都有对看门狗定时器清零的指令，使计数器重新计数，程序正常运行时，就会在WDT定时时间到达之前对WDT清零，不会产生WDT溢出，如果由于干扰使程序跑飞，则不会在WDT定时时间到达之前执行WDT清零指令，WDT就会产生溢出，从而产生系统复位，CPU需要重新运行用户程序，这样程序就可以又恢复正常运行状态29。4.3 本章小结本章主要介绍了与系统软件设计有关的问题，软件开发环境和编成语言是如何选择的和设计时的主体思想，也结合本系统的实际情况介绍了各个功能模块的设计。介绍了软件系统的功能结构，提出整个软件系统的设计可看成是由若干个功能模块组成的思想，即程序的编写应采用结构化和模块化方法编程，这对查错和调试极为有利。本章的最后介绍了抗干扰的措施，从硬件和软件两个方面分别说明了其具体的措施。第5章 机械部分设计5.1 油耗仪外部的设计5.1.1 壳体材料的选择铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝材应用的迅速发展是世界铝工业界不断开发新的铝合金材料的结果。铝合金是向纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属，改变物理性质的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀的特点，加入其他金属后显著提高了机械性能，而且铝合金的制造周期短、成本低、耐高温抗腐蚀等优点，最重要的是它能阻断电磁等信号波的干扰，为机体的正常运作提供安全可靠的工作空间。表5.1列出了多种型号铝合金的特性：根据智能型汽车油耗仪体积小、重量轻、工作环境较好等特点，选用6000系列6A02（LD2）型号铝合金。表5.1 铝合金特性表合金牌号横截面积CM壁厚(mm)外形尺寸(mm)合金特性及应用领域1060（代L2）1050A（代L3）035（代L4）5A02（LF2）5A03（LF3）5A05（LF5）5A06（LF6）505254540.2-901-10010-320中强度合金、耐蚀、熔接性良好用于化工业配管、机器零件、照相机镜筒2A11（LY11）2A12（LY12）201720240.2-901-10010-320高强度、切削性优秀、耐蚀性不强。多用于切削材、飞机材、锻造用素材、汽机车油压零件、运动用品等。 7A04（LC4） 7A09（LC9）70750.2-901-10010-320中强度、耐蚀性强、熔接性差。 多用作车辆、汽车、机车零件、飞机机械零件、运动用品等。6A02（LD2）6061（LD30）6063（LD31）0.2-901-10010-320中强度、耐腐蚀、焊接性好、可熔接、加工性好。用于路上车辆、船舶、海上运输机材、道路用建材、装饰品材、家电制品材及其他一般泛用品0.3-211-1510-1505.1.2外形尺寸的确定智能汽车油耗检测仪是一种测量仪器，考虑到它使用方便性，将其外型设计为长方体，这样不仅携带方便而且易于放置，能保持仪器的平衡性。经过测量计算将油耗仪的规格定为300mm210mm400mm。在油耗仪的下面板安装四个圆台形橡胶支撑底座，通过螺钉安装在油耗仪的下面板上。这种橡胶材料的底座可塑性强、成本低、可购买性好，而且有一定的单性可以起到减震的效果，抗腐蚀不易损坏使用寿命长，能减少仪器在使用过程中的磨损起到保护的作用。控制面板为长方形，包含液晶显示器、按键和指示灯，显示器为长方形，其尺寸为64.5mm13.8 mm ，在显示器的下方是个3个指示灯，分别为“电源”指示灯，“充油”指示灯，“测量”指示灯。指示灯左边是8个按键，尺寸为15mm15mm，包括“”、“”、“”、“”、“确认/开始”、“返回/结束”、“打印”、“发送”。如图5.1所示。 图5.1 智能汽车油耗检测仪控制面板SP-DVII微型打印机是一种可插装在各种仪器、计算机应用装置机箱面板上的嵌入式打印输出设备。它的外形尺寸：103mm(宽)99mm(高) 47mm(深)。该机专为在机箱面板上安装打印进而设计，采用了独特的面板嵌入结构，只需按要求尺寸在机箱面板上开一个安装孔，便可通过紧固螺钉固定在机箱上。5.1.3 接口设计智能汽车油耗检测仪能通过RS232通讯接口与外部设备或电脑相连实现数据输，RS-232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端，本设计电路中的单片机与PC机连接的RS-232C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9针插头。其接口如图5.2，左面为开关，右面为RS-232C接口。电源选用220V交流电，接口如图5.3.智能汽车油耗检测仪在使用时需要与发动机进行油路连接，所以需要设计进油口和出油口，当仪器长时间不使用时，需要及时放出内部的燃油，因此需要设计放油口，如图5.4，从左到右，依次为“出油口”、“放油口”、“进油口”。5.2 内部主要部件的安装 密封油箱尺寸为150mm(长)150mm(宽) 200mm(高)，采用定位螺栓与壳体固定，定位螺栓的型号为GB/T5783-2000M8。下面通过定位螺栓与重量传感器连接，定位螺栓型号为GB/T5783-2000M6。进油管、出油管与放油管，采用直径10mm的紫铜管。电磁阀为二位二通，材质为不锈钢，直接与进油管通过螺纹连接。各芯片通过定位螺栓固定，定位螺栓型号为GB/T5783-2000M4。图5.2 智能汽车油耗检测仪开关和RS232接口图5.3 智能汽车油耗检测仪电源接口图5.4 智能汽车油耗检测仪油路接口5.3 本章小结本章对智能型汽车油耗仪的机械结构进行了设计，确定了壳体的材料、壳体的尺寸、控制面板的尺寸样式和油耗仪接口的位置，同时对智能汽车油耗检测仪各主要部件进行了安装。第6章 试验验证与误差分析6.1 试验和数据6.1.1 试验的目的和意义汽车智能油耗测试仪器经过硬件和软件设计后，还要对其测量精度进行分析，测试系统是否达到设计要求，因为仪器的测试精度直接对测量结果有影响。根据中华人民共和国交通部部门计量检定规程，即JJG（交通）009-96号文件中规定油耗仪在规定流量范围内，准确度为0.5级和1.0级时，其示值允许误差分别不超过0.5%、1.0%。本设计要求其误差值为0.4%，采取以下试验对本仪器的精度进行标定。6.1.2 试验前的准备根据中华人民共和国交通部部门计量检定规程，即JJG（交通）009-96号文件中规定的要求即：（1）环境条件温度：205；相对湿度：4575%；大气压力：86106kPa。（2）检定用油品检定用油品应纯净，其粘度应与工作液体相接近。本次试验采用标准93号汽油。测量油杯重量传感器单片机率显示器率图6.1 试验方法6.1.3 试验步骤试验方法如图6.1所示，采用标定设备AE163型分析天平对油耗测试系统进行标定，该天平最小感量0.01mg，并有多量程可供选择。标定时，依次向测量油杯内加入经分析天平量取的燃油，记录测试仪器显示值，计算油耗测试精度。6.1.4 试验数据表6.1 试验数据32序号天平测量（g）显示增重（g）绝对误差（g）相对误差（%）0 8.20448.208+0.0036+0.044 18.23218.240+0.0079+0.09628.28698.282-0.0049-0.05938.36308.373+0.0100+0.12648.29498.301+0.0061+0.07458.19348.204+0.0106+0.12968.39918.393-0.0061-0.07478.40128.398-0.0032-0.03888.13788.144+0.0062+0.076多次重复测量表明油耗测试系统的相对误差在0.13%内。通过对油耗测试系统的理论精度分析和实际标定表明，油耗测试系统的误差可控制在0.4%以内，发动机平均有好的测试精度，相对瞬时油耗测试还要高一些32。6.2 误差分析6.2.1 概述油耗检测系统，作为一个用于特定研究目的的试验和测试系统，存在着各种各样的误差因素。深入研究和分析系统中内在和外在的误差因素及其联系，找出影响检测结果的主要误差源，并采取相应措施尽可能消除各类误差源，是进行车辆油耗快速检测系统研究过程中重要的一环，对提高车辆油耗快速检测系统的精度具有十分重要的意义。在油耗检测系统试验过程中，影响检测系统精度的误差因素是多方面的，譬如系统设计方法、系统的实现方法、系统工作环境、测量设备、计量方法、试验人员素质等等。系统设计方法误差主要指系统设计方案的可行性、检测系统设备选择的针对性和合理性、软件运行环境的可靠性等不能完全达到试验技术指标要求而造成的误差。系统的实现方法误差包括硬、软件两个方面。硬件方面包括设备的制造误差、安装误差、设备间接口误差以及动态过程误差；软件等方面包括各类建模误差、计算方法误差、初始数据误差等。系统工作环境误差指由于系统所处的环境条件变化而引起的误差称为环境误差，例如温度、湿度、气压、等方面的环境条件如果不符合系统正常工作条件，便会导致环境误差。人员误差指在系统分析和设计过程中由于参加人员主观因素而引起的误差称为人员误差。人员误差产生的原因是多方面的，如生理感官、心理素质、工作态度和习惯、业务素质等。6.2.2 误差的来源试验误差的来源主要有三方面，即仪器误差、测量误差和运算误差。（1）仪器误差：仪器误差是由于仪器设计、制造不精确或由于外界条件变化而引起的误差。（2）测量误差：由于测试方法不正确
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