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基于容积法的汽车油耗检测仪器设计【汽车类】【4张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 基于容积法汽车油耗检测仪器设计 cad图纸

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基于容积法的汽车油耗检测仪器设计

66页 36000字数+说明书+任务书+开题报告+4张CAD图纸【详情如下】

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第1章绪论1

1.1 引言1

1.2 国内外的油耗仪研究状况及发展趋势2

1.2.1 国内外研究状况2

1.2.2 发展趋势5

1.3 课题研究目的和意义5

第2章基于容积法的汽车油耗仪的总体技术方案8

2.1仪器的功能及要求8

2.2总体设计方案的确定8

2.2.1仪器总体方案的确定8

2.2.2 仪器的组成和原理9

2.3 本章小结13

第3章基于容积法的汽车油耗仪中硬件的设计与选择14

3.1 流量传感器的选择14

3.1.1 主要功能14

3.1.2 类型及检测方法14

3.1.3 传感器的选择原则16

3.1.4 流量检测数学模型的建立16

3.2 单片机的选择17

3.2.1 单片机的匹配原则17

3.2.2 MCS196单片机的特点18

3.3扩展芯片的选择与匹配20

3.4 显示器的选择与电路接口设计24

3.5打印机的选择与电路接口设计26

3.6 电源及其它元器件的选择与匹配28

3.7 本章小结35

第4章基于容积法的汽车油耗仪软件设计37

4.1软件系统的作用37

4.2 软件系统的设计方案37

4.2.1 软件系统的功能37

4.2.2 软件编程语言的选择38

4.2.3 软件系统的主程序的设计40

4.2.4 软件系统的模块设计42

4.3系统抗干扰设计47

4.3.1干扰的来源47

4.3.2 抗干扰的措施48

4.4 本章小结50

第5章基于容积法的汽车油耗仪机械部分设计51

5.1 壳体材料的选择51

5. 2 外型尺寸的确定53

5.3 控制面板的设计54

5.4 数据线接口的设计55

5.5 内部芯片的安装57

5.6 本章小结58

结　　论59

参考文献60

致谢62

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，使人们更加关心车辆油耗，而且要求限制车辆用油量的呼声也越来越强烈。开发能快速、准确测量汽车在各种工况下的油耗的新技术，已成为一项重要的课题。

　本文在分析和总结目前国内外车辆油耗检测仪器普遍存在的问题的基础上，根据油耗检测技术现有的技术水平和发展趋势，采用单片机技术，研制基于容积法的汽车油耗检测仪器。主要内容包括汽车油耗快速检测仪器的硬件选择与设计，系统控制电路的设计构建汽车油耗智能检测系统，建立汽车油耗检测的数学模型，根据仪器功能要求进行软件的选择与设计，最后选择语言编写控制程序。

关键字：容积法；油耗；单片机；汇编语言；设计

ABSTRACT　　　

　　 With the cars in the ever-increasing, petrol, diesel and other non-renewable resources gradually reduced, in addition to the gradual strengthening of environmental awareness, it is more concerned about fuel consumption of vehicles, vehicle fuel consumption to limit the voices have become stronger and stronger. To develop rapid, accurate measurement of vehicle fuel consumption in various operating conditions of the new technologies, has become an important topic.

　　In this paper, analysis and summary of vehicle fuel consumption at home and abroad the issue of widespread detection technique based on the fuel consumption of detection technology and the technological level of existing development trends, the use of single-chip technology, the development of intelligent vehicle fuel consumption testing software. Include motor vehicle fuel consumption to build mathematical model of intelligent detection systems, detection systems based on vehicle fuel consumption and the mathematical model of the design of vehicle fuel consumption testing software and software unit testing and integration testing, the overall test hardware. At the same time, the system anti-jamming measures.

　　Intelligent vehicle fuel consumption testing of software delivered by calculating the fuel flow sensor flow pulse signal, can measure the fuel consumption of motor vehicles 100 kilometers.　　

Key words：Fuel consumption; Single chip; Assembly language; Design

1.3 课题研究目的和意义

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。本文设计了基于失重法的智能油耗测量系统，该测试系统功能强、测量精度高、使用方便, 而且能够对目前大多数电喷发动机进行检测，并且能够直观的反映出瞬时油耗情况，从而为检测和诊断汽车故障以及内燃机的设计提供可靠的依据。第2章基于容积法的汽车油耗仪的总体技术方案

2.1仪器的功能及要求

　　（1）系统需完成车辆的油耗智能检测。采用容积式传感器检测燃油流量信号，通过单片机在相应软件的支持下进行处理，在通过显示器或打印机对外输出。同时，要采用监视器对成个系统进行监控，采用通讯接口与计算机实时通讯；

　　（2）应能在道路或台架试验台上完成汽油车和柴油车的百公里油耗、等速油耗、加速油耗的测试、平均油耗和瞬时油耗。同时能实现定容积测试、定质量测试、定时间测试的功能；

　　（3）系统采用的理论应具有可行性，系统能实现对自身的标定和对传感器的标定；

　　（4）该项技术完成后测试精度要高和抗电磁干扰能力要强；

　　（5）该项技术完成后使用要简单，可操控性要强，该项技术产品化之后，同比之下成本要低、精度要高。

2.2总体设计方案的确定

2.2.1仪器总体方案的确定

　　　根据车辆的油耗监测系统要实现智能化检测功能的要求，针对基于容积法的智能油耗仪的具体应用情况，选择系统组成元件，构成油耗检测系统的硬件部分。系统要实现的各种使用功能，合理地选择元器件，并仔细考虑各元件之间的搭配关系和性价比，完成对系统的控制电路的设计。

　　　根据汽车的发动机供油系统的工作原理和汽车的运行条件，确定油耗检测方法，建立油耗监测系统的数学模型，配合硬件部分控制电路选择或编写控制软件，共同完成对基于容积法的油耗仪器的智能化测试。

　　　针对油耗检测系统工作过程中遇到的干扰，分析原因，采取相应办法，提高容积法油耗检测系统的抗干扰能力。

　　　通过实验分析油耗系统所采用的理论可行性，根具体情况对理论模型进行修正，提供其检测精度。

　　　进行系统试验误差分析，为了更合理的选用测试装置和测试方法，对产生的误差应进行正确的分析并确定其产生的原因，并提出减小误差的方法，并对试验数据进行科学的分析，以便得到更理想的实验结果。

2.2.2 仪器的组成和原理

　　　基于容积法的车辆油耗检测系统主要由流量传感器、单片机、显示器、打印机和控制面板等组成，其控制关系如图2.1所示。

　　　本设计研究的基于容积法的汽车油耗检测仪在单片机的控制下，通过流量传感器将燃油流量信号转化为脉冲信号，在软件的支撑下实现车辆的静态和动态测量：汽车的加速油耗、减速油耗、百公里油耗、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、测试功能不全、成本较高等问题。该项技术的产品化，将极大推动汽车油耗规范化、提高油耗检测精度，对于车辆可进行燃料经济型的精确测评、评价。从而能更好地为科研院所、车辆制造、使用和维修单位、大专院校试验教学、汽车等用户服务。

　　　1、主要工作和创新点

　　　(1)进行了基于容积法的汽车油耗检测技术的研究概述；

　　　(2)进行了基于容积法的汽车油耗仪控制电路的设计，对单片机和个控制芯片进行了比较选择；

　　　(3)进行了基于容积法的汽车油耗检测仪软件的编辑、抗干扰的设计，实现真正的智能化控制；

　　　(4)进行了基于容积法的汽车油耗检测仪的机械设计，实现测量的方便化、简单化。

　　　 2、不足之处与研究展望

　　　汽车油耗测量的影响因素考虑的不够全面，会影响到测试精度。今后还将加大该方面的研究力度。随着流量传感器和单片机的发展，将先进的智能仪表技术应用于液体流量测量与显示，从而提高测量与显示精度和自动化程度；油耗测量应尽可能使用智能微型打印机技术，这样可使观察与保留数据非常方便；油耗测量应尽量采用并行标准通讯接口技术，这样可以实现与计算机的实时通讯；要对油耗测量技术进行系统匹配，使其具有最高的可靠性、最优的价格性能比、最长的使用寿命和最好的升级换代性；采用容积式流量传感器可以降低成本，但应考虑燃油密度问题。配用质量式流量传感器，测试精度可提高，但价格较高。期待后续能更加完善此项产品。

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内容简介：: SY-025-BY-5毕业设计（论文）中期检查表填表日期2011年月日迄今已进行周剩余周学生姓名赵天博系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆07-4班指导教师姓名付百学职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于容积法的汽车油耗检测仪器设计学生填写毕业设计（论文）工作进度已完成主要内容待完成主要内容1.领取任务、收集资料、进行调研2.整理开题报告制定改进方案3.撰写开题报告、开题答辩、设计4.总体方案设计，硬件方面的设计与选择、外型的设计5.绘制初步图纸1.图纸的修订、说明书的修订2.毕业设计的修改与完善3.毕业设计答辩准备及答辩存在问题及努力方向学生签字：指导教师意见指导教师签字：年月日教研室意见教研室主任签字：年月日SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名赵天博系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-4班指导教师姓名付百学职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于容积法的汽车油耗检测仪器设计一、设计（论文）目的、意义我国经济持续快速发展，对石油资源需求激增，能源供需矛盾日益突出。我国汽车保有总量2010年达到7619万辆。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。由于油价不断上涨，人们更加关注汽车油耗,厂家公布的油耗与实际差距很大。为此我国陆续出台了乘用车燃料消耗量限值、等多项标准，以加快汽车节能管理体系的建立和完善。由此需要更专业的检测机构，采用科学合理的油耗检测仪器，提供更权威的汽车油耗检测数据。汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用。研究汽车油耗检测技术，具有重要意义。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。基于容积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。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）设计内容：（1）介绍基于容积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）确定基于容积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）进行汽车油耗快速检测仪器的硬件选择与设计、系统控制电路设计；（4）根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统设计，选择语言编写控制程序。技术要求（研究方法）：（1）设计仪器应能实现智能化油耗检测；（2）测试范围要广（汽油车、柴油车；各种工况）；（3）测试精度要满足要求。（4）进行试验验证。三、设计（论文）完成后应提交的成果1设计说明书一份。2装配图1张，电路图1张，零件图24张。四、设计（论文）进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告第1、2周（2月28日3月13日）（2）方案设计与分析、整理第3、4周（3月14日3月27日）（3）结构设计、计算与分析第57周（3月28日4月10日）（4）完成绘图工作第810周（4月11日5月8日）（5）说明书撰写第11、12周（5月9日5月22日）（6）校对、完善和打印第13、14周（5月23日6月5日）（7）毕业设计审核、修改第15、16周（6月6日6月19日）（8）毕业设计答辩准备及答辩第17周（6月20日6月26日）五、主要参考资料1贺新，王岐东，叶身斌.汽车油耗的测量与计算研究及其进展J.北京工商大学学报（自然科学版），2007（01）：32-37.2付百学,胡胜海.汽车油耗测试系统数学模型的建立与应用研究J.测试技术学报，2008（1）：38-43.3凌建群.载重车油耗计算方法与分析J.柴油机设计与制造，2006（1）：24-27.4原培新，孙丽娜，刘红梅.汽车不解体油耗分析仪测试方法研究J.仪器仪表学报，2006（S2）：1136-1139.5Pierre Lawvin.Electronic controlled high pressure unit Injector system for diesel enginesJ.SAE Paper,2003(2):819-911.6刘军，姚健,高建立等.汽车燃油消耗量快速测量系统研究J.汽车技术，2008(4)：34-387高继东,李孟良,王建海等.轻型汽车燃油经济性测试方法的相关性研究J.汽车工程，2005（4）：395-398.8杜灿谊，冯德军.基于虚拟仪器的汽车油耗测试仪的研制J.汽车科技，2008（4）：50-53.9YE Sheng,XU Xiao-ming.Research and design of a new I.C.engine instantaneous-fuel-consumption meterC.Hong Kong:The Institution of Electrical Engineers,2002,357-359.六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: 基于容积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: 车辆工程07-4 学生姓名: 导师姓名: 开题时间: 指导委员会审查意见：签字：年月日开题报告撰写要求一、“开题报告”参考提纲1. 课题研究目的和意义；2. 文献综述（课题研究现状及分析）；3. 基本内容、拟解决的主要问题；4. 技术路线或研究方法；5. 进度安排；6. 主要参考文献。二、“开题报告”撰写规范请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求。字数应在4000字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程074指导教师姓名职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于容积法的汽车油耗检测仪器设计一、课题研究现状、选题目的和意义1. 课题研究目的和意义随着我国经济持续快速发展，汽车保有量不断增加，石油资源需求激增，使能源供需矛盾日益突出。由于厂家公布的油耗与实际差距很大，油价又不断上涨，使人们更加关注汽车油耗。同时，随着人们环境保护意识的逐渐加强，大众更加关心车辆油耗，要求限制车辆用油量的呼声也越来越强烈。我国2009年中国石油表观消费量为40,837.5万吨，仅次于美国，预计2010年将达到4.27亿吨。2009年中国石油净进口量21,888.5万吨，石油进口依存度达到53.6%。同时，中国汽车工业发展迅速，2009年中国汽车产销分别为1379.10万辆和1364.48万辆, 成为世界汽车产销第一大国，2010年的汽车保有总量已达到7619万辆，由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。预计到2020年，中国本土汽车产量将达到2000万辆，其中两成产品将进入国际市场。到2020年，车用燃油消耗为3.05亿吨，换算成原油将超过5亿吨，车用燃油将成为我国新增石油消耗的主体。以中国的石油储备量和2008年中国石油静态消费量计算，我国的石油储备再过10年将全部耗尽。如果想将之延长到20年，则50%以上的车辆必须停止行驶。目前，包括欧盟、美国、日本、韩国等在内的很多国家和地区都已经根据各自国情实施了不同形式的汽车燃料消耗量标示制度，作为控制汽车二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。为此我国也陆续出台了乘用车燃料消耗量限值等多项标准，以加快汽车节能管理体系的建立和完善。这些政策的提出需要更专业的检测机构，采用科学合理的油耗检测仪器，提供更权威的汽车油耗检测数据。因此研制能快速、准确测量汽车在各种工况下油耗的仪器，也已成为一项重要课题。由此可见，汽车油耗不仅关系到环保节能更是汽车前沿技术的发展和应用。因此研究汽车油耗检测技术，具有重要意义。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。基于容积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，也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2.文献综述（课题研究现状及分析）。燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，是汽油机的重要测量参数之一。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。目前检测油耗的仪器多为体积式的，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.ls，最小油量分辨率为lml，传感器量程为0.3120L/h。涡轮流量仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量0.051200L/min 的液体流量，在标定条件下，精度可达0.5%，响应时间210ms。中小功率汽油机燃油流量小，一般在103000mL/min，超出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以满足汽油机小流测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。美国Pierburg 仪器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0.l%。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0150kg/h，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200ms。现在国内汽车油耗检测主要采用普通式汽车油耗检测装置，其测试范围、测试精度、显示、使用维护和可靠性等方面都不是很理想。一些院校和科研单位研制的电子油耗检测装置，能测试平均油耗、瞬时油耗、累计油耗和图形显示等，但在实际使用过程中，一些宣传上的功能和性能与实际还有差距，甚至差距较大。其测试精度尚需进一步提高，装置的成本还需进一步降低。现今汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。1.直接测量法直接测量法通过计量一定时间或里程内汽车所消耗的燃油体积或质量，得到汽车的燃油消耗量。包括容积法、质量法（失重法）等。容积法、质量法油耗检测原理：系统采用流量传感器检测燃油流量信号，并将信号送给单片机处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据输出，通过键盘实现人机交互功能，还可通过通讯接口实现数据传输，扩展系统功能。通常体积流量检测采用涡轮流量传感器、超声波流量计等，质量流量检测采用压差传感器（质量传感器）。发动机进、回油管道上各安装一只涡轮流量传感器,用来得到进、回油管道的流量信号，并送入单片机。单片机对进、回油管道流量信号进行处理,并做温度修正,得到进、回油管道标态体积流量,然后对进、回油管道的流量进行差值计算,累加得到实际燃油消耗量。由于该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,通过计量一定时间或里程内汽车消耗的燃油体积或质量得到汽车油耗，需要拆开发动机油路，所以存在着安全问题(汽油挥发造成污染和易燃)；油耗仪串入到油路中会影响到发动机燃油的供给和燃油消耗量的测试精度，既破坏了汽车原有结构,又费时费力；同时,油耗仪的安装连接十分不便；安装和测量过程时间较长。 2.间接测量法间接测量法即不解体测量法，包括碳平衡法、超声波法（测体积流量）、燃油喷射量累积法等。（1）碳平衡法通过发动机混合气燃烧前、后的碳(C)质量守恒,得到汽车的燃油消耗量。基于物质守恒定律。该方法只要测得排气 (或稀释排气) 中含C成分(主要是CO2、CO、HC) 和排气(或稀释排气)的流量,就可得到排气中总的C质量；燃烧前的C质量主要来源于燃料 ,同时考虑参与燃烧的空气(或用于稀释的空气)含有的C。因此,只要测量(稀释) 排气的流量和含C成分的浓度以及空气中的含C成分浓度,就可实现汽车和发动机不解体燃油消耗量的测量,解决直接测量法存在的弊端。（2）超声波法（测体积流量）当超声波在流动的媒质中传播时，超声波速度与静止媒质的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。因此根据超声波速度的变化即可求出媒质流速。（3）燃油喷射量累积法根据电控喷射发动机的特性及原理，汽车耗油量与喷油器的开启时间成正比，直接通过采集喷油器的控制脉冲宽度（即喷油时间），找出耗油量和控制信号脉宽之间的关系，只需测量控制信号脉宽就可以计算出相应的耗油量及耗油率。由于间接测量法的设备昂贵、体积庞大、无法移动、对测试环境要求高、取样口需要与排气管密封连接,很难普及应用等缺点，应积极对传统的直接测量法改进，基于已被广泛应用的容积法去改善其安装和测量过程。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题基本内容：（1）介绍基于容积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）确定基于容积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）进行汽车油耗快速检测仪器的硬件选择与设计、系统控制电路设计；（4）根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统设计，选择语言编写控制程序。拟解决的主要问题：（1）设计仪器应能实现智能化油耗检测；（2）测试范围要广（汽油车、柴油车；各种工况）；（3）测试精度要满足要求。（4）进行试验验证。三、技术路线（研究方法）选择控制程序进行系统设计进行系统电路设计进行仪器的硬件选择与设计建立数学模型调研分析所选题目确定检测技术理论及特点选择设计题目完成设计说明书四、进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告第1、2周（2月28日3月13日）（2）方案设计与分析、整理第3、4周（3月14日3月27日）（3）结构设计、计算与分析第57周（3月28日4月10日）（4）完成绘图工作第810周（4月11日5月8日）（5）说明书撰写第11、12周（5月9日5月22日）（6）校对、完善和打印第13、14周（5月23日6月5日）（7）毕业设计审核、修改第15、16周（6月6日6月19日）（8）毕业设计答辩准备及答辩第17周（6月20日6月26日）五、参考文献1贺新，王岐东，叶身斌.汽车油耗的测量与计算研究及其进展J.北京工商大学学报（自然科学版），2007（01）：32-37.2付百学,胡胜海.汽车油耗测试系统数学模型的建立与应用研究J.测试技术学报，2008（1）：38-43.3凌建群.载重车油耗计算方法与分析J.柴油机设计与制造，2006（1）：24-27.4原培新，孙丽娜，刘红梅.汽车不解体油耗分析仪测试方法研究J.仪器仪表学报，2006（S2）：1136-1139.5周育峰,张浩然.路面表面特性与汽车油耗关系研究J.公路, 2005,(01) . 6郑贺悦,陆红雨,戴春蓓,马杰,方茂东.实验室内车辆油耗测量影响因素研究J.汽车工程, 2004,(03) . 7高继东,李孟良,王建海,马杰,高俊华.轻型汽车燃油经济性测试方法的相关性研究J.汽车工程, 2005,(04) . 8凌建群. 车用发动机匹配的动力性与经济性分析计算J.柴油机设计与制造, 2007,(02) . 9官建红,梁燕飞,章晓明. 基于PROSIMS的汽车燃油经济性仿真与分析J.佛山科学技术学院学报(自然科学版), 2008,(02) . 10常绿.矿用自卸汽车动力性、燃油经济性和平顺性虚拟试验技术研究D.吉林大学, 2007 . 11高磊.基于城市道路工况的汽车燃油消耗模型研究D.吉林大学, 2007 . 12王波.碳平衡法测量汽油车燃油消耗量的试验研究D.长安大学, 2006 .13张卫华,王炜,牛学勤,胡刚.京石高速公路及其辅道汽车油耗比较分析J.公路交通科技, 2003,(03). 14章后忠,潘玉利,程珊珊,程正亮.建立四类代表车型的理论油耗模型J.华东公路, 2002,(06) . 15贾洪飞,隽志才,张枭雄,倪安宁.高速公路后评价油耗指标的确定与对比J.吉林大学学报(工学版),2004,(02).16凌建群.载重车油耗计算方法及分析J.柴油机设计与制造, 2006,(01) .17刘军，姚健,高建立等.汽车燃油消耗量快速测量系统研究J.汽车技术，2008(4)：34-3818杜灿谊，冯德军.基于虚拟仪器的汽车油耗测试仪的研制J.汽车科技，2008（4）：50-53.19YE Sheng,XU Xiao-ming.Research and design of a new I.C.engine instantaneous-fuel-consumption meterC.Hong Kong:The Institution of Electrical Engineers,2002,357-359.20Melendez J, de Castro A J, Lopez F, et al. Spectrally selective gas cell for electro-optical infrared compact multigas sensor .Sensor and Actuators: A, 1995,46/47, (46/47) :417421 . 六、备注指导教师意见：签字：年月日黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要.Abstract. 第1章绪论1 1.1 引言11.2 国内外的油耗仪研究状况及发展趋势21.2.1 国内外研究状况21.2.2 发展趋势51.3 课题研究目的和意义5第2章基于容积法的汽车油耗仪的总体技术方案82.1仪器的功能及要求82.2总体设计方案的确定82.2.1仪器总体方案的确定82.2.2 仪器的组成和原理92.3 本章小结13第3章基于容积法的汽车油耗仪中硬件的设计与选择143.1 流量传感器的选择143.1.1 主要功能143.1.2 类型及检测方法143.1.3 传感器的选择原则163.1.4 流量检测数学模型的建立163.2 单片机的选择173.2.1 单片机的匹配原则173.2.2 MCS196单片机的特点183.3扩展芯片的选择与匹配203.4 显示器的选择与电路接口设计243.5打印机的选择与电路接口设计263.6 电源及其它元器件的选择与匹配283.7 本章小结35第4章基于容积法的汽车油耗仪软件设计374.1软件系统的作用374.2 软件系统的设计方案374.2.1 软件系统的功能374.2.2 软件编程语言的选择384.2.3 软件系统的主程序的设计404.2.4 软件系统的模块设计424.3系统抗干扰设计474.3.1干扰的来源474.3.2 抗干扰的措施484.4 本章小结50第5章基于容积法的汽车油耗仪机械部分设计515.1 壳体材料的选择515. 2 外型尺寸的确定535.3 控制面板的设计545.4 数据线接口的设计555.5 内部芯片的安装575.6 本章小结58结论59参考文献60致谢62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，使人们更加关心车辆油耗，而且要求限制车辆用油量的呼声也越来越强烈。开发能快速、准确测量汽车在各种工况下的油耗的新技术，已成为一项重要的课题。本文在分析和总结目前国内外车辆油耗检测仪器普遍存在的问题的基础上，根据油耗检测技术现有的技术水平和发展趋势，采用单片机技术，研制基于容积法的汽车油耗检测仪器。主要内容包括汽车油耗快速检测仪器的硬件选择与设计，系统控制电路的设计构建汽车油耗智能检测系统，建立汽车油耗检测的数学模型，根据仪器功能要求进行软件的选择与设计，最后选择语言编写控制程序。关键字：容积法；油耗；单片机；汇编语言；设计 ABSTRACT With the cars in the ever-increasing, petrol, diesel and other non-renewable resources gradually reduced, in addition to the gradual strengthening of environmental awareness, it is more concerned about fuel consumption of vehicles, vehicle fuel consumption to limit the voices have become stronger and stronger. To develop rapid, accurate measurement of vehicle fuel consumption in various operating conditions of the new technologies, has become an important topic.In this paper, analysis and summary of vehicle fuel consumption at home and abroad the issue of widespread detection technique based on the fuel consumption of detection technology and the technological level of existing development trends, the use of single-chip technology, the development of intelligent vehicle fuel consumption testing software. Include motor vehicle fuel consumption to build mathematical model of intelligent detection systems, detection systems based on vehicle fuel consumption and the mathematical model of the design of vehicle fuel consumption testing software and software unit testing and integration testing, the overall test hardware. At the same time, the system anti-jamming measures.Intelligent vehicle fuel consumption testing of software delivered by calculating the fuel flow sensor flow pulse signal, can measure the fuel consumption of motor vehicles 100 kilometers.Key words：Fuel consumption; Single chip; Assembly language; Design第1章绪论1.1 引言随着经济的快速发展，汽车数量的不断增加，而且石油资源需求快速激增，使能源供需矛盾日益突出。我国2009年中国石油表观消费量为40,837.5万吨，仅次于美国，预计2010年将达到4.27亿吨。2009年中国汽车产销分别为1379.10万辆和1364.48万辆, 成为世界汽车产销第一大国，2010年的汽车保有总量已达到7619万辆，由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。汽车的主要能源是石油产品中的汽油和柴油。我国的石油消耗在过去20年里以每年5%的速度增加。目前，快速增长的石油消耗造成的能源等问题己经出现。短缺的石油供应与经济快速发展带来石油需求间的矛盾突出，而燃油消耗快速增加成为首要因素。权威统计显示，机动车消耗了全国石油总产量的85%，柴油总产量的42%。预计到2010年底达到2.73.1亿吨。而国内年产量仅能达到1.652亿吨，供需缺口为1.051.1亿吨。为实现可持续发展的战略目标，节约能源和保护环境是一项长期而艰巨的任务。同时汽车燃油消耗是衡量汽车燃油经济性的重要指标，是车辆技术等级评定的关键项。燃油经济性好，可以降低汽车的使用费用、节省石油资源、降低发动机产生的有害气体的排放量，起到防止全球变暖的作用。因此，对车辆燃油经济性进行检测是十分重要和必要的。对汽车燃油经济性的评价，一般是通过汽车燃油消耗量测量来确定的，它是用以评价在用汽车技术状况与维修质量的综合性参数，也是诊断和分析汽车故障的重要参考，因此汽车燃油消耗量是汽车的重要性能之一。因为它是汽车的主要性能之一，所以准确、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。传统的油耗计对于化油器的汽油机燃油消耗的测量较为简单，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。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。基于容积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，也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。由此可见，汽车油耗不仅关系到环保节能更是汽车前沿技术的发展和应用。由此研制能快速、准确测量汽车在各种工况下油耗的仪器，也已成为一项重要课题。1.2 国内外的油耗仪研究状况及发展趋势1.2.1 国内外研究状况 1、国外汽车油耗仪的研究状况国外汽车工业发达国家，比较重视环保与节能。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，正在大力开发研制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。目前，国外有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，也是汽油机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是内燃机性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽油机实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，内燃机台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。目前的油耗仪多为体积式的，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.ls，最小油量分辨率为1ml，传感器量程为0.3120L/h。涡轮流量仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量0.051200L/min 的液体流量，在标定条件下，精度可达0.5%，响应时间210ms。中小功率汽油机燃油流量小，一般在103000mL/min，超出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以满足汽油机小流测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。美国Pierburg仪器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0.l%。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0150kg/h，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200ms。目前，国外有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。美国、日本和欧洲各国汽车油耗、C02排放的测试循环和测量设备各不相同，测试范围也不全一致，但都是模拟汽车实际道路运行状况下，多工况法汽车油耗测试方法，主要限制产量较大的轻型(包括微型)车辆。欧洲法规或指令只规定了M1类车的测试方法，且近十多年来不断变化。早期是分别测量低速城市工况(即ECE15工况)油耗和90、120km/h的等速油耗;93年开始采用城市工况和城郊高速工况(EUDC)的复合工况油耗，在排放实验室用碳平衡法而不是用油耗仪直接测量;2000年开始采用冷启动而不是原来的热启动状态下的工况法来测量油耗，以求更真实测量汽车实际油耗的排放。以欧洲为例，1995年欧洲轿车平均C02排放量(采用模拟实际的冷启动后工况法测试循环)为185 g/km，2000年降低至169 g/km，2008年将进一步降低至140 g/km(相当于汽油车百公里油耗为5.9L，也是在1995年的基础上减低了约25%);美国是分别测量模拟市区(平均车速31.7km/h)和高速公路(平均车速77.4km/h)运行状态的工况法油耗，加权平均后作为汽车名义油耗。日本测量的是1015工况(平均车速22.7km/h从小)运行下的平均油耗。不仅如此，美国还规定了汽车制造公司的平均油耗(CAfE)限值，不满足该限值则视差距大小处以数额不等的罚款;日本则规定了不同质量的汽车油耗标准表，欧洲则规定Ml类车型式认证时必须测试油耗，确认汽车厂的申报值并向社会公布。 2、国内汽车油耗检测技术研究状况在现代以科技为主导的经济社会中，研究与开发新型智能油耗软件是实现检测油耗产品升级换代的要求，是科学技术日益发展的需要。以前我国主要采用普通式汽车油耗计检测油耗，随着时代的变迁，科技的日新月异，这类油耗计精度低、功耗大、适用范围较窄、可靠性不大、抗干扰性不强等一系列弊端逐渐突显出来，并函待改善。在国内，由于技术上的落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚，直到1991年10月1日交通部才颁布实施了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。少数几个大的科研单位虽然从国外引进了一些相关的设备，但主要使用在测量汽车的尾气排放，用碳平衡法原理测油耗，但是由于碳平衡法精确计量排气流量比较困难，快速可靠的密封连接也十分困难很难，而且将测量误差控制在5%以内。所以国内没有达到实用阶段，还没有引起重视。目前我国主流中档轿车的C02排放量为200220g/km(相当于汽油车百公里油耗为8.3L9.2L)，考虑到众多的国产在用车，我国城市的燃油消耗/C02排放水平应该更高。我国急需借鉴国外经验，强制实施汽车多工况法油耗测试方法，作为汽车厂公布油耗数据的统一测试基准，并在每辆汽车上标明其名义油耗，引导用户比较选择。另外，针对我国实际状况，应尽快发布一个汽车油耗(C02排放)限值标准，一方面可以鼓励经济型汽车的发展，另一方面这也是我国汽车进入家庭和汽车工业快速健康发展的必然要求。油耗仪器多为体积式的。应用的比较早的是车用油耗计，如国产的GD-30型车用油耗计，由传感器和电磁计数器两部分组成，其传感器为容积膜片式，适用于汽油、柴油发动机。但是，使用中膜片不可避免地产生塑性变形，致使计量精度发生变化，因而需经常校正，因而给实际检测带来不便。国内研制的FC2000发动机自动测控系统，它主要用于各种类型的柴油机、汽油机、天然气、液化气发动机性能试验和出厂试验，同时它可以与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功机配套，用于控制和测量发动机的转速、扭矩、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力、流量等各种不同类型的参数。此仪器集成了许多功能模块，智能油耗仪是它的一个子系统。主要用于测量各种汽油机，柴油机、电喷发动机燃油消耗。油耗仪采用一体化设计技术，油耗测量和显示仪表集于一体，可独立完成发动机燃油消耗的测量。FC系列智能油耗仪采用先进的CAN现场总线技术，具有网络特性，使多台测试仪器可以联网，同时保留了标准的RS232串行接口。能在环境较恶劣的现场正常工作，即使在电磁阀完全失灵的情况下，燃油也不会溢出，保证使用的安全，特别适用一大回油量的电喷发动机。仪器测量时间范围是1200S,测量结果以4位浮点数的形式显示。具有零点标定和满度标定功能，可进行单次测量、循环测量、超量程测量。每次测完油耗后，数据输出到CAN总线上。测量精度0.4%F.S。这种仪器主要用于台架试验5。 AM-2018燃油消耗测试仪(通称油耗仪)，是一种以单片计算机为核心的智能化仪器，并采用国际上流行的软膜轻触开关面板，使仪器的可靠性与外观都有很大的提高。该仪器可测定各类发动机燃料的消耗量、瞬时流量；可进行定容积、定重量、定时间等参数的测量及控制；可用于汽车道路实验，如等速油耗、加速油耗、百公里油耗等多种道路试验。该仪器具有数据存贮和处理的功能，能直接显示打印计算结果。两路传感器可同时工作，特别适应于有回油管路的测试；配接的传感器采用独特的两路编码技术，在小流量、油路脉动情况下，具有测量精度高，工作稳定可靠之优点。这种仪器既可用于台架试验又可用于道路试验。JDSZ-EP-1-3型汽车油耗计量仪是动态测试并显示汽车行驶中的瞬时油耗、累计油耗测量仪器，由油耗仪主机和CPU显示器两部分组成，为公交车辆、客运车辆、货运车辆及工程车辆等进行精确的油耗统计与油料定额管理、为驾驶员提高节油操作技能、为国家推动节能减排战略，提供了一个有效的油耗测试手段，使节能减排有据可依。1.2.2 发展趋势传统的汽油汽车发动机中，汽油是经过化油器后和空气混合而进入汽缸的，只要把流量传感器串接在油路上即可测出燃油消耗量，方法较为简单，但测量精度比较低，而且不能实现连续测量、不能记录数值等很多弊端。由于电控喷射发动机的优越性能，已逐步取代传统的化油器。取而代之的是采用流量传感器和单片机的智能油耗检测技术，并且能通过显示器和打印机对外输出。基于容积法的汽车智能油耗检测仪器能对汽车进行不同工况的油耗数据测量，以及汽车行驶的等速油耗、加速油耗、便工况油耗及百公里油耗测量，尤其是瞬时油耗的测量，而且精度较高。将先进的智能传感技术和智能仪表应用与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，满足生产需要。由于单片机的大规模应用，微电子技术的迅猛发展，加上传感器的微型化、多功能化、集成化和智能化的发展，控制功能的不断完善，因而目前国内外各国都在研究与开发微电脑油耗仪，并进一步向智能化方向发展。1.3 课题研究目的和意义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。本文设计了基于失重法的智能油耗测量系统，该测试系统功能强、测量精度高、使用方便, 而且能够对目前大多数电喷发动机进行检测，并且能够直观的反映出瞬时油耗情况，从而为检测和诊断汽车故障以及内燃机的设计提供可靠的依据。研究与开发汽车油耗智能检测仪器，能够提高油耗检测的精度，降低检测仪器的使用功耗，提高仪器的抗干扰能力，扩大仪器的测量范围。对于准确评价汽车的油耗性能，节约燃油和能源，减少车辆对环境的污染等具有重要意义。研究与开发新型智能油耗检测软件也是实现油耗仪产品升级换代的要求，也是科学技术日益发展的需要。基于容积法的油耗检测装置可以精确检测汽车油耗，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。采用汽车油耗智能检测技术开发的基于容积法的油耗仪是一种智能型仪器。研究与开发智能型汽车油耗仪，能提高油耗检测的精度，降低仪器的使用功耗，提高仪器的抗干扰能力，扩大仪器的测量范围。对于准确评价汽车的油耗性能，节约燃油和能源，减少车辆对环境的污染等有重要的意义。是油耗产品升级换代的要求，是科学技术日益发展的需要。汽车的燃油经济性是汽车的重要性能之一，汽车燃油供给系统技术状况的好坏直接影响发动机的动力性、经济性、排放净化和可靠性，在使用中有较高的故障率。因此，基于容积法的汽车油耗仪是车辆诊断、检测及维护的重要仪器。 (1)总体方案的确定；介绍基于容积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，广泛查阅各种文献，了解目前国内外油耗测量方法的现状，分析其长处和不足；根据汽车油耗仪的功能要求，确定总体技术方案；（2）确定基于容积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）硬件部分设计、选择和匹配。包括流量传感器、单片机、显示器、打印机、监控芯片、键盘、通讯接口、日历和时钟、电源等元器件。根据系统的要求，以及目前上述各种原件的技术状况、性能特点、性价比等，结合调研情况以及相关的参考资料进行对比分析，确定采用的元件的具体型号，并给出相应的接口电路，相互之间进行合理的匹配。同时给出以单片机为核心的控制系统电路原理图，从而为各元件之间建立必要的联系；（4）软件系统的设计和调试。根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统的选择与设计，选择语言编写控制程序。完成对油耗的智能化测试，软件功能是通过分程序模块来实现的，主要包括初始化模块、二进制和十进制转换程序模块、显示模块和耗油量测试模块等。同时进行程序的调试工作，以对编写的程序进行运行检查，验证运行逻辑、运行流程等。软件部分配合硬件控制系统，共同完成对油耗的智能化测试，而软件功能是通过分程序模块来实现的，主要包括初始化模块、键盘管理模块、二进制和十进制转化模块、浮点数模块、显示模块和油耗量测试模块。同时进行程序的调试工作，以对编写的程序进行运行检查，验证运行逻辑、运行流程等；（5）仪器机械部分的设计。主要是油耗仪的外型尺寸的设计，壳体材料的选择，控制面板的设计、数据线接口的设计、芯片安装方式的确定。第2章基于容积法的汽车油耗仪的总体技术方案2.1仪器的功能及要求（1）系统需完成车辆的油耗智能检测。采用容积式传感器检测燃油流量信号，通过单片机在相应软件的支持下进行处理，在通过显示器或打印机对外输出。同时，要采用监视器对成个系统进行监控，采用通讯接口与计算机实时通讯；（2）应能在道路或台架试验台上完成汽油车和柴油车的百公里油耗、等速油耗、加速油耗的测试、平均油耗和瞬时油耗。同时能实现定容积测试、定质量测试、定时间测试的功能；（3）系统采用的理论应具有可行性，系统能实现对自身的标定和对传感器的标定；（4）该项技术完成后测试精度要高和抗电磁干扰能力要强；（5）该项技术完成后使用要简单，可操控性要强，该项技术产品化之后，同比之下成本要低、精度要高。2.2总体设计方案的确定2.2.1仪器总体方案的确定根据车辆的油耗监测系统要实现智能化检测功能的要求，针对基于容积法的智能油耗仪的具体应用情况，选择系统组成元件，构成油耗检测系统的硬件部分。系统要实现的各种使用功能，合理地选择元器件，并仔细考虑各元件之间的搭配关系和性价比，完成对系统的控制电路的设计。根据汽车的发动机供油系统的工作原理和汽车的运行条件，确定油耗检测方法，建立油耗监测系统的数学模型，配合硬件部分控制电路选择或编写控制软件，共同完成对基于容积法的油耗仪器的智能化测试。针对油耗检测系统工作过程中遇到的干扰，分析原因，采取相应办法，提高容积法油耗检测系统的抗干扰能力。通过实验分析油耗系统所采用的理论可行性，根具体情况对理论模型进行修正，提供其检测精度。进行系统试验误差分析，为了更合理的选用测试装置和测试方法，对产生的误差应进行正确的分析并确定其产生的原因，并提出减小误差的方法，并对试验数据进行科学的分析，以便得到更理想的实验结果。2.2.2 仪器的组成和原理基于容积法的车辆油耗检测系统主要由流量传感器、单片机、显示器、打印机和控制面板等组成，其控制关系如图2.1所示。图2.1 智能油耗仪的控制关系示意图基于容积法的汽车油耗仪实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器的总线接口的仪器。其中包括：由流量传感器构成的信号采集与处理（放大、整形）；模数转换；具有人机对话功能的键盘和显示器；具有通讯功能的RS232接口；数据存贮器(RAM)、程序存储器(EPROM)；数模转换器驱动器以及执行机构8。其组成原理如图2.2所示。流量传感器PIC单片机液晶显示模块EPROMRS232打印机RAM信号调节电路键盘驱动器执行装置图2.2 检测系统组成关系流量传感器用于检测汽车发动机的耗油量，将信号送给单片机进行处理。单片机是汽车油耗检测控制系统的核心，用于接收流量传感器的信号，并调用内存储器中的数据和相关程序，进行分析处理，并将处理结果送给打印机或显示器对外输出。显示器用于适时显示汽车油耗的检测数据。打印机用于打印汽车油耗的检测结果。控制面板用于系统功能设定，实现人机交互。通过控制面板还可实现系统标定。测量系统的监控程序固化在程序存贮器EPROM中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于数据存储器RAM中。油耗测量系统采用流量传感器的流量信号，并将信号送给单片机进行处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据传输，通过控制面板实现人机对话功能，还可以通过通讯接口RS-232实现数据传输，扩展系统功能1,5。油耗测量系统采用流量传感器检测燃油流量信号，并将信号送给单片机处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据输出，通过控制面板实现人机交互功能，还可通过通讯接口RS一232实现数据传输，扩展系统功能。对于回油量较小或没有回油的车辆，通常采用一个流量传感器，并将传感器安装在发动机进油管路中，以检测进油管路的燃油流量，流量信号传给单片机，进行相关处理后，把数据输出到显示器显示。传感器连接方式如图2.3所示。油箱油泵滤清器流量传感器发动机图2.3 回油量较小的车辆传感器连接方式由于燃油供给系统也存在回油，但回油不经过流量传感器，汽油机通过压力调节器直接流回油箱，柴油机回油也不经过流量传感器，通过三通阀继续通过喷油器对气缸供油。流量传感器的连接方式如图2.4所示。图2.4 1一油箱；2一回油管；3-传感器信号线；4一供油管：5一流量传感器； 6一电动汽油泵：7一燃油滤清器：8一出油口：9一进油口： 10一燃油压力调节器；11-燃油分配总管；12气缸单流量传感器的安装方式(汽油车) 对于回油量较大的车辆，回油管路中需要安装一个流量传感器，用来提高测试精度，也为了满足燃油供给系统正常工作的要求。采用两个流量传感器应分别安装在发动机进油管路和回油管路中。通过计算进、回油管道的流量差值得到油耗量，即“测出供油量-测出回油量=当前油耗量”。流量传感器的连接方式如图2.5所示。油箱油泵滤清器流量传感器1发动机流量传感器2 图2.5 回油量较大的车辆传感器连接方式2.3 本章小结介绍了基于容积法的汽车油耗检测仪采用传感器检测燃油流量信号，通过单片机在相应软件的支持下进行处理，在通过显示器或打印机对外输出。同时，要采用监视器对成个系统进行监控，采用通讯接口与计算机实时通讯，实现汽油车和柴油车的百公里油耗、等速油耗、加速油耗的测试。同时能实现定容积测试、定质量测试、定时间测试的功能。在此基础上确定了基于容积法的汽车油耗检测仪的总体设计方案。65黑龙江工程学院本科生毕业设计第3章基于容积法的汽车油耗仪中硬件的设计与选择3.1 流量传感器的选择3.1.1 主要功能流量传感器安装在发动机的进油和回油管路中，用来检测燃油流量，检测到的脉冲信号被送到微处理器中处理。考虑到连接到汽车发动机油路中，传感器工作时受到的影响因素比较多，流量传感器的反应速度要快，动作时间要短。即能实现静态测量又能实现动态测量，同时又能在恶劣条件下工作。流量传感器安装在发动机的进油和回油管路中，用来检测燃油流量，检测到的脉冲信号被送到单片机进行处理。考虑连接到汽车发动机油路中，传感器工作时受到的影响因素比较多，流量传感器的反应速度要快，动作时间要短。即能实现静态测量又能实现动态测量，测量精度不受汽车运动状态影响。与单片机等电子元件相匹配，使系统达到理想的测量精度，有一定的抗干扰能力。3.1.2 类型及检测方法容积式油耗传感器有容量式和定容式两种，容量式油耗传感器通过累计发动机工作中所消耗的燃料总容量，用时间和里程来计算油耗量。它可以连续测量，其结构有行星活塞式、往复活塞式、膜片式、油泡式等，现以行星活塞式油耗传感器为例予以说明，其流量检测装置是由流量变换机构及信号转换机构组成。流量变换机构是将一定容积的燃油流量变为曲轴的旋转运动，它是由十字形配置的四个活塞和旋转曲轴构成。容积式传感器检测方法：容积式传感器采用行星活塞式流量传感器在底盘测功机试验台或道路上进行油耗检测，测定一定体积燃油的消耗时间。它主要由活塞、曲轴、连杆和信号转换机构组成。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。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11。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，其排油量可用下公式确定：（3.1）式中，四缸排油量，cm3；代表四个油缸；代表某一活塞截面积，cm2； 2倍的曲轴偏心距，即活塞行程，cm。1、2、3、4活塞；5曲轴；6连杆P1、P2、P3、P4油道；E1、E2、E3、E4排油口图3.1 传感器工作原理容积式流量传感器在经过长期使用后，其活塞、曲轴、连杆会产生不同程度的磨损，对其测量精度产生较大影响，且脉冲信号的产生和发送需要一定的时间，在测量上出现滞后性。3.1.3 传感器的选择原则流量传感器的选择应遵循以下原则：选择时应遵循以下原则：（1）灵敏度。既要考虑能检测出微弱信号量值，又要噪声小。（2）频率响应特性。必须在所测频率范围内尽量保持不失真测量条件，并且传感器的延迟时间越短越好。（3）稳定性。实际工作环境中，长期使用后，其输出特性不发生变化的特性。（4）精确度。一般希望传感器的精度要高，指传感器输出与被测量真值的符合程度。（5）测量方式。尽可能考虑结构简单，体积小，重量轻，维修方便，易于更换。容积式燃油流量计采用一个带有光栅的向心四活塞式马达作为油耗传感器。由于活塞与缸体是精密磨合的，因此马达每转排油量是恒定的，即马达的转速与油的流量(即油耗)成正比。通过光栅，经光电转换将转速变成电脉冲以代表油量。将电脉冲经接口送到测量仪器，经整形倍频、可逆计数、量纲换算等处理，达到直接读取显示油耗。基于以上的要求，初步选定容积式流量传感器，型号为YH-2。其技术参数如表3.1所示：表3.1 YH-2型流量传感器的技术参数项目参数电源/VDC，+5输出信号/脉冲当量/（ml/脉冲）0.1，TTL电平，正脉冲最大流量/（l/h）180质量/kg1.9使用温度/040应用特点有两路脉冲信号输出，需通过程序判断正反转，直接输出数字信号，送入单片机3.1.4 流量检测数学模型的建立根据检测系统确定的容积式型号为YH-2的流量传感器，在测量范围内，传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即体积仪表系数：（3.2）式中，为流量信号频率，Hz；为体积流量，L/h；为脉冲数；为体积总量，L。把仪表系数预先置入单片机的存储器中，单片机根据所获得的流量脉冲频率与仪表系数之比即可求得管路中燃油的流量之值。因此，燃油流量检测的数学模型可采用数学公式：（3.3）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)和各功能模块设计(测量功能模块、信号控制功能模块和人机对话模块)。为了使系统设计尽可能合理，依据以下原则:（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路；（2）要留有余地，考虑到以后的修改、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，包括机体、面板、配线、接插件等。必须考虑安装、调试、维修的方便。另外，抗干扰设施必须一并考虑。 2、单片机的选择原则当今单片机品种繁多，产品性能各异。主要分集中指令集(CISC)和精简指令集(RISC)。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格也高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，这种结构的单片机取指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化设计。一般来说，对于控制方式较简单的家电，可以采用RISC型单片机；对于控制关系较复杂的场合，如通信产品，工业控制系统，应采用CISC单片机。根据功能需要和性价比以及匹配关系，在这里选择CISC型的单片机，它主要包括Intel系列、Motorola系列、Atmel系列的AT89系列等等。选择单片机还应注意以下几方面：（1）了解单片机对控制系统的的适用性。单片机是否含有所需的I/O端口数目；是否含有所需的外围端口部件；CPU是否有适合的吞吐量；极限性能是否满足要求；（2）了解单片机的可购买性。单片机是否可以直接买到；是否有足够的供应量；是否维修方便；是否仍在生产中；（3）了解单片机的可开发性。编辑软件；程序写入工具；调试工具；技术支持；语言体系与成熟程度。根据以上原则对单片机进行选择，可选择出较合适的单片机，从而保证系统的可靠性、最优的性价比、最好的升级换代性。3.2.2 MCS196单片机的特点 MCS196系列单片机是Intel公司继8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。它除了保留8X9X全部功能外，在功能部件和指令支持上又有很大改进，性能上也有了显著提高，使得它适用于更复杂的实时控制场合。MCS196单片机有多种型号，不同型号配置有不同的功能部件，且具有不同存储器空间和寻址能力，可满足不同场合的要求。 MCS196系列单片机都有1个基于寄存器到寄存器结构的内核。这种结构消除了累加器的瓶颈现象，加快了数据传输。另有多种功能部件，在不同型号中进行不同配置。这些功能部件除包括在8X9X中就有的I/O口、10位A/D转换器、PWM（脉宽调制器）、SIO（全双工串行I/O口）、中断源、看门狗定时器、16位定时/计数器、HSI/O（高速输入/输出口）等以外，还包括在MCS196中出现的PTS（外围事务服务器）、EPA（事件处理器阵列）、WG（波形发生器）等。与其他系列（如MCS51系列、PIC系列等）相比，HSI/O、PTS、EPA、WG是MCS196最具特色的功能部件。 HSI/O（High Speed Inputs and Outputs）：其中HSI用于记录某一外部事件相对于时间基准（如定时器1）的发生时刻。此功能部件在检测到引脚上规定的跳变事件（包括正跳变、负跳变、每次正跳变、8个正跳变）后，将发生事件的类型与时刻记录下来，并产生相关中断。此部件适用于信号的时间参数测量。HSO则用于按程序规定的时间去触发某一事件（如置位/清零口线、启动A/D转换等），要求CPU的开销极小，速度极高。此部件便于实时输出控制，可用来产生多种信号波形。 EPA（Event Processor Array）：实质上是捕捉/比较模块。所谓“捕捉”就是捕获产生于引脚上的跳变事件（有正跳变、负跳变、正负跳变等），记载这些输入事件相对于时基定时器发生的时刻；“比较”则是和预先规定好的时间作比较，预定时间一到就去执行某种输出功能（比如输出置为高、输出置为低、输出翻转、启动A/D转换、复位定时器等等）。可见，EPA和HSI/O的功能类似，但EPA在CPU开销上要求更少，性能更好一些。表1给出在不同时钟频率下两者分辨能力的比较。 PTS（Peripheral Transaction Server）：实质上是中断服务机制的改进。对正常的中断服务，CPU都要“亲自”去执行，而现在的PTS提供了一种类似DMA的操作。当中断发生后，由微代码执行PTS周期。该周期就像DMA周期那样插入正常的指令流中，完成中断服务，这样CPU的开销比一般的中断响应要少得多。 WG（Waveform Generator）：可产生独立的、具有相同频率和工作方式的3对PWM波形。特别适合控制三相交流感应电机、直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的场合。另外，MCS196单片机总线控制器还具有可编程的等待状态发生器，可方便地与慢速外设接口。在运行中可动态选择8位或者16位的总线宽度，并能通过HOLD/HLDA协议方便地实现多处理器通信。目前，MCS196系列主要有3种： HSI/O系列，这类芯片具有高速输入、输出口； EPA系列，这类芯片内部具有事件处理器阵列； Motor Control系列，这类芯片适用于电机控制。要注意上述分类也不是绝对的，往往在同一个型号的部件中，可同时具有多种功能。 HSI/O系列本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD 8XC196KB是MCS196系列的第1个成员，片内具有8KB程序空间，232个字节的寄存器RAM。它采用高速输入/输出口进行事件处理。HSI/O最多有4个高速输入口，6个高速输出口。2个16位的定时/计数器均可用作时基发生器。其余的片内资源有：1路PWM，1个全双工串行通信口，1个看门狗定时器，1个8通道10位A/D转换器。48条输入/输出口（与部件复用）。 8XC196KC的性能比8XC196KB要更进一步。它的片内有16KB的程序空间，488个字节的寄存器RAM，最高工作频率可达20MHz。除了具有8XC196KB的全部特点外，还具有如下特点：有3路PWM发生器；A/D转换器具有8位和10位2种方式；可对采样率和转换时间编程。在片内还加入外围事务处理服务器PTS，可大大减轻CPU在中断处理上的负担。 8XC196KD除具有8XC196KC所具有的全部特点以外，它的片内还具有32KB的程序空间，1000个字节的寄存器RAM。由于片内存储空间的增大，所以，更适合于使用高级语言编程。这种芯片的最高频率也可达20MHz。表3.2 HIS/O和EPA分辨能力的比较部件名称时钟频率/MHz单位16202550HSI1125900750600nsHSO1000800600400nsEPA25020016080ns 这里初选MCS196系列中HIS/O系列的80C196KC的单片机作为系统的控制芯片。 80C196KC单片机具有16KB的程序空间，488个字节的寄存器RAM，最高工作频率可达20MHz。有3路PWM发生器;A/D转换器具有8位和10位2种方式;可对采样率和转换时间编程。在片内还加入外围事务处理服务器PTS，可大大减轻CPU在中断处理上的负担。它采用高速输入/输出口进行事件处理。HSI/0最多有4个高速输入口，6个高速输出口。2个16位的定时/计数器均可用作时间发生器。其余的片内资源有: 1个串行通信口，1个看门狗定时器。3.3扩展芯片的选择与匹配3.3.1.数据存储器的选择微处理器通过数据总线、地址总线及控制总线与存储器连接。如下图所示：控制总线地址总线存储器CPU 数据总线地址总线为地址信号，用来指明选中的存储单元地址。数据总线为数据信号，它是微处理器送往存储器的信息或存储器送往微处理器的信息。它包括指令和数据。控制总线发出存储器读写信号，以便从ROM、RAM中读出指令或数据，或者向RAM写入数据。在微机系统中，常用的静态RAM有6116、6264、62256等。在本实验中使用的是6264。6264为8K8位的静态RAM。其逻辑图如下： 6264A012 VCCI/O07WROECS2 GNDCS1 其中A012为13根地址线，I/O07为8根数据线，CS1 、CS2为两个片选端，OE为数据输出选通端，WR为写信号端。其工作方式见下表：控制信号CS1CS2OEWR数据线读LHLH输出写LHL输入非选H高阻态非选L高阻态输出禁止LHHH高阻态6264是一种采用CMOS工艺制成的8K8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，选择6264作为静态数据存储器。其管脚排列如图3.2所示19。6264111213141516171810987654324232022225261272119A0 D0A1 D1A2 D2A3 D3A4 D4A5 D5A6 D6A7 D7A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 WE OE/VPP CE 图3.2 6264管脚排列图3.3.2.片外扩展I/O口选择型号为8255（改进型为8255A及8255A-5），具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路。它是一片使用单一+5V电源的40脚双列直插式大规模集成电路。8255A的通用性强，使用灵活，通过它CPU可直接与外设相连接。8255A是Intel公司采用CHMOS工艺生产的一种高性能通用可编程输入/输出并行接口芯片，可以方便地应用在微处理器系统中。8255A是40引脚双列直插式芯片，片内有A, B, C 3个8位I/O端口，可提供24条可编程的输入/输出端口线8255A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，它有三个8位口A、B 、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8255A。图3.3为8255A的引脚图19。 8255A40393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920PA3 PA4PA2 PA5 PA1 PA6PA0 PA7RD WRCS RESETGND D0A1 D1A0 D2PC7 D3PC6 D4PC5 D5PC4 D6PC0 D7PC1 VccPC2 PB7PC3 PB6PB0 PB5PB1 PB4PB2 PB3图3.3 8255A引脚图3.3.3程序存储器的选择27512是INTEL公司产品，是一种64k8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3.4所示19。图3.4 27512管脚排列图3.4 显示器的选择与电路接口设计随着计算机和液晶技术的发展，图形点阵液晶显示器以其体积小、重量轻、功耗低和显示信息量大等优点在工业控制、仪器仪表、家用电器等领域的应用越来越广泛，已发展成为当今显示技术的主流,显示器主要有数码管(LED)显示和液晶(LCD)显示两大类20,21。当系统需要显示少量数据时，采用LED数码管进行显示是一种经济实用的方法。显示器价格比较便宜，但功能比较单一，只能显示数字。同时它也存在两个主要的技术问题。液晶显示器不但能够显示数据，还能显示文字和图形，其显示效果远远超过数码管。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。笔记本电脑、手机和计数器上采用的都是液晶显示屏幕。液晶显示屏有两种类型：智能型和普通型。智能型液晶显示屏具有一套接口命令(类似于绘图仪和打印机)，显示内容的图形部分直接用命令输入，用户编程非常简单。普通型液晶显示屏必须由用户编程实现全部显示功能，用户编程工作量较大，但价格比智能型液晶显示屏要低很多。针对以上要求本设计选用点阵式MGLS-12032A液晶显示模块。MGLS-12032A液晶模块以两片SED1520液晶显示控制驱动器为核心,集行列驱动器和控制器于一体,被广泛的应用于小规模的液晶显示模块。其主要特点如下:内置2560位显示RAM区。RAM中的1位数据控制液晶屏上一个像素的亮、暗状态。“1”表示亮,“0”表示暗;具有16个行驱动输出和61个列驱动输出;(在MGLS-12032中用到了全部16个行驱动口和其中60个列驱动口);可直接与微处理器相连,时钟信号由SED1520内部产生;驱动占空比为1/16或1/32;可以与SED1520级联使用,以便扩展行、列的驱动能力。SED1520功能特点SED1520是集行、列驱动器和控制器于一体的液晶显示控制驱动器，可广泛用于小规模液晶显示模块，例如香港精电公司的MGLS-12032、MGLS10032等。SED1520液晶显示驱动器具有以下特性：内置显示RAM区，RAM容量为2560位。RAM中的1位数据控制液晶屏上一个点的亮灭状态：“1表示亮”，“0”表示不亮。具有16个行驱动口和61个列驱动口。可直接与80系列或68系列微处理器相连。驱动占空比为1/16或1/32。可以与SED1520配合使用，以便扩展列驱动口数目。对于液晶显示控制驱动器来说,由于SED1520已经集成化,其内部的显示时序发生器、显示存储器以及管理电路只要了解就足够,但是对于驱动部分和接口部分来说就必须掌握他们的详细运做方式和相关电路。系统采用的液晶模块级联了两片SED1520,一片是处于主工作方式,一片处于从工作方式。驱动的工作原理是:在两片SED1520级联时,处于主工作方式的SED1520完成第1行至第16行的驱动和左半屏显示的列驱动输出;处于从工作方式的SED1520则承担第7行至第32行的行驱动和右半屏显示的列驱动输出。驱动的结构如图一所示。这要求我们在编程的时候要特别注意显示汉字和字符时在边界区域,也就是两片SED1520交接处的切换。SED1520的接口部分包括I/O缓冲器,复位电路,指令译码和状态字寄存器等。其中I/O缓冲器的作用是连接两个不同时钟下工作的系统,实现通讯。为了使计算机操作与SED1520内部的操作在时序上匹配,所有计算机写入的数据(包括指令代码和显示数据)都在I/O缓冲器内被锁存,转换成内部控制时序处理。MGLS-12032模块分直接访问方式和间接访问方式,如图3.5所示。从原理图中可以看到直接访问方式不占用系统地址/数据总线以外的资源,但是外部逻辑电路相对复杂。间接控制方式的连接电路简单,但是需要占用196额外的I/O端口。考虑到196丰富的接口资源和系统调试的方便,本设计以间接访问方式为基础。图3.5 196KC与LCD芯片的连接3.5打印机的选择与电路接口设计为了能使显示器显示的数据被保留、便于随时随地进行对试验数据的研究，初选用智能微型打印机。能打印出汽车的百公里油耗、等速油耗、加速油耗等信息。为了减小油耗检测仪器的体积，把微型打印机设计成内嵌式安装方式，把它和整个系统安装在一个壳体内，使整个仪器质量减轻，达到便于携带的目的。选择原则：（1）换纸方便，最好能前端换纸；（2）体积要小、操作简单、结构紧凑；（3）能满足大部分非标准仪器、仪表面板的使用要求；（4）兼容性能要好。 SIUPO迅普SP-E系列微型打印机是一种可插装在各种仪器、仪表、计算机应用装置机箱面板上的嵌入（盘装）式打印输出设备机专为在机箱面板上安装打印机而设计，采用了独特的面板嵌入结构，需按要求尺寸在机箱面板上开一个安装孔（103mm57mm），便可将整个打印机固定在面板上。无需拔出整个打印机，便可完成换纸等操作。使用简单方便，解决了配套安装微型打印机的问题。 E系列打印机体积小、操作简单、连接方便、结构紧凑、面板尺寸符合仪器仪表的行业标准（80mm160mm），并满足大部分非标准仪器、仪表面板的使用要求，是设计各种需要微型打印输出的首选。E系列打印机并行接口采用与Centronics标准兼容的并行打印机接口，接口连接器为26线双排针插座；串行接口采用RS-232标准兼容或TTL电平的串行接口，接口连接器为5线单排针型插座；使用了符合ESC/P标准的打印控制命令与标准的IBM和EPSON打印机兼容；考虑到打印机安装于垂直面板的需要，增设了反向（倒置）打印功能；打印机内设大容量输入缓存器，具有“假脱机打印”功能。性能指标：打印方法：针式撞击点阵打印；打印速度：0.41.0字符行/秒（57点阵ASCII字符）；打印字符：全部448个字符及图块，包括96个ASCII字符；希腊文、德文、俄文、法文等字母，日文片假名，部分中文字，数学符号，打印字符，块图符；32个用户可定义字符；国标一、二级汉字库中全部汉字和西文字、图符共8178个；字符构成：标准ASCII字符，57点阵；块图符，68点阵字符；用户定义字符，68点阵；612点阵ASCII字符；1212点阵汉字；控制命令码：西文，35个ESC/P控制命令，与IBM/EPSON ESC/P兼容；接口连接器：26线双排针型插座；并行接口，CENTRONICS兼容；串行接口：RS-232或TTL电平；接口连接器，5线单排插座；输入缓冲器：8KB或32KB；按键：SEL、LE复合单键，在线/离线选择（暂停打印功能）；指示灯：SEL灯在线/离线指示；自检测：上电时按SEL键；打印用纸：普通白卷纸；可靠性：MCBF（平均无故障行数），50万行；电源：直流5V，1.5A；工作环境：温度，040；相对温度，2085%（无凝结）。通过比较，初选讯普公司生产的E系列前换纸面板式智能微型打印机。它的外形尺寸为125mm85mm60mm，该机专为在机身面板上安装打印机而设计，采用了独特的面板嵌入结构，用户需按要求尺寸在机箱面板上开一个安装孔，便可将整个打印机固定在面板上。无需拔出整个打印机，便可完成换纸等操作。使用简单方便，解决了配套安装微型打印机的问题。E系列打印机体积小、操作简单、接口方便、结构紧凑、面板尺寸符合仪器仪表的行业标准，并满足大部分非标仪器、仪表面板的使用要求。微型打印机与196KC有几种不同的连接方式。由于打印机内部没有数据所存能力，因此当用标准并行接口时，需要连接一个地址所存器，而把打印机作为外部RAM对待时，可直接与单片机相连，其接口电路如图3.6所示。XLF打印机196KC8P3.0WRP3.2P3.7OEWRBLBYD0-D7图3.6 196KC与XLF打印机芯片的连接3.6 电源及其它元器件的选择与匹配1、监控芯片的选择随着测量技术的发展和微处理器的广泛应用,单片机系统的电路越来越复杂,而系统的可靠性问题也越来越突出,一般的单片机系统在工业现场等恶劣的环境下容易死机,要求系统在这些场合可靠稳定的工作,就必须外加监视电路。X5045是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片,他把上电复位、看门狗定时器、电压监控和E2PROM四种常用功能组合在单个芯片里,以降低系统成本、节约电路板空间。其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用5128位的E2PROM可用来存储单片机系统的重要数据。将其运用在温度控制系统,取得了令人满意的结果。（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X5045来说是低电平信号。X5045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，X5045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，X5045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X5045芯片，只需把/CS端口电平置一个下降沿，即可将看门狗复位。X5045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。X5045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。X5045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。X5045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。图3.8是X5045与单片机196KC的接口电路。X5045的管脚排列及功能如表3.3所示231。表3.3 X5045的管脚排列及功能引脚号引脚名称引脚功能1CS电路选择端,低电平有效2SO串行数据输出端3SI串行数据输人端4SCK串行时钟输入端5WP写保护输人端,低电平有效6RESET复位输出端7VCC电源端8VSS接地端2、通讯接口的选择串行通讯通道主要是传输数据和指令的通道，不允许有传输错误。因此，在串行通道的各个环节上都要保证有高可靠性的传输。其中包括满足传输环境要求的接口标准选择，因为不同的接口标准只有满足特定的环境条件，才能可靠地工作；芯片的可靠性保证措施，如通讯状态测试，误码校验等。通常标准串行接口的电气特性都有满足可靠传输时的最大通讯速度和传输距离指标。一般这两个指标具有相关性，适当地降低通讯速度，可提高通讯距离，反之亦然。通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时，都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通讯信道的环境往往十分恶劣，因此在通讯介质选择、接口标准选择时，要充分考虑其抗干扰能力，以采用合适的抗干扰措施。由于基于容积法的油耗仪的数据采集系统的通讯数据流传输量不太大，而且通讯距离短，在实验室通讯信道的环境比较好，选择RS-232C串行标准接口即可。Vcc10千欧Vcc8374526180C196KCRESETP1.0P1.1P1.2P1.3X5045SI VccSO WPSCK RSTCS VSS图3.7 X5045芯片与196KC的连接（1）RS-232C串行接口标准计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。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-232C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。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。实际上RS-232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232C最常用的9针串口插头的信号内容如表3.4所示。表3.4 常用的9针插头的信号内容引脚序号信号名称符号流向功能3发送数据TXDDTEDCEDTE发送串行数据2接收数据RXDDTEDCEDTE接收串行数据7请求发送RTSDTEDCEDTE请求DCE线路切换到发送方式8清除发送CTSDTEDCEDCE告诉DTE线路接通，发送数据6数据设备准备好DSRDTEDCEDCE准备好5信号地信号共地1载波检测DCDDTEDCE表示DCE接收到远程载波4数据终端准备好DTRDTEDCEDTE准备好9振铃指示RIDTEDCE表示DCE与线路接通，出现振铃在RS-232C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即逻辑1：-5-15V；逻辑0：+5+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑0，高到-3V的信号作为逻辑1。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（座）。如图3.8所示。载波检测接收数据发送数据数据终端就绪信号地数据装置就绪请求发送清除发送振铃指示图3.8D型9针插头（2）RS-232C串口通信接线方法串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现。同一个串口的接收脚和发送脚可直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接即可。由于检测仪器中的单片机通常均包含串行通讯部件，但其使用的电平与标准的RS232C电气特性不兼容，MCS-96系列单片机采用的是TTL电平的正逻辑，必须通过接口芯片进行电平转换和逻辑变换。MAX232芯片是MAXIM公司生产的，包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把+5V电源电压变换成RS232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强。加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。基于以上的特点，选择MAX232芯片作为电压转换芯片。其引脚如图3.9所示。MAX232VccGNDT1outR1inR1outT1inT2inR2outC1+V+C1-C2+C2-V-T2outR2in1 162 153 144 135 126 117 108 9图3.9MAX232引脚图 3、日历时钟电路的选择和匹配为了能使显示器可以显示日历时钟，也使数据拥有者能查询数据的日期，为该系统设计了一个日历时钟电路。在单片机应用系统中，常需要一个实时时钟供定时、测控之用。单片机都集成有定时器，配合软件可以作为系统的时间基准，构成一个实时时钟。一般情况下，单片机的定时器工作在中断方式，因此它将频繁地中断CPU的工作。而且，每次开机都要重新设定标准时间，使用上不方便，还占用了单片机的定时器资源。实时日历时钟芯片的出现，不仅克服了上述缺点，而且使单片机系统中的时钟、日历功能更加完善。DS1302包含一个实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它和单片机通信经有一个简单的串行接口.实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月、年信息，月末日期自动调整，包括闰年的修正时钟可工作在24小时格式或12小时(AM,PM)格式，单片机与DS1302接口使用同步串行通信，仅需三根线连接(1)/RST(复位)，(2)I/O(串行数据)(3)I/O(串行时钟).数据传送从单片机到实时时钟/RAM或实时时钟/RAM到单片机,可以每次1字节或每次31字节.它可以工作在很低的耗电状态以保存时钟信息和数据,功耗小于1微瓦.DS1302具有一个可编程的涓流充电器，主电源和备份电源的双电源引脚，7个附加字节的暂存寄存器，包括移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟和RAM.DS1302引脚图描述如下：GND电源地；Vcc1在单电源供电系统中的电源引脚，在双电源系统中接备份电源；Vcc2 在双电源供电系统中的主电源引脚，DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电.当Vcc2小于Vcc1时，Vcc1给DS1302供电；SCLK 串行接口的同步时钟；I/O 双向数据线引脚；/RST 复位信号，在一个读写期间必须保持高电平；X1,X2连接一个标准的32768HZ石英晶体.DS1302也可用外部振荡器驱动，这时X1引脚连接外部振荡器信号，X2悬浮。DS1302与单片机接口的电路如3.10图：80C196KCP1.0P1.1P1.2DS1302Vcc2 Vcc1I/OCSLK/RST GNDX1 X2Vcc图3.10DS1302芯片与196KC的连接4、电源的选择和匹配为了保证系统正常工作，在电子线路和自动控制装置中，需要电压稳定的直流电源，所以要求电源具有良好的输出质量，还要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境。这里就需要IC电源变换芯片，这种芯片是将非稳定直流电压转换成稳定直流电压的集成稳压器。目前广泛采用各种半导体直流电源。市场上有许多可输出312V电压的可调整电源供选用。在本系统中对电压高低、输出质量、电流大小以及动态指标有着特殊的要求。流量传感器和单片机供电都需要+5V电压，单独设计制作每个电源，不仅成本高，而且用起来比较麻烦，随着稳压电源的集成化发展，即将多个电源集中制作在一块绝缘基片上，结构上比较紧凑，减化了电路的结构，同时也减少了电路板的体积、质量、引出线和焊接点的数目，为PCB制板提供了方便。在本系统的电源设计中，为了防止交流电源电压的波动和负载变化对直流电源的影响，采用具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉的集成稳压器。目前集成稳压器的种类繁多，功能也各不相同。初选3端稳压芯片。3端稳压芯片19：3端稳压器仅有输入端、输出端和公共端3个引脚。芯片内部设有防止过流、过热保护及调整安全保护电路，其所需的外接元件少，使用方便可靠，作为稳压电源广泛应用于各种电子设备中。按输出电压是否可调，3端稳压器分为固定输出电压稳压器和输出电压可调式稳压器两种。3端固定电压稳压器又可分为：3端固定正电压稳压器和3端固定负电压稳压器两种。常用的3端固定正电压稳压器有LM7800系列、LM78L00系列及LM78M00系列，通称7800系列稳压器。本系统选择LM7805芯片。其参数如表3.5所示。LM7805的外部引脚如图3.11所示。表3.5 LM7805参数列表参数名称符号7805输出电压(V)Vo5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最小输出电压(典型值)(V)Vomin1.2最大输出电压(V)Vomax37最大输出电流(A)Iomax0.1 LM7805输入地输出图3.11 LM7805的外部引脚3.7 本章小结本章重点介绍了智能型汽车油耗仪硬件部分的设计与选择。流量传感器选择决定油耗仪的精度，在这个前提下以单片机为核心，通过单片机控制外围扩展芯片、打印机芯片、日历时钟芯片、监控芯片，并通过对键盘、通讯接口的控制实现人机对话功能，真正实现智能化油耗检测的功能。第4章基于容积法的汽车油耗仪软件设计4.1软件系统的作用基于容积法的汽车油耗检测仪器的应用软件根据系统功能要求而设计，以可靠地实现系统功能。设计时，将控制面板管理程序模块设计成主程序，其他模块在该模块的控制下进行。应用的子程序实现标志化管理，即在需调用的程序模块之前，都设置了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、修改；程序的调试工作是采用仿真器检验在计算机上编写的程序运行是否正常、有无语法错误等，查看运行结果是否符合设计目的，再通过仿真器挂接硬件电路，模拟现场测试，检查硬件的电路连接和软件程序流程。在测试中由于存在干扰，软件程序设计中需要编写抗干扰程序，以提高采集数据的准确度。4.2 软件系统的设计方案4.2.1 软件系统的功能软件是检测仪器的主体，是检测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组调试；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24。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20，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。4.2.2 软件编程语言的选择单片机语言与我们通常理解的语言是有区别的，它指的是为开发单片机而设计的程序语言，通俗地讲，它是一种设计工具。单片机的设计语言基本上有三类： 1、机器语言机器语言就是能被单片机直接识别和执行的语言，计算机能识别什么？是数字“0”或“1”，所以机器语言就是用一连串的“0”或“1”来表示的数字。比如：MOVA，40H；用机器语言来表示就是111001010100000，很显然，用机器语言来编写单片机的程序不太方便，也不好记忆，我们必须想办法用更好的语言来编写单片机的程序，于是就有了专门为单片机开发而设计的语言：汇编语言。 2、汇编语言汇编语言也叫符号化语言，它使用助记符来代替二进制的“0”和“1”，比如：MOVA，40H就是汇编语言指令，显然用汇编语言写成的程序比机器语言好学也好记，所以单片机的指令普遍采用汇编指令来编写，用汇编语言写成的程序就叫它源程序或源代码。可是计算机不能识别和执行用汇编语言写成的程序，我们可以通过“翻译”把源代码译成机器语言，这个过程就叫做汇编，汇编工作现在都是由计算机借助汇编程序自动完成的，不过在以前，都是靠手工来做的。每一类计算机都有它自己的汇编语言，比如：51系列有它的汇编语言，PIC系列也有它的汇编语言，微机也有它自己的汇编语言，它们的指令系统是各不相同的，也就是说，不同的单片机有不同的指令系统，它们之间是不通用的，这就是为什么世界上有很多单片机类型的缘故。为了解决这个问题，人们想了很多的办法，设计了许多的仿真软件给编程者提供一个通用的平台8。 3、C语言 C语言高级单片机语言，是一种通用的计算机程序设计语言，它既可以用来编写通用计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序，由于它具有直接操作计算机硬件的功能，所以非常适合用来编写大型单片机程序6。单片机控制程序主要采用汇编语言进行编写。汇编语言是面向机器的程序设计语言。在汇编语合中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址妈。这样用符号代替机器语盲的二进制码，就把机器语音变成了汇编语言，于是汇编语言亦称为符号语言。机器语言显然不适合编写相对复杂的测试系统，根本不需要考虑。汇编语言的每条指令都有固定的执行时间，这个时间是用单片机内部的时钟周期来定义的，单片机工作在不同频率下这个时间不同，但可以通过查表和仿真器得到。对于向测试系统这种对时间要求比较严格情况，汇编语言可以满足要求。汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有语言执行速度快，占内存空间少、语言灵活等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。利用汇编语言编写的程序可以直接、有效地控制计算机硬件，因而容易创建代码序列短小、运行快速的可执行程序，在有些应用领域，汇编语言的作用是不容置疑和无可替代的，并且汇编程序设计的过程是与其他高级语言程序设计处于同等水平。 C语言适合编写大型、复杂的软件，但C语言不能准确的控制测试过程每一步所执行的时间。所以选择汇编语言编写测试系统比较合适。4.2.3 软件系统的主程序的设计软件系统的设计流程，如下图4.1所示。初始化Y显示初始状态等待输入检查面板输入“结束”按键显示瞬时流量检测测量程序输入信号频率是否达到测量次数是否打印打印YNN“确认”按键设置系统时间图4.1 软件系统的设计流程图4.2.4 软件系统的模块设计1、初始化模块设计初始化是让系统正常工作，给一些变量参数赋予初值的程序。该模块通常包括外围芯片初始化、片内特殊功能寄存器的初始化、堆栈指针的初始化、全局变量初始化、系统时钟初始化和数据缓冲区初始化等。初始化主要任务是清屏。初始化模块，如图4.2所示。系统上电后进行初始化，测量系统进入起始状态。等待键盘输入，系统得到键盘输入信号，根据键盘输入内容调用相关的程序。2、数据处理模块设计大部分的检测仪器都具有数据处理功能，从而能够直接从检测到的原始数据中得开始指向位选通地址入口地址单元内容置1返回图4.2 初始化模块框图到人们需要的最终结果，极大地减轻了人们的劳动强度，提高了工作效率。在汇编语言中，数据有两种类型：一种是定点数据；另一种是浮点数据。在定点数据中，每种数据占有固定字节数的存储空间，其中各个字节所表示数值的大小是固定的(即小数点的位置是固定的)。定点数据运算速度快，程序绝对精度要求(分辨率) 也已知时，选择定点数据格式比较有利。定点数据运算速度快，程序代码量和资源消耗较少。当某种信息变化的动态范围很宽，而且相对精度要求已知时，选择浮点数据格式比较有利。浮点数据运算可以保证相当精度基本不变，但速度慢，程序代码量和资源消耗均较多。浮点运算的优势在于复杂数据的处理，尤其是各种函数运算。结合本系统的功能要求，由于数据信息变化的动态范围比较窄，并且本系统中没有复杂的数据需要处理，所以采用定点数据格式。在数据显示中，有动态扫描和静态扫描两种。静态扫描相对容易，显示比较清晰，亮度一般较高，但是要求占用很多的输入输出I/O口线，成本较高。所以，本系统设计中采用了动态扫描。不仅简化了电路和降低了成本，而且还有利于动态扫描显示数据的视觉暂留现象，获得视觉稳定的显示状态25。测试系统显示程序的设计，主要从以下两方面考虑：（1）代码转换由于直接驱动显示的是段选码，而人们习惯显示的是0、1、2、3F等字符。因此，需将待显示的字符转换成段选码，转换用查表的方法进行；（2）通过位选信号控制发光管，实现逐位轮流点亮显示器。数据显示程序框图，如图4.3所示。 3、控制面板管理程序模块设计系统的测试功能是在控制面板的控制下完成的，因此，控制面板管理和控制显得非常重要。在设计测试程序时，把控制面板管理程序模块设计成主程序模块，其它模块都是在该模块的控制下进行的。NY开始置显示字符首地址选通段码(字形)数据输入口取出要显示的字形编码(段码)段码输出到段数据口取出要显示的字形编码(段码)取出要显示的位码将位码输出到位数据口调延时程序字符地址加1位选码循环右移一次最末一位是否显示完结束YN循环显示完图4.3 数据显示程序框图该系统采用的是42简易的控制面板，有一套较复杂的程序控制面板进行管理，控制面板的工作方式采用编程扫描方式来响应键输入要求。设计时，根据本系统的功能要求，设置了8个功能键，在执行键功能程序时，系统会完成该键的设置功能，CPU不再响应键输入要求。各功能键完成相应的的任务后，都将返回控制面板管理的主程序模块，等待控制面板的下一项指示，其控制流程框图如图4.4所示。开始NYNY扫描控制面板是否有键和上延时去抖动逐行扫描是否有键和上指向下一行全部扫描一遍返回行列信号拼装求出查表特征字特征字暂存数据单元设查表初值查表求键值是否找到指向下一个单元延时键是否释放根据键值查命令键转移表转向各命令键处理程序NYNYNY图4.4 监控程序框图 4、油耗测试程序模块设计在测量范围内，传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即体积仪表系数K=。将仪表系数K预先置入单片机存储器中，单片机即可根据获得的流量脉冲频率与仪表系数K之比来求得管道燃油流量之值。测试中，由于发动机工作时，油路中会产生较大的回油脉冲压力波，当压力波传至流量传感器时，推动活塞、曲轴逆时针旋转一定的角度，使遮光片遮光一次，产生一个脉冲信号而被记录，从而使测试流量值与实际流量值相对误差较大，并且随着发动机转速的变化，其误差也发生变化，使得测试结果的准确性和可靠性较差。流量传感器采用两对红外线光敏管，有两路脉冲输出，由于输出状态不一样，用程序判断正反脉冲，即正脉冲计数，反脉冲忽略。这就克服了回油干扰的影响。流量传感器输出状态图如图4.5所示。流量传感器正转时，脉冲信号12345的顺序输出，输出状态分别为0010110100顺序变化，此时程序计数器记录脉冲数；相反，若脉冲信号按54321的顺序输出，则输出状态分别为0001111000顺序变化，反映了回油干扰的影响。12345(a)(b)12345(a)正转脉冲；(b)反转脉冲图4.5 流量传感器脉冲输出状态4.3系统抗干扰设计4.3.1干扰的来源油耗测量控制系统的可靠性是由多种因素决定的,其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。一般把影响控制测控系统正常工作的信号称为噪声.在单片机系统中,出现了干扰,就会影响指令的正常执行,造成控制事故或控制失灵,在测量通道中出现了干扰,就会使测量产生误差,计数器收到干扰,有可能乱计数,造成计数不准,电压的冲击有可能使系统遭到致命的毁坏。环境对控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的,干扰窜入控制系统的渠道主要有三条30。1、空间干扰空间干扰来源于太阳及其他天体辐射的电磁波；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰可能会使单片机系统不能正常工作。空间干扰及抗干扰措施。空间干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。干扰来自应用系统的内部和外部，市电电源线是无线电波的媒介，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，因而任一线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、接受、调制。在现场解决空间干扰时，首先要正确判断是否是空间干扰，可在系统供电电源入口处接入WRY性微机干扰抑制器或大型磁饱和稳压器，观察磁干扰现象是否继续存在，如干扰现象继续存在则可认为是空间干扰。空间干扰不一定来自系统外部，空间干扰的抗干扰设计主要是地线系统设计、系统的屏蔽与布局设计。此外，在测量的时候还可能遇到其他一些干扰因素，例如在动态中测量车辆油耗时，由于汽车的上下坡、加速、减速等因素造成油耗仪的左右或上下震动，这会对测量的精度造成影响，这时，我们可以通过多测几次取平均值来提高测量的精度。2、供电系统干扰由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性设备的启停会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度涨落，工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。这种状况有时长达几分钟、几小时，甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几千伏的尖峰脉冲干扰。供电系统干扰及抗干扰措施。单片机系统中最重要、并且危害最严重的干扰来源于电源。根据电源电压变化持续时间的大小可把电源干扰分为过压、欠压、停电；浪涌、下陷、半周降出；尖峰电压；射频干扰等。解决过压、欠压、停电的方法是使用各种稳压器、电源调节器，对付短时间的停电则配置不间断电源。解决浪涌、下陷与半周降的办法是使用快速响应的交流电源调压器。尖峰电压的解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接23节低通滤波器即可解决。单片机供电系统除对电源本身性能有一定的要求以外，必须要完整的设计整个电源供电系统。电源分配系统首要的是要有良好的接地，系统的地线必须能吸收来自所有电源系统的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线；地线应尽量短而直接接线；对于插件式电路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。 3、过程通道干扰为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入、输出是比不可少的。在工业现场，这些输入输出的信号线和控制线多至几百条甚至几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避免的将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，都会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果同处一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是若将015V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，会使测量的信号发生误差，重者会使有用信号完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作5。过程通道干扰的抑制措施过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。过程通道的干扰主要是利用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制单片机系统工作时受到的干扰。4.3.2 抗干扰的措施 1、硬件的抗干扰设计对输入通道的干扰会使输入的模拟信号失真，数字信号出错。对输出通道的干扰使各输出信号混乱，不能正常反映微机应用系统的真实输出量，从而导致一系列严重后果。干扰可使微机系统内核总线上的数字信号错乱，CPU得到错误的地址信号后，引起程序计数器出错，使程序运行离开正常轨道，导致程序失控或死循环等严重后果。针对此问题主要采取以下几种措施（1）PCB设计：微处理器及其辅助电路(时钟、复位和中断等) 要尽量靠近,在印制电路板(PCB) 上要远离强电压电路。PCB输入端一般使用100F电容进行容性滤波(引线要尽可能短) ,紧靠并联一只0.1F陶瓷电容，或者串接铁氧体磁珠滤波器,可以有效地滤去一些高频强脉冲(开关或电源引线、接插件的噪声)20，29 。（2）接地选择：信号工作频率小于1MHz 时,采用单点接地;信号频率大于10MHz时,为了降低地线阻抗应采用多点接地；工作频率为1MHz10MHz时, 如采用单点接地,则地线长度不得超过波长的1/ 20 ,否则应采用多点接地。多级电路接地点应选在低电平电路的输入端,使该端最接近于基准地位；同时,输入级的接地线也可缩短,使受干扰的可能性减少。（3）在电源线和地线之间并联47F和0.1F两个去耦电容，并联大电容为了消除低频干扰，并联小电容为了去除高频干扰。所有芯片应可靠接地，并且与接地线构成回路。（4）隔离技术：通过隔离可以把外来的干扰通道切断,同时起到抑制漂移和安全保护的作用。常见的隔离方式有光电耦合、变压器隔离等。在两个电路间加入隔离变压器以切断地回路,可实现前后电路的隔离,两个电路接地点就不会产生共模干扰。但这种隔离方式不能用于直流信号。用金属外壳整机或部分器件包围起来，再将金属外壳接地，就能起到屏蔽的作用，这对通过电磁感应引起的各种干扰特别有效。 2、软件的抗干扰设计采用硬件方法阻断干扰进入单片机应用系统是十分必要的,但是由于干扰的随机性,将单片机的软件干扰抑制技术与硬件干扰抑制技术相结合,可大大提高单片机应用系统工作的可靠性。我们已经了解单片机系统最容易受到干扰的部位是电源、接地系统、输入和输出通道。针对这几种情况采取的措施也不相同20。数字滤波是模拟信号经过转换后才能被单片机接收，干扰作用于模拟信号之后，使转换结果偏离其真实值。如果仅采样一次，我们是无法确定该结果是否可信，必须经过多次采样，得到一个经过转换的系列，通过某种软件算法处理后，才得到一个可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法，是消除随即干扰的有效手段，很容易解决较低频信号的滤波问题。除此之外，软件中还采用指令冗余技术、延时指令来抑制瞬变干扰。冗余技术能使“跑飞”的程序自动恢复到正常状态下运行,它包括指令的冗余设计和数据程序的冗余设计。指令冗余设计是设计程序时在某一双字节或三字节指令后人为地增加一些单字节指令(如NOP)，或将有效单字节指令重复一次，这样当程序执行混乱时，一遇到单片字节指令便可恢复正常执行。例如在双字节和三字节指令之后插入两条NOP指令，不管CPU如何取指令，最终均能取出正确的指令字节，从而使程序走上正轨。但采取这样的方法会使CPU执行程序速度放慢，因此，常在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令，以保证出乱的程序迅速纳入正确的控制轨道。对程序流向起决定作用的指令RET、RETI、LJMP 等后面重复写这些指令。设置监视跟踪定时器也可以起到软件抗干扰的措施。监视跟踪定时器，也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。当系统的CPU部件受到干扰信号的作用时，将使系统失控。最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态值，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入死循环。软件“看门狗”技术的原理是因为在一般情况下，程序跑飞或者陷入“死循环”时，中断功能可能不受影响，CPU仍然像正常运行时一样响应和执行中断子程序。这时如果仅在中断子程序中插有“喂狗”指令，则“看门狗”定时器始终处于正常无溢出状态，无法对已经混乱的单片机系统重新启动以回复到正常运转状态。若将“喂狗”指令单独插在主程序中显然又是不够的。我们可以将“喂狗”指令分解开来，将取反指令变成置位和清零两种指令(即SETB P1.0和CLR P10)，将置位指令插在主程序中(利用T1监控)，而将清零指令插在中断子程序中(利用110监控)，这样将两者结合起来，缺一不可。因此无论是主程序运行失效，还是中断请求失效，都不能完成完整的“喂狗”指令，从而造成“看门狗”动作，确保了系统安全可靠地工作29。4.4 本章小结测试系统中软件是配合控制硬件电路，共同完成对油耗的智能化测试，其功能通过分程序模块实现，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。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章基于容积法的汽车油耗仪机械部分设计5.1 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。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。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。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。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。纯铝的密度小（=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（:3240%，:7090%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。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）1035（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、零件螺丝等结构材、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. 2 外型尺寸的确定基于容积法的汽车油耗仪是一种测量仪器，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，可以任何时间任何地方对汽车油耗进行测量。经过测量计算将油耗仪的规格定为415mm290mm95mm。在油耗仪下面板和后侧面板设计了散热排风孔，使得通风效果增强，降低主板温度。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。显示面板为大众化长方形显示面板，包含液晶显示器和控制面板，显示面板的尺寸为272mm(长)121 mm(宽) ，在显示面板的上方设有“智能型汽车油耗仪”的仪器名称栏，中间是LCD液晶显示器，在液晶显示器的下方是四个电源指示等，分别为“充电”指示灯，“电源”指示灯，“油耗”指示灯，“油耗”指示灯。在液晶显示器的右侧为油耗仪的控制面板(说明如下节)。 E系列XLF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：125mm(宽)85mm(高) 60mm(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。使用时无需拔出打印机便可完成打印机操作。5.3 控制面板的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。常用的键盘可以分为独立按键接口

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