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基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计【汽车类】【8张CAD图纸】【优秀】

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基于 超声波 技术 汽车 油耗 检测仪器 设计 cad图纸
资源描述：

基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计

86页 44000字数+说明书+任务书+开题报告+8张CAD图纸【详情如下】

仪器下壳体A2.dwg

仪器接口A1.dwg

任务书.doc

基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计开题报告.doc

基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计说明书.doc

换能器装夹装置A2.dwg

换能器部分电路图A2.dwg

控制面板A2.dwg

油耗仪器内部装配图A1.dwg

电路图A0.dwg

答辩相关材料.doc

装配图A0.dwg

说明书封皮.doc

摘    要

　　　近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器--基于超声波技术的汽车油耗检测仪器。

　　　基于超声波技术下的燃油消耗检测仪器是一种利用超声波流量计技术测量燃油流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。

　　　超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。

关键词：超声波换能器、流量、模块、环鸣法、FPGA、串行通讯

ABSTRACT

　　　In recent years, Automobile industry has been developing by leaps and bounds, due to the global high-tech is changing and people to the environmental protection and energy saving more attention, all kinds of fuel consumption testing instrument is made, but mostly disintegrated type of fuel detection technology fuel consumption testing instrument, mainly for volumetric method and quality standard. Because this test equipment of structure is complex, especially in the first China promulgated on passenger cars fuel consumption of standard, make cars limit consumption detection more urgent demand, not the disintegration of fuel consumption analysis system development research ministry of science research project is significant. The project including from plan, hardware design, signal processing to software programming and many other topics, the aim of this paper is to design a set of non-dismatiement testing instruments fuel consumption based on ultrasonic technology -- the fuel consumption testing instruments.

　　　Based on the fuel consumption under ultrasonic technology testing instrument is a use of ultrasonic flowmeter measurement fuel flow and technology through calculation of fuel consumption circuit get a new type of fuel consumption testing instruments.

　　　Ultrasonic flowmeter is not disturbed flow field, no moving parts, without pressure loss, high accuracy, stable and reliable performance, wide measuring range and other characteristics, widely used in liquid and gas measurement

Keywords： Ultrasonic Transducer, Flow, Module, Ring Sound Method, The FPGA,  Serial expert

目  录

摘要I

AbstractII

第1章 绪论1

1.1燃油经济性的概念和意义1

1.2汽车油耗检测的发展概况2

1.3国内外汽车油耗仪检测研究现状2

1.4课题研究背景及意义3

1.5本设计主要研究内容6

第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定8

2.1汽车油耗仪器的测量方法与分类8

2.1.1直接测量法8

2.1.2间接测量法10

2.2超声波流量计发展历程与研究现状10

2.2.1超声波测量技术发展概况10

2.2.2超声波流量计国内外研究现状11

2.3管道流量测量的理论基础13

2.3.1流量的基本概念13

2.3.2管道内流体理论14

2.3.3流速补偿系数对流速公式的修正17

2.4超声波流量测量的原理18

2.4.1时差法18

2.4.2多普勒法20

2.4.3相关法20

2.5超声波测量方案的确定21

2.6本章小结22

第3章 超声波油耗检测仪器硬件电路的设计23

3.1 系统硬件电路的总体设计23

3.1.1 系统硬件的结构设计23

3.1.2系统工作原理及流程24

3.2系统硬件电路的模块设计25

3.2.1微控制器模块25

3.2.2看门狗电路的初设计26

3.2.3超声波发射模块27

3.2.4超声波接收及后续处理模块28

3.2.4发射/接收切换电路34

3.2.5实时时钟、看门狗及数据存储模块34

3.2.6液晶显示模块36

3.2.7 键盘模块37

3.2.8微型打印机的选择40

3.2.9 通讯接口的选择41

3.2.10电源模块42

3.2.11超声波换能器的选择43

3.3 本章小结44

第4章 智能型汽车油耗仪机械部分设计45

4.1 壳体材料的选择45

4.2 外型尺寸的确定45

4.3 控制面板的设计46

4.4 数据线接口的设计47

4.5 油耗仪器内部结构设计48

4.6 超声波换能器装夹结构设计49

4.7 本章小结50

第5章 FPGA的数字系统设计51

5.1  FPGA的芯片选择51

5.2 FPGA内部模块设计51

5.2.1高速计数器模块52

5.2.2时钟信号模块54

5.2.3逻辑控制模块54

5.3 FPGA的接口电路设计54

5.4 本章小结55

第6章 软件系统的设计56

6.1系统软件整体结构及功能56

6.2主要功能模块的设计57

6.2.1系统主程序模块57

6.2.2中断服务程序模块57

6.2.3计算模块的程序设计61

6.2.4数据存储模块62

6.2.5显示模块63

6.2.6按键的去抖功能的程序流程图设计64

6.3 本章小结65

第7章 试验研究及误差分析66

7.1 试验的目的和意义66

7.2零流量下的相关实验66

7.2.1换能器收发信号波形实验66

7.2.2过零检测67

7.2.3零速检测67

7.3实时流量实验68

7.3.1实验方法68

7.4误差分析71

7.4.1管道直径的影响72

7.4.2固有延迟的影响72

7.4.3测量时差的影响72

7.4.4参数的影响72

7.4.5流量修正系数的影响73

7.5温度和压力的修正75

7.6本章小结76

结论77

参考文献78

致谢81

　　　因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。

1.5本设计主要研究内容

　　　我国对燃油消耗量的测量研究已取得一些成果。但是要提高汽车的燃油经济性，就要以燃油消耗量的准确测量为前提。基于超声波技术的燃油消耗检测仪器可以有效提高这种测量的精度。

本文主要研究的内容：

　　　（1）介绍基于超声波技术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；设计本次油耗仪器的结构；

　　　（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；

　　　（3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；

　　　（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流程设计，编写控制程序流程图；

　　　（5）超声波检测仪器的外形设计；

　　　（6）超声波换能器的夹紧机构的设计。第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定

2.1汽车油耗仪器的测量方法与分类

　　　汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。

2.1.1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。

　　　该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,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；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。

　　　（1）容积法、质量法油耗检测原理

　　　如图2.1所示，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）。

　　　本文研究了一种便携式能间接测量的，并且能精确测量汽油车（包括电控喷油式汽车）和柴油车燃油消耗的实用测量装置。本系统在软件系统和硬件系统的控制下，既能实现测量汽车油耗的台架试验又能实现道路试验。这种装置能实现油耗的快速测量，具有测量精度高，测试范围广和抗干扰能力强等优点。它能够实现汽车油耗的定时间测试、百公里测试、等速油耗、加速油耗的测试内容。测试精度高，测试精度为±0.4%。通过设计和试验以及数据处理，得到以下一些结论：

　　　（1）本设计从开始设计就注意各个元器件之间的性能匹配问题，保证系统能够稳定的工作，能最大限度地发挥出测试系统本身的特点。

　　　（2）在硬件电路设计以及电路板设计时，充分考虑到了系统整体性能的优化，尽量用较少的电路和布线来达到简化电路结构，节约成本的同时又实现了设计要求。达到了便携式的要求。

　　　（3）设计体现了低功耗的基本思想。让系统各个部分在需要的时候处于工作状态，其使用时各个部分处于省电的状态。

　　　（4）在硬件部分设计时，查阅大量的与设计相关芯片的资料。这些芯片通过反复的比对在类型、容量、速度、带载能力和功耗等方面，最终确定元器件。

　　　（5）设计出两套简单、实用、测试精度高的标定系统测量精度的试验方案，与别的试验相比，在以不使用价格昂贵的试验仪器为前提下，实现了对测试装置精度的测量。

　　　（6）由于试验条件和时间的限制，本装置在对系统的测试精度进行标定时，燃油体积的读取采用人工的方法，会引起读数上的误差和测试上的不同步。如果用软件自动计时与自动读取油耗量，将会大大提高测试的精度。

　　　（7）测试系统的整体性能还有待进一步优化，从而可以提高其工作效率和提高装置的性价比。

　　　（8）测试功能应该具有自身标定和自校正的功能，还需要进一步开发。

　　　（9）测试时最好能够具有量程转换功能，使得测试精度更加准确。

　　　（10）系统的软件部分最好有能升级更新的功能，同时若系统出现问题，使用者应能方便的对其维护。　　

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内容简介：
SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名迟 宇系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-11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超声波技术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7500万辆。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。基于超声波技术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）介绍基于超声波技术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）确定基于超声波技术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程序流程图的编写与设计。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12张，零件图2张。四、设计（论文）进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告 第12周（2月28日3月13日）（2）方案设计与分析、整理 第34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1112周（5月9日5月22日）（6）校对、完善和打印 第1314周（5月23日6月5日）（7）毕业设计审核、修改 第1516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 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)：38-43.2 YE 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, 357-359.3 原培新，孙丽娜，刘红梅.汽车不解体油耗分析仪检测方法研究J.仪器仪表学报，2006（6）：1136-11394 段允,王让定,孙广清.一种提升时差法超声波流量计精度的方法J.微电子学与计算机,2009(8):28-315 杨志勇,高钦和,刘俊.超声波流量检测系统误差的温度修正研究J.仪表技术, 2008(8):47-506 Tang Huiqiang,Huangweiyi.Ultraonic wind velocity measurement based on DSPJJournal of southeast university(Eng1ish Edition),2005.21(1). 7 吴志敏,苏满红,叶玮渊.时差法超声波流量计流速修正系数的数值模拟J.工业计量, 2008,18(4):1-48 刘秀红,田志宏,果红军.超声波流量计的低功耗高精度时间测量方法J.仪表技术与传感器,2009(10):43-449 李利品.基于DSP的高精度超声波流量控制系统J.仪表技术与传感器,2009(3):132-13310杨志勇,高钦和.提高小管径时差法超声波流量测量系统测量精度的研究J.计量技术, 2008(12):3-711 晁智强,盛锋,韩寿松. 时差法超声波流量计误差分析与研究J. 液压与气动, 2009, (06) . 12 孟华,闫菲,李明伟. 新型时差法超声波流量计J. 仪表技术与传感器, 2007, (08) . 13 王彦芳,王小平,宋万民,蔡承才. 时差法超声波流量计的高精度测量技术J. 微计算机信息, 2006, (16) . 14 石晓娟. 高精度超声波流量计的设计J. 科技创新导报, 2009, (18) . 15 郑鹏,王勇. 一种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现J. 江南大学学报(自然科学版), 2007, (03) . 16 苏满红,吴志敏,叶玮渊. 一种时差式超声波流量计及其简化算法J. 现代电子技术, 2009, (04) . 17 王清伟,邱俭军. 一种提高超声波流量计测量精度的补偿算法J. 声学与电子工程, 2009, (03) . 18 蔡忠兴,赵辉,徐南. 四声道超声波流量计收发电路设计J. 自动化与仪表, 2009, (01) . 19 李广峰,刘昉,高勇. 超声波流量计的高精度测量技术J. 仪器仪表学报, 2007, (06) .20 张兴红, 张慧, 王先全, 冯济琴, 王生宝. 基于ARM的超声波流量计A/D转换电路设计J. 自动化与仪表, 2010, (11)21 刘晓宇, 杨江. 时间比例放大技术在超声波流量计中的应用J. 传感技术学报, 2007, (02)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: 基于超声波技术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B07-11班 学 生 姓 名: 导 师 姓 名: 开 题 时 间: 2011年2月28日 指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日毕业设计（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B07-11班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超声波技术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.研究现状：1.1目前汽车油耗检测方法分类目前汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。1.1.1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。1.1.2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。直接测试法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接入油耗仪,安装不便，历时较长,且存在安全隐患；既破坏了汽车原有结构,又费时费力，影响发动机燃油的供给和油耗测试精度。间接测试法以碳平衡法为主，测量精度较高，但整套测试设备昂贵,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。相对于直接测量法而言，间接测量法要方便的多。由于它不是与被测燃油直接接触，所以降低了安全隐患。由于在不破坏汽车原有结构的前提下安装在被测液体的管道上，所以安装方便，而且不会影响燃油供给和测量精度。2.选题目的和意义：2.1我国经济持续快速发展，对石油资源的需求激增，能源供需矛盾日益突出据公安部交管局发布的数据(按上牌数来计算，这是最权威的数据了)显示，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中汽车8500多万辆，中国目前就汽车保有量已经超过7500万辆左右的日本，仅次于拥有约2.5亿辆的美国，成为全球汽车保有量第二大国。而且我国还以每年新增机动车2000多万辆的数量在增加。2002年中国有将近2050万辆车，当时中国每天大约消耗540万桶石油。而现在我们到底每天需要的石油消耗。根据国际能源组织的评估：仅中国自己就需要世界石油需求增长的40%，中国的能源消费占全球的10%，美国能源消费是中国的两倍，因此中国石油的消费将增长7.6%，每天达920万桶。到2015年中国预计将每天消费石油达到1160萬桶。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。据预测到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。由于经济的飞速发展和机动车保有量急剧膨胀所引起的石油危机将在所难免，为此我国加快汽车节能管理体系的建立和完善。陆续出台了相关标准：轻型汽车燃油消耗量试验方法于2003年出台，解决了制造商在标示汽车油耗值时的随意性，必须按照统一的试验方法得到的数值来标示；乘用车燃料消耗量限值GB19578-2004于2005年7月1日实施。我国首次按车辆重量分组确定不同汽车应该达到的燃料消耗量，实施后汽车厂商要通过产品文件和网络等途径向消费者公示生产车型的燃料消耗量;对于新认证车：第一阶段的执行日期为2005年7月1日，第二阶段的执行日期为2008年1月1日；对于在生产车：第一阶段的执行日期为2006年7月1日，第二阶段的执行日期为2009年1月1日。从2012年开始实施第3阶段，将把车型燃油消耗量作为评价指标，从而取代原先按单车限制的评价方法。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准将不再针对单车采用限值的燃油消耗量评价方法，而是从技术可实现的角度上，以整车装备质量为特征参数，为各个不同的质量段分别设定车型燃油消耗量目标值。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准的目标是使我国乘用车燃油消耗量平均水平在2006年的基础上下降15%左右，到2015年达到7L/100km的目标。轻型商用车燃料消耗量限值（GB20997-2007）为我国的轻型商用车设定了两个阶段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新认证基本型车及其变型车应符合第二阶段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前认证车型的在生产车及其变型车应符合第一阶段限值要求；自2011年1月1日起，适用于本标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求。第二阶段目标实现后，我国轻型商用车的平均燃油消耗量可望减少10%15%。 低速货车燃料消耗量限值及测量方法（GB21378-2008）于6月1 日起实施。这项标准是我国第一项限制低速货车燃料消耗量的强制性国家标准。低速货车是指最高设计时速不大于每小时70公里，最大设计总质量不大于4500千克的货运车营运客车燃料消耗量限值及测量方法JT 7112008规定营运汽油客车燃料消耗量限值在柴油客车燃料消耗量限值的基础上相应增加15%。新投入的营运客车，2008年9月1日起执行第一阶段限值；2010年1月1日起执行第二阶段限值。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定规定从2010年1月1日起，所有最大设计总质量在3500kg以下的乘用车和轻型商用车在销售时都必须粘贴汽车燃料消耗量标识并标注由国家指定检测机构按照统一的国家标准测定的市区、市郊、综合三种工况的燃料消耗量;消费者可以根据购车后的预期使用情况参照相应的燃料消耗量选择车辆。2.2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2.2.1国际燃油价格的不断攀升和厂家的燃油消耗测量存在误差石油在1998年最低点每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶。现在每桶石油价格是105美元，而我们中国每天需要920万桶石油。我们每天就石油一项每天需要96600万美元。虽然我们自己国家开采石油可供应一半市场需求。那我们国家每天也在石油这一项需要支出外汇48300万美元。而2010年我国新增2000万辆新车。这些车都会增加我们多少石油消耗？换而言之是2010年我们需要使用比2009年更多的外汇购买石油！我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。所以经济、节油型汽车就是目前众多汽车厂家研究的对象。而许多汽车厂商也开始推行自己的汽车百公里油耗。但是汽车厂商宣传的百公里油耗，是在理想状态下测出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速测取。因此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。一辆排量2.4L的车，理论油耗为6.2L/100km，而实际油耗却高达10L/100km以上。实测综合油耗与理论油耗相差的竟然如此之大。 因此工业和信息化部公布轻型汽车燃料消耗量标示管理规定：针对总质量在3.5t以下的乘用车和轻型商用车，包括国产和进口车型，在销售时必须粘贴汽车燃料消耗量标识，并标注按照国家统一标准测定的市区、市郊、综合三种工况的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽车燃料消耗量标示数据根据GB/T 19233-2008轻型汽车燃料消耗量试验方法测定。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定,标志着统一标准下的车辆真实油耗即将取代目前车厂所公布的油耗数据。新车将被强制要求在指定检测机构进行燃料消耗量检测,以获得统一标准下的车辆真实油耗数据。这在消费者对各种油耗值信任度下降的背景下,需要一个更专业、更权威的检测数据来正本清源。2.2.2油耗检测机构设置和检测设备精确需要提高（1）检测机构：负责真实油耗检测的机构应该具备高责任心和严谨的态度,对油耗的真实性和准确性负责到底。（2）检测仪器：检测项目、检测精度、仪器成本、使用便利性等应满足要求。2.3汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。这些增长潜在着消耗我们的外汇和我们的环境与身体健康。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200400kg，氮氧化合物50150kg；美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的90%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。我们每年购买石油使用的美元千亿上下！我们近2亿辆机动车，如果全部开动，那么一天就会排出一项一氧化碳就是60万吨。会对人体健康产生多么大的影响？！石油每年消耗我们数千亿美元、机动车每天给我们呼吸的空气中添加一氧化碳60万吨。所以我中国面临着国内的油田产量已经严重满足不了国家与人民群众的需求、必须每年外购千亿美元的石油、使用石油带来的严重的空气污染、等等！这些严重的问题，他迫切的要求我们对汽车燃油消耗进行精确控制，达到节能减排的目的。2004年的产业政策，首次鲜明地提出国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业及相关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车的燃油经济性，明确提出2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车油耗公示制度。国家发改委等相关部门制定的乘用车类汽车的节能目标也与我国的石油资源状况吻合即通过先进节能技术的应用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共计下降50%，也即2020年时乘用车的平均燃料消耗量达到5L/100km，实现与国际水平的接轨。因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题设计内容：（1）介绍基于超声波技术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；设计本次油耗仪器的结构；（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；（3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；（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流程设计，编写控制程序流程图。拟解决的主要问题：（1）针对以往流量计的结构复杂、安装不便、测量精度不高等问题。利用超声波技术的时差法设计一台超声波油耗检测仪器；（2）采用多声路方法进行测量，并通过查阅大量文献、资料，参照流量计算公式以及各权重系数的取值方法，尽量减少由于实际流体的流速分布不均而造成的测量误差，提高测量准确性与稳定性；（3）通过实验检测超声波流量计在工作环境以及安装中易出现的误差，对其提出改进办法，以提高超声波流量计的工作可靠度。（4）完成一台超声波流量计，完成硬件电路的设计与软件程序流程图的编写。3、 技术路线（研究方法）本次课题研究的是基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计。超声波流量测量按原理分为时差法、多普勒法、相关法、噪声法、波束偏移法和空间滤波法等，其中时差法应用最广泛。时差法超声波流量检测主要用于气泡、杂质含量不超过3的纯净流体的测量，其测量电路简单，采用信号自动跟踪、温度自动补偿等先进技术，具有性能稳定、计量准确可靠、仪表运算和测试精度高、安装使用方便和测量范围宽等特点。3.1理解超声波流量计工作原理超声波在流体中传播时, 由于流体的流动, 声波在顺流和逆流时传播速度是不同的。设流体的流动方向如图1 所示。从图中可以看出, 当探头1 发射、探头2 接收时, 声波顺流传播, 所需时间比静态流体时要少。反声波逆流传播时所需时间比静态流体时要长。超声波在流体中的传播速度是静态流体中的声速与流体流速的矢量合成。在一定条件下, 静态的流体中的声速是一定的, 当我们分别测出顺流与逆流时所需的传播时间就可以求得流体的流速。图 1.超声波流量检测原理图3.2时差法超声波汽车油耗检测方法的技术分析时差法超声波汽车油耗检测原理见图2。测量超声波脉冲在同一流体中顺流和逆流传播的时间差，得到被测流体的流速。超声波换能器TRA和TRB采用管外V形安装， TRA和TRB在单片机的控制下，同时发射超声波脉冲和接收对方发射的超声波信号。超声波信号发射后以角穿过换能器斜楔，在换能器界面发生折射，以角穿过管壁，在管壁与被测流体的分界面上发生二次折射，以角穿过被测流体达到对面管壁的内侧面，经反射后超声波信号按相反的顺序进入另一个换能器。图2 超声波流量检测原理图TRA、TRB-超声波换能器；d-油管内径；d0-管壁厚度；D-油管外径；L0-换能器前端面距离；-超声波入射角；-超声波一次折射角；-超声波二次折射角 设超声波信号在被测流体中的声速为c1，在管壁中的声速为c2，燃油在管路中的流速为u，超声波顺流时从TRA到TRB历时t1，逆流时从TRB到TRA历时t2，则：； 式中，Q-被测燃油的流量；k-流量修正系数；c0-温度为0时的声速；kt-被测燃油声速温度系数；T-环境温度。 根据超声波流量计的工作原理，利用单片机控制超声波流量计的开闭，使传感器发出或者接收脉冲信号，并通过接收到的超声波脉冲频率经过A/D转换得到数字的流量信号，再通过信号就可以得到顺流与逆流时的声波流速。利用公式就可以求出一段时间内的燃油流量，从而计算燃油消耗。3.3其研究方案流程图如下所示：收集资料 知识准备理解超声波油耗仪的工作原理通过实验修正 调 试设 计 描 绘 超 声 波 检 测 仪 的 整 体 结 构 图硬件设备的选取 程序流程图的编写描绘控制系统电路图油耗仪器的组装，实验，信号采集外 形 设 计 外壳材料选择外形尺寸确定应用试验调整组装成完整油耗检测仪器实 验完成设计 四、进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告 第12周（2月28日3月13日）（2）方案设计与分析、整理 第34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1112周（5月9日5月22日）（6）校对、完善和打印 第1314周（5月23日6月5日）（7）毕业设计审核、修改 第1516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 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)：38-43.2 YE 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, 357-359.3 原培新，孙丽娜，刘红梅.汽车不解体油耗分析仪检测方法研究J.仪器仪表学报，2006（6）：1136-11394 段允,王让定,孙广清.一种提升时差法超声波流量计精度的方法J.微电子学与计算机,2009(8):28-315 杨志勇,高钦和,刘俊.超声波流量检测系统误差的温度修正研究J.仪表技术, 2008(8):47-506 Tang Huiqiang,Huangweiyi.Ultraonic wind velocity measurement based on DSPJJournal of southeast university(Eng1ish Edition),2005.21(1). 7 吴志敏,苏满红,叶玮渊.时差法超声波流量计流速修正系数的数值模拟J.工业计量, 2008,18(4):1-48 刘秀红,田志宏,果红军.超声波流量计的低功耗高精度时间测量方法J.仪表技术与传感器,2009(10):43-449 李利品.基于DSP的高精度超声波流量控制系统J.仪表技术与传感器,2009(3):132-13310杨志勇,高钦和.提高小管径时差法超声波流量测量系统测量精度的研究J.计量技术, 2008(12):3-711 晁智强,盛锋,韩寿松. 时差法超声波流量计误差分析与研究J. 液压与气动, 2009, (06) . 12 孟华,闫菲,李明伟. 新型时差法超声波流量计J. 仪表技术与传感器, 2007, (08) . 13 王彦芳,王小平,宋万民,蔡承才. 时差法超声波流量计的高精度测量技术J. 微计算机信息, 2006, (16) . 14 石晓娟. 高精度超声波流量计的设计J. 科技创新导报, 2009, (18) . 15 郑鹏,王勇. 一种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现J. 江南大学学报(自然科学版), 2007, (03) . 16 苏满红,吴志敏,叶玮渊. 一种时差式超声波流量计及其简化算法J. 现代电子技术, 2009, (04) . 17 王清伟,邱俭军. 一种提高超声波流量计测量精度的补偿算法J. 声学与电子工程, 2009, (03) . 18 蔡忠兴,赵辉,徐南. 四声道超声波流量计收发电路设计J. 自动化与仪表, 2009, (01) . 19 李广峰,刘昉,高勇. 超声波流量计的高精度测量技术J. 仪器仪表学报, 2007, (06) .20 张兴红, 张慧, 王先全, 冯济琴, 王生宝. 基于ARM的超声波流量计A/D转换电路设计J. 自动化与仪表, 2010, (11)21 刘晓宇, 杨江. 时间比例放大技术在超声波流量计中的应用J. 传感技术学报, 2007, (02)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摘 要近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器-基于超声波技术的汽车油耗检测仪器。基于超声波技术下的燃油消耗检测仪器是一种利用超声波流量计技术测量燃油流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。关键词：超声波换能器、流量、模块、环鸣法、FPGA、串行通讯ABSTRACTIn recent years, Automobile industry has been developing by leaps and bounds, due to the global high-tech is changing and people to the environmental protection and energy saving more attention, all kinds of fuel consumption testing instrument is made, but mostly disintegrated type of fuel detection technology fuel consumption testing instrument, mainly for volumetric method and quality standard. Because this test equipment of structure is complex, especially in the first China promulgated on passenger cars fuel consumption of standard, make cars limit consumption detection more urgent demand, not the disintegration of fuel consumption analysis system development research ministry of science research project is significant. The project including from plan, hardware design, signal processing to software programming and many other topics, the aim of this paper is to design a set of non-dismatiement testing instruments fuel consumption based on ultrasonic technology - the fuel consumption testing instruments.Based on the fuel consumption under ultrasonic technology testing instrument is a use of ultrasonic flowmeter measurement fuel flow and technology through calculation of fuel consumption circuit get a new type of fuel consumption testing instruments.Ultrasonic flowmeter is not disturbed flow field, no moving parts, without pressure loss, high accuracy, stable and reliable performance, wide measuring range and other characteristics, widely used in liquid and gas measurementKeywords： Ultrasonic Transducer, Flow, Module, Ring Sound Method, The FPGA, Serial expertII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1燃油经济性的概念和意义11.2汽车油耗检测的发展概况21.3国内外汽车油耗仪检测研究现状21.4课题研究背景及意义31.5本设计主要研究内容6第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定82.1汽车油耗仪器的测量方法与分类82.1.1直接测量法82.1.2间接测量法102.2超声波流量计发展历程与研究现状102.2.1超声波测量技术发展概况102.2.2超声波流量计国内外研究现状112.3管道流量测量的理论基础132.3.1流量的基本概念132.3.2管道内流体理论142.3.3流速补偿系数对流速公式的修正172.4超声波流量测量的原理182.4.1时差法182.4.2多普勒法202.4.3相关法202.5超声波测量方案的确定212.6本章小结22第3章 超声波油耗检测仪器硬件电路的设计233.1 系统硬件电路的总体设计233.1.1 系统硬件的结构设计233.1.2系统工作原理及流程243.2系统硬件电路的模块设计253.2.1微控制器模块253.2.2看门狗电路的初设计263.2.3超声波发射模块273.2.4超声波接收及后续处理模块283.2.4发射/接收切换电路343.2.5实时时钟、看门狗及数据存储模块343.2.6液晶显示模块363.2.7 键盘模块373.2.8微型打印机的选择403.2.9 通讯接口的选择413.2.10电源模块423.2.11超声波换能器的选择433.3 本章小结44第4章 智能型汽车油耗仪机械部分设计454.1 壳体材料的选择454.2 外型尺寸的确定454.3 控制面板的设计464.4 数据线接口的设计474.5 油耗仪器内部结构设计484.6 超声波换能器装夹结构设计494.7 本章小结50第5章 FPGA的数字系统设计515.1 FPGA的芯片选择515.2 FPGA内部模块设计515.2.1高速计数器模块525.2.2时钟信号模块545.2.3逻辑控制模块545.3 FPGA的接口电路设计545.4 本章小结55第6章 软件系统的设计566.1系统软件整体结构及功能566.2主要功能模块的设计576.2.1系统主程序模块576.2.2中断服务程序模块576.2.3计算模块的程序设计616.2.4数据存储模块626.2.5显示模块636.2.6按键的去抖功能的程序流程图设计646.3 本章小结65第7章 试验研究及误差分析667.1 试验的目的和意义667.2零流量下的相关实验667.2.1换能器收发信号波形实验667.2.2过零检测677.2.3零速检测677.3实时流量实验687.3.1实验方法687.4误差分析717.4.1管道直径的影响727.4.2固有延迟的影响727.4.3测量时差的影响727.4.4参数的影响727.4.5流量修正系数的影响737.5温度和压力的修正757.6本章小结76结论77参考文献78致谢81黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1燃油经济性的概念和意义在当前和今后相当长的一段时期，汽车燃料仍将以石油产品为主。例如:西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的34%-45%；美国交通运输部门消耗国内石油产品的52%。2002年，我国原油产量为1.6亿吨，进口石油则超过7200万吨，耗费200多亿美元。汽车燃油消耗量分别占我国汽油和柴油产量的87%和21%。据统计2010年我国石油进口高达1.6亿吨。此外，由于汽车运输的油耗占汽车运输成本的20%以上。节约燃料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大。例如:同1970年相比，1993年美国汽车平均油耗下降了33%。为此世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的能力，称为汽车的燃油经济性.提高汽车的燃油经济性，从汽车的设计和生产上来讲，改进发动机结构(如发动机的稀燃技术)是一个趋势，从而改善燃油的燃烧状况，提高发动机的热效率，来减少汽车的尾气对环境的污染。并且，汽车燃油经济性与汽车的底盘和发动机的结构和技术状况密切联系，所以汽车的燃油经济性可以作为汽车技术性能的综合考查指标。提高汽车的燃油经济性，即改进燃油的利用率，既可节约石油资源，又可降低我国对石油进口的依赖度;既降低运输成本，又可提高运输效益;并且可减少环境排放尾气污染量，从而改善环境质量。世界各国对提高汽车的燃油经济性都有自己的方法。在2002年年底，美国布什政府出台提高轻型车燃油经济标准的相关法规，它们的第一步是从2002年的20.7MPG(miles per gallon，英里/加仑)提高到2007年的22.2 MPG，即等同于百公里油耗从11.36L/100km减少至10.60 L/100km。根据美国交通安全部的统计数据，此举意味着到2007年，美国的汽油消耗量可以减少25亿加仑（1加仑=0.003785411784立方米）相当于9 463 529 460升。在1999年3月，日本在“能源合理消费法”中已经第二次颁布关于改善机动车性能的公告，在此公告中，分别规定了总质量小于2.5 t的载货汽车和乘用车的油耗限定值，要求和1995年相比，2010年汽油车油耗限定值至少要降低20%。德国要求在汽车制造厂生产的汽车的平均燃油消耗量1980年的为9.25L/100km,1990年的为7.96L/100km, 2005年比1990年降低1/4。综上可见，较好的燃油经济性可以减少汽车的油耗，从而降低汽车的使用费用;进而降低国家总的石油消耗量，缓解国家能源危机。良好的燃油经济性还可以降低汽车CO、CO2、HC化合物及颗粒物的排放，有利于生活环境的改善。1.2汽车油耗检测的发展概况上世纪七十年代中期以前，世界各国还没有强制执行汽车油耗法规或标准。1973年中东石油危机后，世界石油价格飞涨。此时，人们认识到石油资源的逐渐枯竭，也威胁到人类长远的正常生活。许多工业发达国家同时也是石油主要进口国，他们进口的石油有相当大的部分消耗在汽车上，从能源的安全性考虑，如果不控制汽车的油耗，他们的经济发展可能会受控于石油出口国。于是1975年美国政府首先颁布了能源保护法和能源政策，并制订了控制汽车燃油消耗量的法规，成为世界上第一部强制执行的汽车油耗法规。上世纪八十年代以来，世界各国开始关注温室效应引起的全球范围的气候变暖。二氧化碳（)是造成温室效应的主要因素，各种温室气体中约分担了50%的责任，工业发达国家汽车排放的约占该国总排放量的30%-40%。由于汽车的燃油消耗量与的排放量有直接关系。于是，油耗法规的意义不单是能源问题，还关系到环境问题。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能、环境保护的意义重大。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。我国汽车行业从八十年代初就开始了制定汽车油耗标准的工作，制定了测各类车辆燃油消耗量的统一试验方法标准，并颁布了各类车辆的行业性燃油耗量限值标准，如:(1) GB/T 12545-1990汽车燃料消耗量试验方法;(2) JB 3809-1984载货汽车燃料消耗量限值;(3) JB 3806-1984重型载货汽车燃料消耗量限值;(4) GB/T 12545.1-2001乘用车燃料消耗量试验方法;由于这些都是行业性或推荐性的标准，加上油耗检测起来相对麻烦，所以国内多数检测站没有油耗检测项目或者是有而不用，所以把油耗检测真正纳入检测项目中来也是我国有待解决的问题。1.3国内外汽车油耗仪检测研究现状燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，是汽车发动机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是汽车性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽车实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，发动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0.1s，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0.05 1200L/min的液体流量，在标定条件下，精度可达0.5%，响应时间2-10ms。中小功率汽油机燃油流量小，一般在10-3000mL/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量测量的需要。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仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型，流量范围可从1 L/h起，响应时间为200ms精度可达士0.1%。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25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。国内有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。而应用软件与底盘测功机结合进行油耗测量的系统更加少，目前底盘测功机上应用的软件都是一些串口调试软件，通过与油耗仪结合，接受油耗仪的数字信号，通过计算机分析处理，得出油耗结果。现在，国内油耗测试市场还是主要沿用传统的油耗仪测试方法和台架试验方法。1.4课题研究背景及意义由于燃油紧缺对汽车油耗这一参数提出了很高的要求，因此油耗仪作为其检测设备也应具有相应的精度。现有的油耗仪在出厂前通常只通过精密天平或者量筒对其进行标定。长期以来，油耗仪在生产和使用过程中缺乏检验装置进行全面有效检定，导致油耗仪失准，这是现有油耗仪质量失控的主要原因。1、我国经济持续快速发展，对石油资源的需求激增，能源供需矛盾日益突出据公安部交管局发布的数据(按上牌数来计算，这是最权威的数据了)显示，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中汽车8500多万辆，中国目前就汽车保有量已经超过7500万辆左右的日本，仅次于拥有约2.5亿辆的美国，成为全球汽车保有量第二大国。而且我国还以每年新增机动车2000多万辆的数量在增加。2002年中国有将近2050万辆车，当时中国每天大约消耗540万桶石油。而现在我们到底每天需要的石油消耗。根据国际能源组织的评估：仅中国自己就需要世界石油需求增长的40%，中国的能源消费占全球的10%，美国能源消费是中国的两倍，因此中国石油的消费将增长7.6%，每天达920万桶。到2015年中国预计将每天消费石油达到1160万桶。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。据预测到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。由于经济的飞速发展和机动车保有量急剧膨胀所引起的石油危机将在所难免，为此我国加快汽车节能管理体系的建立和完善。陆续出台了相关标准：轻型汽车燃油消耗量试验方法于2003年出台，解决了制造商在标示汽车油耗值时的随意性，必须按照统一的试验方法得到的数值来标示。乘用车燃料消耗量限值GB19578-2004于2005年7月1日实施。我国首次按车辆重量分组确定不同汽车应该达到的燃料消耗量，实施后汽车厂商要通过产品文件和网络等途径向消费者公示生产车型的燃料消耗量;对于新认证车：第一阶段的执行日期为2005年7月1日，第二阶段的执行日期为2008年1月1日；对于在生产车：第一阶段的执行日期为2006年7月1日，第二阶段的执行日期为2009年1月1日。从2012年开始实施第3阶段，将把车型燃油消耗量作为评价指标，从而取代原先按单车限制的评价方法。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准将不再针对单车采用限值的燃油消耗量评价方法，而是从技术可实现的角度上，以整车装备质量为特征参数，为各个不同的质量段分别设定车型燃油消耗量目标值。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准的目标是使我国乘用车燃油消耗量平均水平在2006年的基础上下降15%左右，到2015年达到7L/100km的目标。轻型商用车燃料消耗量限值（GB20997-2007）为我国的轻型商用车设定了两个阶段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新认证基本型车及其变型车应符合第二阶段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前认证车型的在生产车及其变型车应符合第一阶段限值要求；自2011年1月1日起，适用于本标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求。第二阶段目标实现后，我国轻型商用车的平均燃油消耗量可望减少10%15%。 低速货车燃料消耗量限值及测量方法（GB21378-2008）于6月1 日起实施。这项标准是我国第一项限制低速货车燃料消耗量的强制性国家标准。低速货车是指最高设计时速不大于每小时70公里，最大设计总质量不大于4500千克的货运车。营运客车燃料消耗量限值及测量方法JT 7112008规定营运汽油客车燃料消耗量限值在柴油客车燃料消耗量限值的基础上相应增加15%。新投入的营运客车，2008年9月1日起执行第一阶段限值；2010年1月1日起执行第二阶段限值。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定规定从2010年1月1日起，所有最大设计总质量在3500kg以下的乘用车和轻型商用车在销售时都必须粘贴汽车燃料消耗量标识并标注由国家指定检测机构按照统一的国家标准测定的市区、市郊、综合三种工况的燃料消耗量;消费者可以根据购车后的预期使用情况参照相应的燃料消耗量选择车辆。2、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石油在1998年最低点每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶。现在每桶石油价格是105美元，而我们中国每天需要920万桶石油。我们每天就石油一项每天需要96600万美元。虽然我们自己国家开采石油可供应一半市场需求。那我们国家每天也在石油这一项需要支出外汇48300万美元。而2010年我国新增2000万辆新车。这些车都会增加我们多少石油消耗？换而言之是2010年我们需要使用比2009年更多的外汇购买石油！我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。所以经济、节油型汽车就是目前众多汽车厂家研究的对象。而许多汽车厂商也开始推行自己的汽车百公里油耗。但是汽车厂商宣传的百公里油耗，是在理想状态下测出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速测取。因此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。一辆排量2.4L的车，理论油耗为6.2L/100km，而实际油耗却高达10L/100km以上。实测综合油耗与理论油耗相差的竟然如此之大。 因此工业和信息化部公布轻型汽车燃料消耗量标示管理规定：针对总质量在3.5t以下的乘用车和轻型商用车，包括国产和进口车型，在销售时必须粘贴汽车燃料消耗量标识，并标注按照国家统一标准测定的市区、市郊、综合三种工况的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽车燃料消耗量标示数据根据GB/T 19233-2008轻型汽车燃料消耗量试验方法测定。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定,标志着统一标准下的车辆真实油耗即将取代目前车厂所公布的油耗数据。新车将被强制要求在指定检测机构进行燃料消耗量检测,以获得统一标准下的车辆真实油耗数据。这在消费者对各种油耗值信任度下降的背景下,需要一个更专业、更权威的检测数据来正本清源。3、汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。这些增长潜在着消耗我们的外汇和我们的环境与身体健康。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200400kg，氮氧化合物50150kg；美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的90%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。我们每年购买石油使用的美元千亿上下！我们近2亿辆机动车，如果全部开动，那么一天就会排出一项一氧化碳就是60万吨。会对人体健康产生多么大的影响？！石油每年消耗我们数千亿美元、机动车每天给我们呼吸的空气中添加一氧化碳60万吨。所以我中国面临着国内的油田产量已经严重满足不了国家与人民群众的需求、必须每年外购千亿美元的石油、使用石油带来的严重的空气污染、等等！这些严重的问题，他迫切的要求我们对汽车燃油消耗进行精确控制，达到节能减排的目的。2004年的产业政策，首次鲜明地提出国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业及相关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车的燃油经济性，明确提出2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车油耗公示制度。国家发改委等相关部门制定的乘用车类汽车的节能目标也与我国的石油资源状况吻合即通过先进节能技术的应用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共计下降50%，也即2020年时乘用车的平均燃料消耗量达到5L/100km，实现与国际水平的接轨。因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。1.5本设计主要研究内容我国对燃油消耗量的测量研究已取得一些成果。但是要提高汽车的燃油经济性，就要以燃油消耗量的准确测量为前提。基于超声波技术的燃油消耗检测仪器可以有效提高这种测量的精度。本文主要研究的内容：（1）介绍基于超声波技术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；设计本次油耗仪器的结构；（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；（3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；（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流程设计，编写控制程序流程图；（5）超声波检测仪器的外形设计；（6）超声波换能器的夹紧机构的设计。第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定2.1汽车油耗仪器的测量方法与分类 汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。2.1.1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。该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,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；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。（1）容积法、质量法油耗检测原理如图2.1所示，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）。 图2.1 油耗检测原理发动机进、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。（2）油耗测量计量方法容积法测量。在测量范围内,传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比,该比值即体积仪表系数K,计算公式:或 （2.1） 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。将仪表系数 K预先置入单片机中,单片机即可由获得的流量脉冲频率 f 与仪表系数K之比求得管道燃油流量Q。质量法（失重法）测量，如图2.2所示。图2-2 质量法（失重法）测量原理图中：1-密封贮油罐 2-质量传感器 3-信号处理4-电路电磁阀 5-供油管 6-出油管 7-旁通管密封贮油罐固定于质量传感器之上,质量传感器输出与油罐内的燃油质量成正比的电信号： （2.2）式中为油罐自重；为罐内燃油质量；为贮油罐总质量。测量时,传感器输出的电压信号随着油罐中燃油的消耗而降低。对测量过程传感器输出的电压信号求导，k为仪表常数： （2.3）2.1.2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）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。（3）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。2.2超声波流量计发展历程与研究现状2.2.1超声波测量技术发展概况超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术。这种技术不仅应用在工业的石油、水资源的管理等各方面，而且在医疗、海洋观测、河流及各种计量测试中都有着广泛的应用。20世纪30年代，Rutten发表的专利提出了用声信号测量流量，带动了各国超声波流量测量的研究，如美国、意大利等相继出现，但都没有大的进展，都局限十对相位差法的研究。50年代，出现“鸣环”测量法，即通过多次循环测量，其测量周期长，响应慢，系统可靠性差。20世纪70年代中后期，由于电路技术的发展，使得超声波流量计克服了一些以前的弱点，使高精度时间测量成为可能，加上具有高性能的锁相环(PLL)技术的应用，使得超声波流量计的性能开始完善，在稳定性和可靠性方面得到了提高。声速变化会对测量结果产生影响，所以出现了频差法，来消除声速带来的误差。锁相频差法测量方法，测量周期短，响应速度快，所以这种测量方法在大管径大流量的超声波流量计的设计得到应用并且测量精度得到保证，但缺点是不能应用在小管径小流量的测量，保证不了测量的精度。加上前苏联的科研工作者通过大量的实验对管道内流体作了深入的研究，得出管道内流体流动存在层流和紊流两种状态，并给出了层流状态与紊流状态下流速分布规律，为了使超声波流量计的测量更加准确，精度得到提高，提出了流速修正系数及理想状态下的理论计算公式。至此，性能日益完善的超声波流量计投入市场，开始迅速发展起来。到了80年代，随着电子技术及相关理论的发展，超声波流量计的种类也越来越多，其中最主要的是频差法、时差法、多普勒法、相关法、射束位移法等。后来单片机技术在超声波流量计得到应用，有了单片机做核心控制处理单元，使得系统能够进行复杂的数据运算、分析与逻辑处理，还能设计出方便于用户使用的人机界面，使得超声波流量计向高性能、智能化方向发展。单片机在超声波流量计中的使用，超声波流量计真正开始走向了成熟。最近10多年来，由于微处理器技术的进步、高速数字芯片的出现和数字信号处理技术的成熟，以及先进压电陶瓷和材料加工技术的发展，对超声波声道的不同配置和对流体动力学的深入研究，超声波流量测量技术取得了巨大的进步，在越来越多领域得到了应用，具有广阔的发展前景。2.2.2超声波流量计国内外研究现状当今全世界超声波流流量测量技术处于领先水平的国家有:美国、日本、荷兰、德国、英国、和加拿大等。它们在超声波流量计方面具有较高的技术，在研制和生产方面具有丰富的经验，占据了很大部分份额的超声流量计市场，主导着超声波流量计的发展趋势。他们的测量技术和测量精度都达到了较高的水平。较多的国外产品采用数字信号处理技术。同时结合功能强大的DSP（数字信号处理Digital Signal Processing技术）实现快速实时地对超声波信号进行处理，并实现一些复杂的测量或数据处理算法。在测量方法方面有的利用改进的算法，来提高系统的测量精度，使得超声波流量计得到更广泛的应用。我国对超声波流量计的研究起步较晚，发展时间并不长。早期使用的都需要从国外购买。后来通过科研人员的努力，引进国外先进技术，使得超声波流量计发展起来。国内生产超声波流量计厂家主要有唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、上海自动化仪表有限公司、大连长风电子有限公司、大连索尼卡电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。但是我们的产品和国际水平还是存在较大的差距，我们大多采用简单的算法和以单片机为系统核心进行信号处理，使得在信号处理速度和精度上受到限制。 （a）1010P 便携式超声波流量计(b)FV3018固定式超声波流量计厂商：美国康了创Controlotron厂商：大连索尼卡电子有限公司（c）TDS-100H 手持式超声波流量计（d）TDS-100S 盘装式超声波流量计厂商：上海横特自动化仪表有限公司厂商：大连大禹仪器仪表有限公司图2.3 超声波流量计产品图目前国内外较多的采用多普勒法和时差法来实现超声波流量测量技术。但在应用对象上有一定区别，其中多普勒法主要用于含有较多的悬浮颗粒和气泡的场合，时差法主要用于测量均匀纯净的流体。有些场合也采用两种混合的方法。近年来由于大规模集成电路技术的发展，数字处理技术越来越成熟，DSP芯片的功能日益完善与强大，以其精度高、处理速度快、性价比高等优势，被越来越多的领域所使用，为超声波流量计的发展提供了有利条件，以及高精度测时芯片的出现，为时差法超声波流量计的计时精度提供了保证。以软、硬件资源丰富的DSP为处理核心的超声波流量计来广泛取代国内的以单片机为核心的超声波流量计，并结合一些数字信号处理技术来对信号进行处理分析等，来改善超声波流量计的测量精度，使我国的超声波流量测试技术能与国外技术相抗衡，带动科学技术的发展，更好的为国民经济作出贡献。图2.3给出了几种超声波流量计产品的照片，美国康乐创的IOIOP便携式超声波流量计，采用外火式安装换能器，内置时差式和I多普勒式两种测量技术，既可以测量脱离子水也可以测量高含气或固体颗粒的液体，可测量的管径范围从6mm到10m,精度为0.5%,。大连索尼卡的FV3018是管外测量时差式超声波流量计，测量管径从15mm到6m，精度为士1.0%。上海横特自动化仪表的TDS-1 OOH手持式超声波流量计，采用时间差超声测量原理，适用管径范围为15mm到6m,精度优于1%。大连大禹仪器仪表的TDS-100S盘装 式超声波流量计，口径也是15mm到6m，是国内最先到达精度为1%的超声波流量计。2.3管道流量测量的理论基础2.3.1流量的基本概念流量是指单位时间内流过某一截面的流体量，又称为瞬时流量。流量又分为质量流量和体积流量，质量流量是指单位时间内流过流体的质量，体积流量是指单位时间内流过流体的体积。质量流量一般用表示，体积流量一般用表示。用数学表达式可以表示为 （2.4） （2.5） 式中: -体积流量，； -质量流量，； -流体体积，； -流体质量，； -时间，； -流体密度，； -管内面平均流速，m/s； -管道截面积，。如果流体流动是不随时间显著变化的，称之为常流，式(2.4)和式(2.5)中的时间t可以取任意单位时间。如果流动是非定时常流，即流量随时间不断变化，则式(2.4)和式(2.5)中的时间t应足够短，以致可以认为在该段时间内流动是稳定的。所以流量的概念是瞬时的概念，流量是瞬时流量的简称。在一段时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体总量称为“累积流量”，也常被称为“总量”。在数值上它等于流量对时间的积分，例如时刻到时刻的累积体积流量和累积质量流量的计算公式为： （2.6） （2.7）2.3.2管道内流体理论 1.管道内流体的流动状态由于实际流体具有粘性，当实际流体在管道中流动时，一般有两种流动状态，一种是层流流动，一种紊流流动。这是两种性质截然不同的流动状态，流速的计算方法也不相同。层流状态是指管内流体只有轴向的运动，而无垂直于流体流动方向的横向运动。层流流动时，管内流体分层流动，各个流层之间互不混杂，平行于管道轴线方向流动，流层间没有流体质点的相互交换。流体通过一段管道的压力降与流量成正比。紊流状态是指流体质点既有轴向的运动，也有横向的运动。紊流流动时，管内流体不再分层流动，流体中质点除了沿管道轴线向外流动外，还有剧烈的径向运动，流体通过一段管道的压力降与流量的平方成正比。区分管内流动是层流流动还是紊流流动的判断依据是一个无量纲数，称为雷诺数，用R。表示.2.管道内流体的流速计算方法在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布。这是由于实际流体都具有粘性而造成的。一般规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁的粘滞作用，流速越小，管壁上的流速为零;越靠近管中心，由于流体与管壁的这种粘滞作用越小，流速就越大，管道中心的流速值达到最大。管道内的流动状态不同，所呈现的流速分布也不同。人们在长期的生产实践中对管内的流体流速分布做了不少的研究，提出了很多流速分布模型。下面只介绍一种比较简单的流速分布模型。即层流流动时： (2.8）紊流流动时: （2.9）式中： -管道中心的径向距离，； -距管道中心Yx处的流速，m/s； -管道中心的最大流速，m/s； -管道半径，m； -随雷诺数变化而变化的指数，无量纲数。通过检测流体速度来求得流量的速度式流量计，一般都是检测管道内流体的平均流速来求得流量的。在流量测量中，平均流速是一个很重要的参数，如计算雷诺数和流量等数据时，只要用到流速的地方，几乎都是用平均流速来计算的。所谓平均流速，就是指管道截面上的平均流速。当管内流体以某一流速均匀分布时，通过管道某截面的流量正好等于管内流体以某一速度分布时通过该管道截面的流量，则就是该截面上速度分布为时的平均流速。其数学表达式为： （2.10）对于圆管，将代入上式，得到层流状态下的平均流速为: （2.11）紊流状态下平均流速为： （2.12）对于超声流量计，由于声波并非经过整个管道截面，而往往是经过管道的中心轴方向，所以它测量的流速是管道中心轴方向的平均流速，一般记为v.其数学表达式为： （2.13）对于圆管，将代入式(2.10)，得层流状态圆管内中心轴向上的平均流速为： （2.14）截面平均流速为： （2.15）紊流状态下，圆管内中心轴向上的平均流速为： （2.16）则截面平均流速为： （2.17）2.3.3流速补偿系数对流速公式的修正 测量流体通过某截面的流量时，需要测量垂直截面的面平均流速，而从穿过流体的超声波信号中检测出的流体流速是沿超声波传播路径上的线平均流速，它们的关系应从流体力学中加以修正。线平均流速与面平均流速的差异，取决于流速的分布情况。当管道线平均流速值为V时，它与截面平均流速，之比称为流速补偿系数。由流体力学可知，流速补偿系数K取决于管道的雷诺数，而又取决于流体的流速、管径和流体的粘度等因素。其值可查找相关图表得到，也可通过计算得到，当流体在圆形管道内流动时，可以写成 (2.18)式中: -管内流体的线平均流速， -管道内径， -管内流体的流动粘度，的大小决定了流体的流动状态，与的关系根据流体的流动状态不同而不同，可用如下公式计算：1、当流体呈层流状态时： （2.19）2、当流体呈紊流状态时： （2.20）3、当流体流动状态介于层流状态与紊流状态之间时： （2.21）以上K的计算公式都是基于这样一种假设前提：即换能器的安装起点前后有足够的直管段。事实上，由于流速分布规律的复杂性，特别是对紊流状态下的流速分布规律，还没有十分准确的认识，因此如何得到比较精确的K值是制约超声流量计进一步提高测量精度的关键问题之一。但是到目前为止，由于管道流体流速分布规律的复杂性，人们对流体流速分布规律和流速分布的研究仅限于理想管道流，即光管层流条件下的流体流速分布规律和光管紊流条件下的流体流速的分布规律。2.4超声波流量测量的原理超声波流量计按其测量原理其常用的测量方法有：传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、流速-液面法等，各种方法在流量测量测量中具有自的特点，可以根据被测流体、精度要求等来选择哪种类型的超声波流量计。最常用的是时差法（传播速度差法）和多普勒法。2.4.1时差法传播速度差法是根据超声波信号在流体介质中，受介质流速的影响，导致顺流传播和逆流传播速度不同，从而来计算流速，进而求得流量的。按所测物理量的不同可以分为时差法、频差法和相位差法。就超声波探头的配置方法不同，传播速度差法又分为：Z法(透过法)、v法(反射法)、x法(交叉法)等，如图2.4所示。 Z法(透过法) v法(反射法) x法(交叉法)图2.4 传播速度差法的基本配置法 当流体平行于管道中心轴方向流动时，采用直接透过法(z法)测量，能够得到较好的精度。当流动的方向与管道中心轴不平行或存在着沿半径方向流动的速度成分时，采用发射法(v法)，可以避免由速度分量产生的误差。当换能器安装间隔受到限制时，可用v法的变形方法交叉法(x法)。图2.5 传播速度差法原理图时差法是利用超声波在流体中传播的时间频率差来测量的。如图2.5中，超声波在静止流体中的速度为c，流体的速度为V，管内径为D，发射角为。顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为： （2.22）逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为： （2.23）传播时间差为： （2.24）由于超声波传播速度c远远大于流体速度，故可以认为，得 （2.25）由此可得： （2.26）而时间差可以用控制电路来进行控制。2.4.2多普勒法多普勒超声波流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的。多普勒效应可表述为:当发射器和接收器之间有相对运动的时候，接收器所接收到的声频率就会发生改变，这个相对于声源频率的变化就是多普勒频移，其大小是正比于发射器与接收器之间的相对速度。发射角为，则多普勒频移为 （2.27）所以可通过测量得到流速： （2.28）这种方法测量的超声波流量计不但具有一般超声波流量计的优点，如可安装在管外,无流动压损等，而且在测量时响应灵敏、分辨率高，不易受流体的状态参数等的影响，但它的测量精度会受固体颗粒大小、浓度的影响，所以主要应用于精度要求不高颗粒及杂质比较多的不均匀流体流量测量，利用多普勒频移来获得流量，在比较洁净的流体中就难以发挥作用。2.4.3相关法相关法是建立在信息论和随机理论的基础上，相关法流量计是流动标记法的一种，它的原理是：大多数流体在管道内以相关方式运动的湍流模式存在的，流动介质中可以观测到的某种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间，来求取流速及流量。如果在固定点上安装两对探头，接收探头接收到的信号在时域上是接收探头接收到信号的一个简单延迟，其延时就是示踪标记的渡越时间，设两探头间的距离为，得到 （2.29）的求取是通过互相关法得到的。两组信号的互相关函数可以表示为： （2.30)当延时时，的值很小； 时，两组信号重合，达到最大。相关法具有较高的抗干扰性，测量的准确度高，多用于两相流的流速测量中，可以采用多个控制截面来提升系统的测量精度。但是它的缺点是需要多个超声波传感器，从而增加了成本，线路也变得复杂。2.5超声波测量方案的确定从前面分析的几种超声波流量计的原理及各方面的要求出发，同时考虑到本超声波测试系统测量的是不含杂质的液体，本文采用时差法进行测量。时差法是利用超声波在流体中传播的时间差来测量的，控制方法分别以顺流/逆流超声波发射时间及时差公式（2.22、2.23、2.24）可得到传播时间差。进而得到在内的传播速度。再利用公式 （2.31） （2.32）来求得流速，再利用公式2.32（流量公式）从而算出流量。所以测出流速是本文的重点，而测流速关键又在于顺流传播时间和逆流传播时间的测量。测量流速公式中不含声速c，提高系统测量精度。为了降低成本，采用两个探头，两个换能器的切换控制原理如图2.3所示，两个探头火装在管道的外面，顺流传播时，探头A发射超声波，探头B接收载有流速信息的超声波信号；逆流传播时，B发射，A接收，两个探头交替地发射和接收超声波信号，并且采用Z法安装，两个探头收发复用，利用控制电路对其收发进行切换。就可以实现A、B的收发复用的转换了。图2.6 换能器切换控制原理图考虑到系统的响应速度和数据处理能力，利用程序芯片进行计算就可以得到需要的测量值。其过程大致可以分为如下情况：第一，超声波信号的发射与接收过程，放大、滤波电路进入主程序。第二，在核心处理部分，进行顺流传播时间与逆流传播时间的测量，流量的计算等;第三，最后得出流量输出，通过串口输出或者打印。2.6本章小结超声波应用到流量计量当中也是当今人们越来越关注的问题。在本章中介绍了燃油消耗仪器的分类方法和超声波流量计的发展历史与研究过程以及超声波法测量流量的测量原理。然后针对管道流体理论对流体在管道中的流动状态进行了分析，给出了流体流速的计算公式，并且讨论了流速补偿系数对流速计算公式的影响，最后说明了各种情况下对流速公式的修正方法。然后对宽波束时差测量方法进行了分析，指出了本设计中所使用的宽波束测量方法相对传统窄波束测量的优势。最后对“环鸣法”的概念、基本原理和该测量方法特有的优势等内容进行了详细的介绍。这成为本文的理论基础。本文就是基于超声波技术的汽车油耗检测仪器的设计。本章首先介绍了流量的一些基本概念，流量计算的基本公式。在分析与比较了各种超声波流量测量基本原理的基础上，针对各种测量方法的特点和课题的基本要求，提出了应用超声波的时差法来测量计算燃油流量。第3章 超声波油耗检测仪器硬件电路的设计3.1 系统硬件电路的总体设计3.1.1 系统硬件的结构设计 超声波油耗检测仪器就是采用超声波流量计来测量流过主输油总管的燃油流量减去流出回油管路的燃油流量而得到消耗的燃油量的思想设计的。其整个工作过程都在主控电路的控制之下，根据流量计的具体需要，本设计中采用单片机作为控制电路的核心。流量计所有的控制功能都是由单片机和其外围器件完成的。本次设计的燃油消耗仪器的硬件系统的总体结构如图3.1所示。本次的燃油消耗仪器采用89C52单片机作为主控芯片，与FPGA（现场可编程逻辑阵列）配合完成整个系统的时序控制，FPGA还负责超声波换能器触发信号的产生，以及与键盘模块、显示模块和数据存储模块一起完成数据的存取和信息的人机交互。而FPGA内部集成了系统中包括高速计数器在内的数字电路，通过它实现传播时间差的高精度测量。FPGA的引入不但简化了系统硬件的设计，而且提高了系统的稳定性、可靠性和可升级性。 图3.1 系统结构简原理图模拟电路模块由超声波信号发射电路，发射/接收转换电路和信号接收及预处理电路组成，其中接收及预处理电路包括，超声波信号接收及放大电路、滤波电路以及采样选通和过零比较电路。从图中我们可以看到为了尽量减小模拟信号与数字信号的相互干扰，我们把系统分成两块来设计。各个模块在单片机控制下相互配合，共同组了系统的硬件电路结构。 3.1.2系统工作原理及流程 开 始发射顺流超声波触发脉冲发射逆流超声波触发脉冲计数器渡越时间计数并保留计数值计数器渡越时间计数并保留计数值与之前测量值取平均与之前测量值取平均是否完成预设发送次数是否完成预设发送次数分别读取主油路回油路的顺逆传播时间的平均值读取计算参数流速流量计算显示计算结果图3.2 系统工作流程图首先，系统读取数据存储器中预设的测量参数及历史信息后，单片机向顺流超声波换能器A和C输出触发群脉冲，同时通知FPGA中的高速计数模块开始计数。触发信号经驱动电路激励换能器A产生超声波，换能器B和D接收到超声波信号后，将这个微弱信号送到由前置放大电路，带通滤波电路，峰值检波电路，过零比较电路，脉冲展宽等电路组成的接收信号预处理模块进行处理。确认成功收到超声波信号后及时通知FPGA的高速计数器停止计数，计数值代表的超声波在管道中的顺流传播时间暂存于FPGA的寄存器中，并通知单片机可以开始下一次发射，根据系统需要完成多次顺流测量后，保存顺流传播时间平均值和，通知单片机。用多次测量的平均值作为超声波渡越时间，可以减小误差，提高测量精度。后单片机对逆流超声波换能器输出触发群脉冲，通过FPGA的定时器模块控制模拟开关实现发射/接收电路的切换，重复前面的过程得到逆流传播时间平均值和。单片机读取这些数据后通过计算可得到流体流速、流量，并将结果送到LCD上显示出来。并且在此常规过程中，我们可以通过键盘中断实现显示界面的切换。系统工作流程图如图3.2所示。3.2系统硬件电路的模块设计3.2.1微控制器模块1、单片机的选择根据前面的介绍单片机作为整个系统的控制核心，主要完成系统时序的控制、超声波触发信号的产生、测量数据的接收和处理以及控制键盘显示等功能。而且在上学年的单片机实验课上对MCS-89c52单片机有了一个初步的了解。所以本设计选择ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存储数据存储器(RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，功能强大的AT89C52适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C52的主要性能参数： (1)、8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器。本系统中，单片机为控制核心，主要工作为控制系统整体工作流程并计算气体流速和流量，AT89C52的存储器容量和运行速度可以实现以上功能；（2）、256字节内部RAM，用十存放系统软件运行过程中的临时变量； (3)、32个双向I/O口；（4）、3个16位定时/计数器；（5）、 8个中断源；（6）、可编程串行DART通道；（7）、低功耗空闲和掉电模式。2、单片机的引脚配置AT89C52引脚配置如图3.3所示：图3.3 AT89C52引脚分配示意图（1）、P0.1接收来自FPGA计数器的计数结束信号；（2）、P0.2,P0.3,P0.4与铁电存储器芯片FM31256的SCL,端相连；（3）、P0.5,P0.6,P0.7与LCD制器HT1621B的CS, WR,DATA端相连；（4）、P1口为自FPGA计数器计数结果的8位并行输入口；（5）、P2.0连接拉高电阻，为了控制打印机和串口的切换；（6）、P2.1输出超声波顺流/逆流传播方向选择信号；（7）、P2.2连接主油路顺流超声波换能器触发群脉冲；（8）、P2.3连接主油路逆流超声波换能器触发群脉冲；（9）、P2.4,P2.5，P3.2接键盘矩阵；（10）、P2.6连接回油路顺流超声波换能器触发群脉冲；（11）、P2.7连接主油路逆流超声波换能器触发群脉冲；（12）、P3.0,P3.1接打印机和485串口。3.2.2看门狗电路的初设计系统在运行过程中，由于外界的干扰，可能造成系统软件运行紊乱，俗称程序“跑飞”。因此增加看门狗电路使软件运行出现错误时能够自动恢复，从而增强系统的稳定性和可靠性。本系统在设计之初拟采用美国Xicor公司出品的看门狗监控芯片X5045设计看门狗电路。由于本设计需要用到储存芯片作为缓存，而且FM31256（铁电储存芯片）储存芯片兼具有看门狗和时钟功能，所以后来在设计存储模块时采用了美国RAMTRON公司铁电存储芯片FM31256，该芯片在作为非易失性存储器的同时兼具有看门狗和实时时钟功能。因此该部分介绍详见后面的存储模块章节。3.2.3超声波发射模块超声波的发射和接收是超声波流量计系统的重要组成部分，而发射传感器的发射信号直接影响接收信号的好坏，除了要求超声波传感器性能优良外，与之配套的发射电路的设计也非常重要。超声波触发方式可分为单脉冲触发、脉冲群触发和连续脉冲触发。根据超声波流量计系统的特点，我们选择脉冲群触发的方式。而选择脉冲群触发的方式，每组脉冲群中包含的脉冲个数是要考虑的，脉冲数量多，由于叠加使超声波信号的能量增大，这样益于换能器的接收。但是脉冲数量越多，连续两次测量间所需的时间间隔就越大，否则会造成接收信号的无法分辨，一般的文献中是建议取48个脉冲，但是根据实际实验和计算，我们采用每组5个脉冲的群脉冲触发方式。图3.4 超声波发射模块由于汽车发动机的主供油管路的直径很小，所以本系统设计为小口径的管路超声波流量计，因此我们并没有采用传统的使用大功率场效应管和变压器产生高压脉冲的方式来激励超声波换能器，而是使用双通道的高速MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）驱动器TPS2811，以低压方式来激励换能器，激励电压为12V。使换能器发出200K的超声波作为测量用。单片机送出的脉冲经过7407芯片（反向缓冲器/驱动器）， TPS2811的电平转换来驱动换能器发送超声信号。TPS2811能够给高电容负载提供高达2A的峰值电流。如图3.4所示，R1为上拉电阻。当需要发送 12V高电平的信号时，TP2811开关S选择12V，这时需要7407将信号电平转换来满足要求。TPS2811的输入为非三态的，二极管D1是为防止在停止发送后，信号会通过2811的输入段漏掉。图3.5是激励电压的波形，可以看到其波形稳定，上升沿陡峭，实验表明该电路在低压下能较好的激励超声波换能器。图3.5 超声波换能器激励电压波形3.2.4超声波接收及后续处理模块该部分电路负责将换能器接收到的超声信号进行放大、滤波和比较。信号处理电路的要求很高，其中过零比较电路产生计数结束信号直接影响最终计时结果的精度。3.2.4.1接收及放大电路通过前面超声波换能器的介绍，我们知道超声波信号的接收利用的是压电元件的正压电效应，将超声波信号转换成电信号。本系统中超声波的发送和接收用的是同一个换能器，所以超声波换能器不仅与发射电路连接还与接收电路连接，图3.6是超声波接收及放大电路部分原理图。Dl，D2两个二极管为硅管1N4148，作用非常重要，在换能器作为发射用时，将集成运放输入端的电压钳制在最大的0.7V，对放大电路起到保护作用。电阻起限流作用，需要较大额定功率。模拟开关4066（四双向模拟开关）在发射端发射完毕后一个特定时间打开，允许接收信号进入后续放大处理电路，以避免由于干扰信号引起的计时结束误判，并且实现对放大电路的二级保护作用。4066的通断由FPGA输出的开关量控制。图3.6 信号接收放大电路模块放大电路中采用的是宽带双运算放大器TLE2072。TLE2072是使用德州仪器公司互补双极增强工艺制造的低噪声、高性能、高速、内部补偿JFET输入运算放大器。它把低噪声和良好的输出驱动能力、高转换速率和宽带宽组合在一起，完全满足系统设计的需要。TLE2072中有两个运算放大器，构成了两级负反馈放大电路。接收换能器把接收到的超声脉冲转化成比较弱的电信号，经两级负反馈放大电路，使信号达到电路能够处理的信号的要求。下图是参考的经过放大后的接收信号。图3.7 经放大后的超声波信号3.2.4.2滤波电路接收到的超声波信号通过前置放大电路后，信号与噪声同时被放大，高品质因数的带通滤波器的引入可以保留所需频率的信号，削弱其他的噪声部分，为后续电路提供高信噪比的信号。本系统采用MAXIM公司的连续时间模拟集成有源滤波器MAX275芯片对信号进行带通滤波。MAX275由两个独立的二阶节组成，每个二阶节可以通过外面电阻的调节实现Butuerworth,、Bessel、Chebysev型带通或低通滤波器。MAX275与开关电容滤波器相比表现出低噪声以及连续时间范围内出色的动态性能。由于不需要时钟，也就不存在时钟噪声。MAX275中心频率高达300KHz，精度为士0.9%，整个工作温度范围内THD的典型值为-86dB。 MAX275的操作电压为+5 V或者士5V。利用MAX275设计滤波器非常方便，以本系统所需的带通滤波器为例，我们需要中心频率200KHz，带通滤波器的增益Hosr为1，设计Q值为12，则带通滤波器的带通宽度为16. 6KHz。当中心频率、Q值及增益Hosr确定后，、可由下面的公式得到： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)其中，RX/RY的值是由管脚FC的连接方式决定的，在此将FC管脚接地，RX/RY的值取1/5，考虑到电阻选择的可行性，我们取，推导计算品质因数。这里需要注意的是，外接电阻的取值为5K-4M。这样既能驱动运放又不会产生较大的寄生电容。所以外围电阻的取值为，外围电路的连接如图3.8所示。我们通过两个二阶节的级联构成了一个四阶 Butuerworth（巴特沃斯低通滤波器）型带通滤波器。相比使用的运放和R,C电路组成的普通滤波器，使用MAX275（四阶和八阶连续时间有源滤波器）解决了计算复杂，参数难调整，寄生电容的干扰以及Q（品质因数）值难做高等问题。图3.8 四阶带通滤波器电路3.2.4.3采样选通部分1、设计思想计数器的计数准确度是超声波流量计测量精度的关键因素，准确的打开和关闭计数器相当重要，此采样选通部分就是为了避免由噪声和换能器拖尾信号对计数停止信号的产生带来的影响。通过由运算放大器组成的幅值电平跟踪电路，确认正确收到了超声波信号，从而选通过零比较电路以产生计数器停止信号，原理图如图3.9所示：采样选通电路主要由模拟开关CD4066（四双向模拟开关）、运算放大器TLE2072和比较器MAX912组成。电路中C1-1, C1-2, C2-1, C2-2，C3-1，C3-2,C4-1,C4-2分别为储能电容,其中C1,C2,C3,C4分别为超声波换能器A、B、C、D的触发电路中的储能电容。图3.9中只画出了A换能器采样选通模块原理图并以换能器A的采样选通模块电路原理为例。说明其它各个换能器的工作原理。如图3.9所示由运放构成幅值采样电路，将前次接收到的幅值保存并与本次的比较。4538为单稳脉冲展宽电路。图3.9 超声波换能器A采样选通模块原理图2、峰值采样以主油路超声波换能器触发信号为例。通过FPGA中由定时器组控制输出的开关量信号作为模拟开关的控制信号T1、T2、T3、T4，以此来协调采样电路的工作。T1、T2、T3、T4的时序可以说明峰值采样电路的工作流程：图3.10 主油路峰值采样电路工作流程图（1）、T1对应A路的储能电容C1-1放电，B路的储能电容C2-2放电。（2）、T2对应A路对接收到的信号进行峰值采样，并将采样的值通过电容C1-1保存。同时B路将C2-1保存的上次采样的峰值传递给C2-2。（3）、T3对应A路的储能电容C1-2放电，B路的C2-1放电。（4）、T4对应A路将C1-1中保存的峰值传递给C1-2，同时B路对接收到的信号峰值采样，并将采样值保存在C2-1。3、过零比较电路选通信号的形成由于管道中的流体流速的变化，接收到的信号包络幅值也会变化，但是由于幅值变化是一个连续的过程，所以可以用上一次接收信号的峰值与本次的比较。本轮收到的超声波信号与保存在储值电容中的上轮接收信号的幅值进行比较，产生过零比较电路中比较器的选通信号。实际中的比较电平，通过可调电阻分压调节，这里比较关键的一点是，保证比较电平的增益与放大电路出来的信号增益相同，这需要通过实验调节，由于计数器的打开时间是触发群脉冲的第一个脉冲产生的时间，但是这里关闭计数器的时间是峰值电压附近，这样就有误差，需要在最后计算中减去接收信号峰值前面几个波形的时间以保证计时的准确性，通过实验研究，我们是以第四个脉冲作为计数的停止信号。对放大器出来的信号比较得到的是脉冲信号，为了选通过零比较电路中的比较器MAX912-2（高度比较器），通过一个单稳脉冲展宽电路74HC 4538（双通道可再触发精确单稳态多频振荡器可将脉冲展宽）将第一个脉冲展宽。脉冲展宽的宽度由R22和 C3的乘积决定。实际电路中R22为，C3为，展宽后脉冲宽度为。图3.11是74HC4538芯片工作前后的波形图的对比情况。图3.11 74HC4538的工作波形4、过零比较电路利用展宽后的脉冲去选通电路中比较器MAX912-2（高速比较器），比较器2此时输出一个脉冲信号，脉冲下沿触发计数器使之停止计数。为排除噪声的影响比较器2的门槛电压（由通态特性的近似直线与电压轴的交点所得出的电压值）不能选择理想0V ，而拖尾信号已经在前次比较中消除了，不会再影响后续比较电路，所以本系统中电压比较模块的门槛电压选择+0.2V。图3.12 MAX912结构示意图比较器选用的是是由MAXIM公司生产的双组高速低功耗、高精度电压比较器MAX912 。MAX912片内有两个独立的比较器，如图3.12所示。该器件传播速度快(典型值为10ns），功耗低(单个比较器工作电流为6mA)，每个比较器均有独立的锁存使用功能，工作电压为5V或者5V。它与其他高速比较器的不同之处在于，当接收缓慢移动信号时，MXA912仍能保持稳定。3.2.4发射/接收切换电路这一部分的作用是使两个探头在发射、接收之间切换，并且使两个探头电路之间的连接更为节省硬件资源。作为对模拟信号的切换，切换电路的设计有三种方案：一、用继电器进行切换；二、采用分离元器件；三、采用模拟开关。为节省成本以及使结构简单，通过分析比较，所以本设计暂时采用使用模拟开关4066来实现。其控制信号与采样选通部分的4066一样由FPGA（可编程逻辑阵列）定时器组输出的开关量信号来控制。在系统设计时，为了使发射和接收信号便于测试和调整，两只换能器各配备了一套收发电路。3.2.5实时时钟、看门狗及数据存储模块流量计系统需要数据存储模块来保存累计流量数据等数据，并且在系统发生意外掉电的情况下保证数据不丢失，流量计算所需的重要参数也保存在其中，方便系统调用。图3.13 FM31256接口电路正如上文“3.2.2看门狗电路的初设计”中提到的为简化设计电路和硬件成本等问题，本次油耗仪器的设计中我们选用了美国RAMTRON公司的铁电存储器芯片FM31256进行数据存储模块的设计。FM31256主要功能包含铁电非易失性存储器、实时时钟、低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器、可锁定的串行数据标识和一个用于电源失效中断输出的通用比较器。这个高度集成的器件，可以取代多个元件，达到简化设计提高系统稳定性的目的。其操作电源范围为2.7V-5V，14引脚SOIC封装，低至的静态工作电流。实际设计中，我们使用了 FM31256的非易失性存储器、实时时钟、看门狗包括电源监视几个部分功能。FM31256的操作十分简单，通过SCL，SDA，CAL/PF0三根线即可实现上述功能的操作，其接口电路如图3.13所示，FM31256采用二线制IIC串行接口，与单片机的接口非常简单，SCL，SDA连接单片机两I/O口P0.2、P0.3，通过单片机的I/O口模拟IIC时序对FM31256进行读写操作，进行数据的存储，铁电存储器的高速高效存储原理可以保证数据存储的有效进行。其中对指定区域的写保护功能可以实现对重要参数的保护。FM31256的实时时钟由晶振，分频电路和寄存器构成，它对32.768Hz的时基信号进行分频，分辨率为。图中的的电容的作用是实时时钟的临时后备电源。引脚PFI经过电阻分压后与3.3V电源相连接，由分压电阻调节比较电平，本设计的油耗仪器系统中比较器将PFI引脚电压与3V参考电压进行比较，当监测到PFI端的电压低于这个值时，CAL/PFO引脚将被置低，通过单片机引脚P0.4通知单片机。3.2.6液晶显示模块1、显示器的选取显示器主要有数码管（LED）显示和液晶（LCD）显示两大类。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，但其功能比较单一，在一般情况下只能显示数字，而不能显示汉字。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。12864LCD液晶显示器是12864点阵液晶模块的点阵数简称。12864的基本参数： 模块显示效果：黄绿底黑字、蓝底白字、白底黑字三种显示效果；视角为 6点钟12点钟；工作温度：-20+70；储藏温度：-30+80；点阵格式：128x64；连接方式：20针与LCD控制器连接；基本用途：该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。2、LCD控制器的选取本系统中显示模块采用的是了HOLTEK公司生产的HT1621型双排段码式LCD控制器。HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器，其的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统，且操作控制简单，其主要特性如下：（1）、操作电压2.7V5.2V ；（2）、内置256KHz RC振荡器，也可使用外部32. 768KHz晶振或256KHz外部时钟源；（3）、POWER DOWN模式可l泽低功耗；（4）、内置324位显示RAM；（5）、3线串行接口;（6）、读写地址自动增加；（7）、储存温度：-50120；（8）、工作温度：-2575。HT1621与单片机之间的接口电路如图3.14所示，CS为片选信号，低电平有效。WR端外接上拉电阻，在其输入信号上升沿，DATA线上数据写入HT1621。DATA为串行数据输入/输出端口。HT1621的读写操作我们将在后续章节讨论。图3.14 HT1621B LCD 控制器引脚图3.2.7 键盘模块1、按键的分类一般来说，按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。所以本次设计的燃油消耗仪器系统使用第一类，即使用触点式开关按键。按键按照接口原理又可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的识别。全编码键盘由专门的芯片实现识键及输出相应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键等保护电路，这种键盘使用方便，但是硬件开销大，一般的小型嵌入式应用系统较少采用。非编码键盘按连接方式可分为独立式和矩阵式两种，其它工作都主要由软件编程完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。基于上面所介绍介绍的按键结构原理。本设计最终选用触点式结构，非编码式的键盘矩阵设计思路来设计系统的键盘模块。2、按键的输入原理在单片机应用系统中，通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。此外，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，通过接口电路与单片机相连。单片机可以采用查询或中断方式了解有无按键输入并检查是哪一个按键按下，若有键按下则跳至相应的键盘处理程序处去执行，若无键按下则继续执行其他程序。3、按键的去抖功能的设计机械式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图3.15所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510 ms。从图中可以看出，在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。一般来说，在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。软件去抖的流程图将在以后章节说明。图3.15 按键按下抖动示意图4、键盘矩阵电路图的电路图如图3.16所示。图中所示独立式按键采用每个按键单独占用一根I/O口线结构。当按下和释放按键时，输入到单片机I/O端口的电平是不一样的，因此可以根据不同端口电平的变化判断是否有按键按下以及是哪一个按键按下。从图3.16(a)中可以看出，按键和单片机引脚连接并加了上拉电阻，这样当没有按键按下的时候，I/O输入的电平是高电平，当有按键按下的时候，I/O输入的电平是低电平。虽然独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键需要较多时，I/O口线需求较大。对于比较复杂的系统或按键比较多的系统，就可以采用矩阵键盘的形式，图3.16(b)所示，为42阶的矩阵式键盘，42阶的矩阵式键盘由4根行线和2根列线交叉构成，这样就可以实现“”、“”、“”、“”、“START”、“END”、“PRINT”、“SEND”八个按键的位置。按键位于行列的交叉点上，这样就构成了8个按键。其中交叉点的行列线是不连接的，当按键按下的时候，此交叉点处的行线和列线导通。图(b)中的行线通过上拉电阻接到VCC上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线在交点导通，此时行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这样就可以识别按键是否被按下。然而，矩阵键盘中的每条行线与2条列线相交，交点的按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此键分析时必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。这样就可以实现“”、“”、“”、“”、“START”、“END”、“PRINT”、“SEND”八个按键的位置。其使用方法为：当按下“”、“”、“”、“”按键时光标移动，选择要进行的测试项目。按“START”键，进行测试。等达到测试值后，测试结束，按“END”键，测试结束，也可以进行下一次测试。按“PRINT”键，打印测试结果，当按下“SEND”键时，将测试结果由RS232口发送出去。此时仪器显示测试的结果。 (a)四个独立式按键 (b)8按键键盘矩阵图3.16 按键电路图然而如传统的矩阵键盘一样，本系统中设计的键盘矩阵的输出端加了一个四输入与门芯片74HC21。当四路输入有一个为低电平的时候，输出为低电平。将74HC21的输出端接到单片机的P3.2管脚的外部中断0上，这样在实时性要求较高的情况下，设P2.5与P2.6为全低等待按键触发，当任何一个按键按下的情况下，系统都会进入中断服务程序，提高了键盘响应时间，在系统实时性要求较高的情况下非常实用。所以本文采用了这个连接结方法。3.2.8微型打印机的选择为了保留显示器显示的数据、便于随时随地进行对试验数据的研究，也因为便携式的设计，本油耗仪器系统中需要安装一个微型的打印机。以这个理论思想为基础，其选择原则为：（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。但是由于主单片机的管脚数目有限，所以在本设计中我选择了方便安装的面板式串口微型打印机。通过比较，我选择了北京炜煌公司生产的WH-A9型号的嵌入式微型打印机。其主要特点及参数为：(1)低噪音的直接热敏打印方式；(2)打印速度50mm/秒（当字符率为 25%)； (3)高速和低功耗自由选择； (4)支持 3.3V低压系统、并且支持3.5V-9V电源；(5)RS-232C串口与并口均可用； (6)丰富的图形/曲线/文字打印功能； (7)易装纸； (8)打印方式：直接热敏行式打印；(9)纸宽：57 mm ；(10)打印宽度：48 mm ；(11)分辨率：8 dots/mm(384 dots/line) ；(12)打印头寿命：6,000,000 字符行；(13)外形尺寸(WxHxD mm)95：mmx91mmx59mm ；(14)安装尺寸(WxH mm)：66mmx41mm ；(15)嵌入深度；54mm 。3.2.9 通讯接口的选择智能仪器需要和其它智能仪器或计算机组成自动测量系统，所以需有通信接口。在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其它计算机之间也需要交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。通信方式有两种：并通讯和串行通讯。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。并行通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其优点是传送速度高；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线，串口需求量大。串行通信是指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。它的突出优点是只需一对传输线，这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；缺点是传送速度较低。串行通信又有两种基本的通信方式：异步通信和同步通信。异步通信是指数据是一帧一帧传送的。它的特点是存在空闲为和硬件结构简单。同步通信是指数据开始传送前用同步字符来指示，并由时钟来实现发送和接收端同步。在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要同时传送时钟信号，同步传送可提高传输速率，但硬件比较复杂。51单片机串行口的输入输出均为TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平，这种以TTL电平传输数据的方式，干扰性差、传输距离短。为了提高串行通讯的可靠性，增大传输距离，工程设计人员一般采用标准串行接口，如、RS422A、RS485等标准串行口来进行串行通讯。根据以上特点，本次设计选择了异步串行通信方式RS485来进行数据传输。RS-485串口的控制芯片为MAX485。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。所以将DE、和打印机的控制芯片的接收使能端连接于单片机的P0.0口。使单片机复用打印机和485接口的控制。3.2.10电源模块电源是检测仪器仪器设的能源核心。稳定电源是检测仪器系统稳定工作的基础。由于汽车蓄电池多为12V供电，则本仪器也设计选用12V的供电系统，这样可以使系统在蓄电池没电时进行随车充电或者利用车载电源继续工作。但是由于单片机的工作电压多为5V，则12V的电源进行大小电容滤波后，通过一个LM2576-5将其转化为直流+5V。由于-5V模拟电源不需要太大的输出功率，因此采用一种常用的变极性DC-DC变换器ICL7660对+5V电源进行转化产生 。而系统需要的3.3V电源由LM2576的另一型号LM2576-3.3得到。现阶段系统仍采用由直流稳压电源进行供电，后期设计考虑采用电池供电，所以我们还需要对系统的功耗进行认真分析，这也是我们后期对系统的改进工作中需要做的工作之一。具体电路设计如图所示。3.3V电源系统与5V电源系统类似，所所以不再敖数。图3.17 稳压电源电路图3.18 +5V电源模块图3.19 -5V电源模块3.2.11超声波换能器的选择超声波换能器是超声波流量计不可缺少的组成部分，是将电信号转换为机械振动或将机械振动转换为电信号的装置。声波的发射和接收都需要通过换能器来完成。按作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。这里选用最常用的由压电陶瓷构成的压电式超声波换能器，转换效率较高，机械强度好，结构简单、原材料价格便宜以及不易老化，利用压电晶片的逆压电效应来产生超声波，利用正压电效应来接收超声波。根据超声波在介质中的传播形式，超声波换能器通常可以分为：纵波型、横波型以及表面波形型。它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质进行触发使其产生超声波。而根据超声波换能器的结构又可分为:直探头、斜探头和可变探头。一般来说，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。一般可变探头是通过探头芯的旋转，得到不同折射角的斜探头，当入射角为零的时候就是直探头。 我们一般通过 超声波换能器的工作频率、方向性、机电祸合系数、机电品质因数、阻抗特性、功率、效率、频率特性以及表面振幅和表面振动相位分布九个性能指标对超声波换能器进行选择。总的来说当用于触发超声波换能器的交变电压的频率等于其工作频率时，也就是等于换能器的压电材料的固有频率时。但是由于共振超声波换能器产生的超声波能量最大。我们选择应用于气体流量测量的超声波传感器主要是进行超声波振荡频率的选择。超声波频率越高，方向性就越好，而超声波频率越高的超声波在介质中的衰减越大，所以较小频率超声波由于其穿透性较好，因此有利于接收换能器的接收，但是为了提高流量计系统的精度，根据计时原理，超声波频率越高，测量的准确度就越高。通过分析比对，我们把200KHz作为本系统的超声波换能器的振荡频率。压电陶瓷换能器目前生产商比较多，美国Airmar公司是专业生产压电陶瓷超声换能器的厂商。Airmar公司生产的气介超声换能器因为其优良的特性和可靠的稳定性备受青睐。本系统选择ATK200超声波传感器，其中心频率200kHz,端面PVDF封装，可抵抗化学侵蚀，收发双向式，这样做不但可以降低成本，而且在一定程度上避免了探头参数不均匀带来的测量误差。其直径尺寸为6mm。其外观如图3.21所示：图3.20 ATK200型超声波传感器外观3.3 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。在本章中，我对所设计的燃油消耗仪器的电路系统进行了模块以及总体的设计。在这一章中，我把超声波的发射/接收、电子时钟、键盘、显示装置等9个部分以模块化的形式设计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 智能型汽车油耗仪机械部分设计4.1 壳体材料的选择碳纤维：碳纤维材质是很有趣的一种材质，它既拥有铝镁合金高雅坚固的特性，又有ABS工程塑料的高可塑性。它的外观类似塑料，但是强度和导热能力优于普通的ABS塑料，而且碳纤维是一种导电材质，可以起到类似金属的屏蔽作用(ABS外壳需要另外镀一层金属膜来屏蔽)。而且碳纤维强韧性是铝镁合金的两倍，散热效果优于铝合金和塑料。碳纤维的缺点是成本较高，成型没有ABS外壳容易，因此碳纤维机壳的形状一般都比较简单缺乏变化，着色也比较难。此外，碳纤维机壳还有一个缺点，就是如果接地不好，会有轻微的漏电感，因此IBM在其碳纤维机壳上覆盖了一层绝缘涂层。4.2 外型尺寸的确定智能型汽车油耗仪是一种测量仪器，考虑到它使用方便性和便携性，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413mm240mm94mm。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88mm(长)51 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LED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，“换能器A”指示灯，“换能器B”指示灯。在液晶显示器的下方为油耗仪的控制面板(说明如下节)。显示面板的右侧为锁闭面板的滑动锁。其结构图如图4.1图4.1 汽车油耗仪前面板北京炜煌公司生产的WH-A9型号的嵌入式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：95mm(宽)91mm(高)59mm(深)。本打印机也是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。安装尺寸：嵌入在80mm(宽)85mm(高) 54mm(深)的槽中，并以间距为66mm的两颗螺丝钉装订在版面上。其结构零件图所示。4.3 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和行列按键接口两类。其中独立式按键是指各按键相互独立，并只接通一条输入数据线。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。独立式按键的优点是电路简单、配置灵活、软件编辑简单。缺点是每个按键都需要占用一个输入口线，所以在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。行列式按键也叫矩阵式按键，其接口适用于键数较多的场合。行列矩阵键盘中，每个按键都分别跨接在一根行线和一根列线上。每一水平线(行线)与垂直线(列线)的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通。利用这种行列矩阵结构只需4条行线和2条列线，即可组成具有即8个按键的键盘，不仅节省了I/O线，还降低了成本。所以根据使用功能需要，决定采用行列矩阵式键盘，这8个按键包括“”、“”、“”、“”、“开始”、“结束”、“打印”、“发送”键。选择测试项目时按“”、“”、“”、“”光标键；选择要进行的，准备好时，按“开始”键，进行测试。等达到测试值后，测试结束，按“结束”键，可以结束测试，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RS232口发送出去。图4.2为控制面板的示意图。图4.2 为控制面板的示意图按键的材料选用丁晴膠橡胶，该材料的优点是具良好的抗油、抗水、抗溶剂及抗高压油的特性。缺点：不适合用于极性溶剂之中,例如酮类、臭氧、硝基烃,MEK 和氯仿。多用于制作燃油箱、润滑油箱以及在石油系液压油、汽油、水、硅油、二酯系润滑油等流体介质中使用的橡胶零件,特別是密封零件。是目前用途最广、成本最低的橡胶密封件。操作压力20500g；寿命530百万次；工作温度-20180；接触弹性少于12百万次。4.4 数据线接口的设计便携式超声波油耗仪器能测试发动机各个工况的油耗，还能通过RS232数据总线与外部设备相连，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。只需连接 “发送数据”、“接收数据”和“信号地”等三条接口线。所以采用DB-9的9针插头。油耗仪内部装有12V可充电电源，能共给油耗仪足够的电量，也可以通过电源线外接12V电源，保证油耗仪在各种情况下都能正常工作。油耗测量系统采用超声波的发送接收信号，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计算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。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。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。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。因此，在油耗仪的机体上设计了两个流量传感器接口，来测量不同回油量的工况，保证测试精度的精确。数据线接口和电源位置如图4.3、4.4所示。图4.3 智能型汽车油耗仪数据线接口面板电源关 开保险图4.4 智能型汽车油耗仪电源开关面板4.5 油耗仪器内部结构设计油耗仪的内部结构比较简单，主要包括一个液晶显示屏幕，一个主板芯片，一个打印机固定板，一个液晶显模块芯片，一个超声波控制模块芯片和一个稳压电源。其中，液晶显示屏与液晶显示模块芯片固定为一体。而这四块芯片都通过定位螺栓固定，定位螺栓的型号为GB/T5782-1986M2。油耗仪的电源通过两个加紧装置定位，并通过定位螺钉将其固定，定位螺钉为标准件GB/T5782-1986M4。这也与打印机的固定螺钉统一标准。所以油耗仪内部芯片规格尺寸如表4.1所示，内部安装俯视图4.5所示。表4.1油耗仪内部芯片规格表零件名称长(mm)宽(mm)高/厚(mm)定位方式主板芯片1801202螺栓连接打印固定板77802螺栓连接液晶显示模块885110螺栓连接超声波控制芯片150852螺栓连接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。液晶模块部分的背光模块、光波导以及光反射器。背光模块的侧面设有固定部分，用于通过拧紧螺丝将LCD模块安装和固定到壳体。由于LCD的显示部分的外形小于LCD，从而使用背光模块的侧面上的固定部分将LCD模块固定到壳体，以便不影响LCD显示部分。在不需要任何其它特殊附件的情况下，就能使得用于封装任何其它功能件的间距得到保证，使边框变窄，并且使装置小型化。图4.5 油耗仪内部安装俯视图4.6 超声波换能器装夹结构设计超声波换能器需要夹装在输油管的外面，使两个超声波换能器对峙放置，这样可以使得发射换能器发射的超声波信号能够被接收换能器接收。然而燃油供给系中的燃油管路分为主供油管路和回油管路。我们要测量流入发动机的燃油流量就要分别测量主油路的流入流量和回油管路的流出流量。这样就可以测的流入发动机的燃油流量。根据测量，我测量得到的油管外径为10mm,壁厚为0.6mm。则我们选用的超声波换能器为美国Airmar公司的ATK200型超声波换能器。其直径为6mm。是专用于小管径的管道测量的声波换能器。由于我们要测量两个管道的流量，所以我们需要选择四个同样的此型号的换能器。其外观在第三章中已经介绍过了如图3.21所示。在本目中，我将对换能器的装夹机构进行设计。由于主油管路外径为10mm。而且两个换能器需要相对安装在同一平面上。本设计选择的超声波换能器的的发生角度为60。又因为油管直径为10mm，所以两个换能器的轴向距离为16mm。为了保证机构加紧，我选用了M5的十字槽盘头螺钉和垫片。在安装时不发生侧向偏移，我在夹紧机构两侧个设计了一个定位销。其具体尺寸如零件图所示。装夹机构如图4.6所示。图4.6 装夹机构图1被测量管路；2装夹机构；3超声波换能器；4夹紧螺栓；5定位销；6十字槽盘头螺钉；7垫片。其具体尺寸如零件图所示。4.7 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、油耗仪显示面板和控制面板的尺寸样式和油耗仪接口的位置，还确定了控制面板按键的材料及安装方法和液晶显示器的固定方式，同时对油耗仪内部芯片进行了安装。还进行了传感器的装夹定位机构的设计。为油耗仪安全、稳定、无干扰的工作提供了保证。第5章 FPGA的数字系统设计可编程逻辑器件(PLD-Programmable Logic Devices)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它诞生于20世纪70年代，在20世纪80年代以后，随着集成电路技术和计算机技术的发展而迅速发展，芯片规模、密度和性能都有了惊人的变化。与中小规模通用型集成电路相比，用PLD实现数字系统，有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点。与大规模专用集成电路相比，用PLD实现数字系统，有先期投资少、研制周期短、无风险、修改逻辑设计方便、小批量生产成本低等优势。而作为PLD的主流产品，现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable Gate Array)具有集成度高，容量大，价格便宜，可重复编程，周期短，易于开发等特点，因此在电子工程设计方面得到了非常广泛的应用。5.1 FPGA的芯片选择FPGA的工艺决定其具有众多的触发器和LUT,设计中需要用到大量的触发器如复杂的时序逻辑，那么FPGA是个好的选择。本设计的数字系统中最关键的模块是高速计数器模块，我们知道计数器是典型的时序逻辑电路，本系统选择其作为数字电路部分。目前国际上FPGA的最大供应商是美国的Altera公司和Xilinx公司。他们的设计较为灵活，器件利用率高，器件价格较便肩而品种和封装形式较丰富。但Xilinx的FPGA产品需要外加编程器件和初始化时间，保密性较差，延时较难事先确定，信号等延时较难实现。Altera公司一直占据着行业的领先地位，其产品主要有FLEXIOK, FLEX8000, MAX9000, MAX7000, MAX5000, FLASH logic以及Classic七大系列，其中FLEX 10K系列器件采用了可重构的CMOS SRAM单元，该结构集合了一般门阵列的全部特长，其容量可达25万门，能够高密度、高速度、高性能地将整个数字系统集成于一个器件中，而且该系列器件在业内应用十分广泛。根据课题特点，通过对各系列产品性能及价格的综合比较，我们选择了Altera公司的FLEXIOK系列中的EPF10K10LC84器件。作为FPGA模块的主要芯片。5.2 FPGA内部模块设计本设计系统的FPGA的设计运用了Top-D own的设计方法，从顶层进行功能划分和结构设计，这种方法能够在早期发现结构设计上的错误，避免了工作的浪费，并能使系统设计变得简洁方便，使复杂系统的设计实现简单化、合理化，并提高其可靠性与稳定性。本系统的FPGA主要涉及到的功能模块有：时钟源模块、逻辑控制模块和高速计数器模块。下面对各个功能模块作逐一进行介绍。5.2.1高速计数器模块利用FPGA设计高速计数器是本系统设计的一个最重要的部分。提高测时精度是提高时差法超声波流量计测量精度的关键。要精确的测量时间必须有高速的计数器，利用FPGA芯片很高的工作频率可实现高速计数，而且本系统设计的高速计数模块在一定的时钟频率下能够更精确的判断计数停止信号的来临，从而提高测量精度。计数模块内的全部功能是基于EDA(电子设计自动化)技术，通过原理图输入法和Verilog HDL(硬件描述语)输入设计完成。 图5.1高速计数器原理图高速计数器的设计思想是利用频率较低的时钟信号实现高速计数的。我们知道当计数停止脉冲信号来临时，它不会准确的落在时钟信号的边沿上，这个样就会产生测量误差，而最大误差是一个时钟周期。显然通过提高时钟频率可以提高计数精度，而当时钟频率固定时，我们还可以通过其他的方法提高计数精度，这就是本系统设计中利用FPGA设计的高速计数器。首先时钟信号CK通过一比较器产生两路时钟信号CLK+和CLK-输入高速计数模块，显然CLK+和CLK-的相位刚好相反。将CLK+和CLK-分频倒相后，这可以通过D触发器实现，产生了四路时钟信号CK1,CK2,CK3,CK4，它们的相位彼此相差90，每路时钟信号后接一个D触发器，计数停止脉冲的上升沿作为触发器的触发信号，当计数停止信号来临时，4个触发器会发生翻转，输出4个不同的组合值:0110，0101 ,1001，1010。我们把其它组合形式视为无效。工作波形如图5.2所示。图5.2计数器时序本模块的计数值我们采用16位来表示，将CK1作为计数器的时钟信号，即计数器对CK1进行计数，其计数值作为计数结果的高13位，记为C1。当过零比较电路传来计数停止信号时，记录下D触发器的输出，即CK1,CK2,CK3,CK4的当前状态，通过对其组合值的判断我们可以知道，停止信号的脉冲前沿处十CK1的哪1/4个周期内。我们将当前组合值经过译码后并并加上一位校验位作为最终计数结果的低3位。与此同时和经过一与非门后触发锁存器读取当前计数器的计数值C1，与译码器的输出共同构成了16位最终计数值C输出。译码真值表参见表5.1所示。表5.1译码器输出对应值0110010110011010通过这种方法设计的计数器能够判断出计数停止信号来临的时候处于一个时钟周期中的具体位置，从而精确了计数停止时间，提高了计时测量精度。单片机在输出换能器触发群脉冲的同时通知计数器开始计数：当电压比较电路输出一个上升沿时，计数器停止计数，然后将计时结束信号引脚电平抬高，通知单片机计时结束，可以读取计数结果。计时结果由一个8位并行口输出，单片机通过改变引脚P2. 0电平的高或低来通知FPGA在计时结果输出口上输出的是高八位或低八位计时结果fsl。在计数器模块中我们采用的是顺流逆流方向各使用一个高速计数模块，两个计数器分开工作方便我们的测试以及数据分离。以后再对系统进行进一步优化的时候还可以采取设计可逆计数器的方法，直接读出一次顺流流传播的时间差。采用FPGA设计高速计数模块还有一个优点就是灵活，在资源允许的情况下，可以方便的设计任意位数的计数器。5.2.2时钟信号模块时钟信号模块为系统中各个模块提供工作时钟。系统中时钟信号模块由一个50MHz有源晶振和一系列分频器元件构成。有源晶振提供的50MHz时钟信号通过FPGA的全局时钟线输入FPGA 。FPGA中逻辑控制模块中的定时器所需要的1MHz时钟信号则是通过分频元件对50MHz时钟信号作增进式计数分频。为了调试方便，分频模块的在设计时考虑到了模块的通用性，通过更改参数就可以方便的调整分频模块的工作方式，得到所需频率的时钟信号。50MHz时钟信号通过比较器产生两路相位相反的时钟信号提供给高速计数器模块使用。5.2.3逻辑控制模块逻辑控制模块由6个定时器和1个开关控制逻辑组成。系统中模拟开关CD4066所需的开关控制信号就是由FPGA中的逻辑控制模块产生。6个定时器通过开关控制逻辑分别输出6个开关量信号，用来控制模拟开关4066的通断，包括控制制超声波顺/逆流传播信号接收通路选通与关闭;控制采样选通电路中储能电容充/放电，以实现采用选通电路中峰值电平的传递，具体逻辑详见第三章中超声波信号接收及后续处理模块的介绍。这些定时器都是由16位计数器构成，对1 MHz的时钟信号进行增进式方式计数，当计数值达到预设的阀值后，停止计数，并通过开关控制逻辑输出相应的控制信号。超声波触发群脉冲发出时，单片机通知FPGA打开计数器，同时将6个定时器一起打开，它们根据预设好的计数门限，实现各自的定时控制，在完成一次超声波渡越时间的计数后，单片机会相FPGA发送复位信号，各个定时器也在此时被复位。5.3 FPGA的接口电路设计EPL10K10LC84的I/O口电压为5V。 AT89C52的I/O口电压也为5V。本系统中FPGA与单片机的接口之间不需要任何电平转换器件，即可相互传送数据。AT89C52的P2.3和P2.4口作为两支超声波传感器的触发脉冲群输出口，将这两个I/O口直接与FPGA相连接，在系统触发超声波的同时也启动了FPGA内部的计时器。当超声波接收器接收的超声波信号，并将其处理后触发停止计时，然后以高电平信号示意计时结束通知单片机。单片机判断到计时器计时结束后，分别将计时结果高/低八位选择信号线置为高/低电平，经八位并行信号线读出高八位和低八位计时结果。在超声波顺流方向传播和逆流方向传播时，FPGA内部定时器模块中开关控制逻辑的输出是不同的，所以，AT89C52的P2.1口在系统处于两种传播方向时，分别使用高电平和低电平信号启动FPGA的两种不同开关控制逻辑用于控制各个模拟开关的通断。当系统执行完一次工作流程后，单片机会自动将P2.2口置为高电平，向FPGA发出复位信号，待下一个工作流程开始之前，再将复位信号清零。系统中还利用FPGA设计了逻辑控制模块，由定时器定时产生开关量控制模拟开关CD4066的通断，通过查找CD4066使用手册我们知道在+5V供电情况下，CD4066控制端口输入电压大于2. 75V即可识别为高电平，所以EPL10K10LC84在本系统中I/O口驱动电压为+5V，可以驱动模拟开关芯片CD4066，故可以将FPGA与CD4066直接连接。5.4 本章小结在本章中我们介绍了FPGA的原理和意义，同时也结合本论文对本系统进行了FPGA模块的设计。其中包括时钟源模块、逻辑控制模块和高速计数模块的设计。此设计集成度高，起到了简化结构，提升了硬件的可升级能力。第6章 软件系统的设计软件是控制测量系统的灵魂，在仪器设计过程中起着举足轻重的作用。是实现硬件功能的思想。软件设计的工作建立在硬件电路的基础上，而硬件电路需要在软件的协调控制下才能正常工作。以前的操作系统等软件主要是用汇编语言编写的，汇编语言过于依赖于计算机硬件，程序的可读性和可移植性都比较差，C语言把高级语言的基本结构与低级语言的实用性结合起来，成为一种可行的语言程序，它具有以下优点:(1)简洁紧凑、灵活方便;(2)运算符丰富；(3)数据结构丰富；(4)C是结构式语言；(5)C语法限制不太严格，程序设计自由度大；(6)C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作；(7)C语言程序生成代码质量高，程序执行效率高；(8)C语言适用范围大，可移植性好。论文中软件设计使的美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统-Keil C51作为开发工具，C51已被完全集成到的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。6.1系统软件整体结构及功能C语言兼顾了多种高级语言的优点，可移植性高，硬件控制能力高，表达和运算能力强等。基于C语言的这些优点，本系统的软件设计采用了模块化设计方法，所以程序可读性强，移植性高，而且于修改和拓展。在本系统的设计说明书的设计与编写过程中没有编写程序语言，只是设计出了程序流程图。则软件系统的模块框图如图5.1所示，主要包括:主程序模块，初始化模块，流速流量计算模块，中断服务模块，键盘矩阵与显示模块，数据存储模块等各个模块都有自己的功能，他们相互独立又互相联系。初始化模块计算模块主 程 序 模 块中断服务模块键盘模块显示模块 数据传输数据储存模块打印模块图6.1软件系统模块框图6.2主要功能模块的设计6.2.1系统主程序模块主程序工作流程如图6.2所示。系统上电后首先对系统进行初始化，其中包括引脚的分配、定时器中断的初始化、相关寄存器的初始化、FPGA的复位、显示模块和键盘矩阵的初始化等等。在初始化完毕后，系统读取存储器中的历史数据包括历史累计流量，系统参数设置，实时时钟等并送显示模块显示或者打印。然后系统进入低功耗状态等待响应中断服务子程序。由图6.2可以看到系统的主程序流程比较简单，主要功能的实现是靠由中断程序引入的各个功能模的块子程序实现的。这种程序设计方法，提高了软件系统的可读性，可移植性，而且有利于程序的修改和升级。6.2.2中断服务程序模块1.定时器1中断服务子程序定时器1中断服务子程序有两个作用：一个功能是对常规测量的结果进行计算并保存累计测量流量值；另一个功能是通过查询系统寄存器的状态来实现由常规显示界面到指定界面的切换，其定时时间为1s。如图图6.3所示是定时器1中断服务子程序的流程图。在每次循环中，计算模块依次读取顺/逆流超声波传播时间进行瞬时流量的计算以及累计流量的计算并存储到存储器的相应地址。然后通过查询系统标志寄存器的状态，实现瞬时流量、累计流量显示状态，截面平均流速显示状态，系统参数设置状态三种开 机显示状态的切换，每个状态在系统标志寄存器对应的数值设定通过键盘矩阵输入进行改变。初始化模块分别读取FM31256中不同地址的数据显示当前参数设置及累计流量开始测量中断等待数据处理数据比较、计算、纠错 传 输 打 印测试结束关 机图6.2 主程序流程图 定时器1中断开始 计算模块 存储累计流量 扫描键盘系统状态标志=1？瞬时流速显示YNY瞬时流量显示系统状态标志=2？N系统状态标志=3？累计流量显示系统参数设置模块YN 返 回图6.3 定时器1中断服务子程序流程2.定时器2中断服务子程序本油耗仪器系统中利用定时器2中断服务子程序实现常规的流量测量，并通过该中断程序将单次测量的顺流/逆流平均传播时间传递给计算程序以进行瞬时流量以及累计流量的计算。定时时间为50ms，流程图如图4.4所示。在超声波检测仪工作时，超声波信号分为顺流和逆流触发两种方式，本系统通过查询顺/逆流标志判断触发方向。在每秒中内，首先顺流方向连续触发5次超声波信号，然后逆流触发5次超声波信号。通过查询单片机引脚P2.1，确定超声波传播方向后，使用相应引脚对换能器进行群脉冲触发。然后进入延时等待，接着查询引脚P0.1的状态. 定时器2中断开始顺/逆流标志位=1？NY顺流触发计数模块逆流超声波脉冲触发 延 时计数结束标志=1？NY从FPGA读取计数值计算平均值逆流触发计数器+1逆流触发计数器=5？NY顺/逆流标志位置0逆流触发计数器置0输出逆流平均即使结果定时器1标志置1 返 回图6.4 中断服务程序流程判断来自FPGA的计时结束标志是否为1，当不为1时表示超声波接收换能器未能确接收此次超声波的发射，不读取此次的计时数据，传播次数计数器加1后退出中断。若引脚P0.1为高电平，说明此次计时有效，读取FPGA计时数据，并与上一次的计时数据取平均值，这里采用逐次取平均值的方法主要是为了缩减成本，式结构简化。当某方向完成5次超声波触发后，该方向的平均传播时间自动保存到计算模块的参数寄存器中。该方向的传播次数计数器清零，并改变顺/逆流标志，进行反方向的超声波触发。在得到顺/逆流两个方向的平均传播时间数据后，将定时器1定时标志置1位置，此时退出中断。流程图中顺流触发计数模块与逆流方向的流程类似，只是顺/逆流标志位不同，且完成顺流计数后不用对定时器1标志位置1,而是直接退出中断。完成循环。子程序开始6.2.3计算模块的程序设计读取顺/逆流超声波传播时间平均值从存储器中读取计算参数截面流速计算瞬时流量计算累计流量计算 中断返回图6.5 计算模块子程序流程图 计算程序模块的工作主要是完成截面平均流速、瞬时流量和累积流量的计算。子程序流程如图6.5所示。从前面的中断程序流程图中可知，当系统完成每次测量后，会把该次测量的超声波顺/逆流平均传播时间的数据测量结果放到数据存储器的指定位置中。计算模块的子程序首先读取这个数据，然后再读取流速修正计算中所需要的流量修正系数K、管径等参数。然后进行截面瞬时流速以及截面瞬时流量的计算，并将计算结果存储在数据存储器中，以方便显示程序的随时调用和打印。然后程序还将进行累计流量的计算，以实现用户对历史累计流量的查询。6.2.4数据存储模块数据存储程序模块作用是存储之前测量的累计流量以及流量计系统的一些重要参数的，如计算模块中使用的流量修正系数等。本系统使用铁电存储器FM31256芯片作为设计数据存储模块。正如3.2.5中选取看门狗电路芯片时所了解到得。除了实现数据存储功能外，FM31256附带的实时时钟以及看门狗功能也在系统中得到应用。下面就了解下FM31256存储器、实时时钟以及看门狗的访问方法。FM31256使用的是二线制的IIC接口，SDA和SCL两个引脚的状态确定总线上的操作，如图4.6所示中有开始，停止，数据以及应答4种状态。图6.6 IIC总线状态示意图在对FM31256进行访问时，FM31256总是作为从机，而8位器件地址中，高4位为1010B表示存储器，1101B表示寄存器。低4位中，X”表示任意，本检测系统中只用到一片FM31256芯片。所以“A0,A1”都为0，其中最低一位1表示读操作，0表示写操作，图6.7 FM31256访问存储器接收的控制字节我们知道利用IIC总线进行信息传输，实际上就是主从器件不断交换信号的过程。在对FM31256存储器访问时，器件对从机地址进行应答后，接着单片机发送2个字节的地址信息，收到应答后发送一个字节的数据，再次收到应答后发送停止信号，而这时器件开始内部数据的写入，从而完成了一个字节的读写操作。利用FM31256内部地址自动累加功能可以轻易实现对连续地址的操作。访问FM31256实时时钟与看门狗与对存储器的访问相似，只是寄存器的地址仅为1个字节，其他与上面说到得用法相同。6.2.5显示模块第三章中我们提到使用了LCD控制器HT1621进行显示模块的设计。HT1621是一款128位的液晶显示驱动器，其内部位格式RAM中数据可通过命令直接作用到LCD显示屏上。HT1621通过命令模式和数据模式两种模式的指令实现对器件的配置以及显示数据的传递。在对HT1621操作之前，系统需要先向其发送标志码，表明工作状态，其标志码如表6.1所示：表6.1 HT1621操作标志码定义操作状态标志码读数据110写数据101读-修改-写数据101控制命令100HT1621的接口电路我们在第三章中已经做过介绍，通过下面的时序图6.8所示的在对HT1621操作时的时序图我们可以看到在对HT1621进行读写操作时的时序及命令格式。图6.8 HT1621写模式时序图引脚为操作允许控制脚，低电平有效，如上图所示，在向HT1621写数据时，首先向HT1621发送写模式代码101，后面紧跟6位地址A5 -A0，然后是4位数据D0- D3，要在在的上升区写入。应该注意地址是从最高位到最低位，数据是从最低位到最高位。读操作时只需改变相应的操作码。在进行连续地址的读写时，A5-A0表示第一位地址，后面紧跟连续的4位数据，每写入4位数据地址自动加1。而命令模式为，在操作码100后面跟的是8位操作码C7-C0。LCD显示软件设计包括初始化程序、数据读写子程序和刷新缓存子程序等。其流程图如图6.9所示。初始化程序 设置输出调用液晶显示功能子程序设置液晶工作模式开始数据传输状态寄存器bit0置0输入循环次数写模式WR置0输出低电平数据左移状态寄存器bit0置0NY数据位置位输出高电平数据位置0输出低电平写模式WR高电平完成数据或地址写入循环次数自减为0NY图6.9显示模块程序流程图6.2.6按键的去抖功能的程序流程图设计在第三章中我们设计了键盘矩阵，但是按键在使用过程中具有抖动。如何去抖在第三章中已经了解到了。在这里我们针对去抖功能的软件程序进行流程图的编写。如图6.10按键的去抖流程图所示，我们可以知道，检测到有键按下时，应延时等待一段时间(可调用一个5ms-10ms的延迟子程序)，然后再次判断按键是否被按下，若此时判断按键仍被按下，则认为按键有效，若此时判断按键没有被按下，说明为按键抖动或干扰，应返回重新判断。键盘真正被按下才可进行相应的处理程序，此时基本就算实现了按键输入，进一步的话可以判断按键是否释放。有按键信号 N Y延时等待10ms仍有按键信号N Y 键盘处理按键释放？ N Y 图6.10 按键去抖流程图6.3 本章小结本章主要介绍了油耗检测系统的软件程序的编辑思路和流程图的编写。并说明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，并利用与硬件相对应的方法来模块化其各部分的子程序。即程序的编写也采用结构化和模块化方法编程，这对查错和调试极为有利。从硬件和软件两个方面分别说明了其具体的措施。第7章 试验研究及误差分析本设计由于没有硬件，所以不能进行实验数据的测定与分析。则根据参考文献中的锁具进行数据的分析的思路的确定。根据不同的实验内容和目标，真对汽车燃油消耗检测仪器的实际应用，其实验项目分两部分进行：一部分是在零流量下进行实验，主要为了确定超声波换能器的收发性能，调试电路板，检测信号处理电路输出波形是否符合要求。另一部分是在实际工作下测量汽车燃油流量并进行读取流量数据，检验系统测量精度及稳定性。7.1 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%，则采取上一目中所提到的试验方法进行实验测试。由于本设计没有实物做实际测量。所以本章实验数据研究部分内容参考超声波流量计测量的实验数值及计算方法。7.2零流量下的相关实验7.2.1换能器收发信号波形实验首先，我们通过示波器观察换能器发射端和接收端的波形有无明显变形，如图7.1所示。图7.1 超声波发射和接收放大波形从示波器上可以看出，TPS2811输出的发射端激励信号波形正常，无明显抖动；经过放大滤波后的接收信号比较干净，相对于可用信号噪声很小，激励脉冲的串扰也相对很小。在第之前章节中提到的接收信号的第四个波峰电平接近包络峰值，可以把其用作比较电路的阀值电平。7.2.2过零检测观察采样选通电路的输出波形情况。图7.2 阀值检测模块输出波形图7.3 脉冲展宽电路输出波形由实验可以看出，经过采样选通电路的阀值检测后的输出波形和电路设计想要得到的波形符合的很好，其第一个脉冲经过脉冲展宽电路后将选通过零比较电路中的比较器，而后输出计数器停止脉冲信号。7.2.3零速检测密封实验管段两头，在零流速下进行测试。通过此实验检验系统在电路设计上使测量产生的误差。该实验的测量方法和实际应用中对流体流量的测量方法基本相同，因为是在零流速下进行实验，为了使实验结果更加直观，我们将系统测量得到的流速值进行反算，表示成顺/逆流超声波传播时间的差值如图6.1所示。（结果并不代表系统测量精度达到了皮秒级别)。实验先顺向发射50次，再逆向发射50次，统计计时结果，3次试验结果如下表所示:表7.1 顺/逆流超声波传播时间的差值测量次数传播平均时间差ns第一次11.538第二次12.179第三次11.894由表中结果我们可以看出，零流速下系统测量的顺/逆流传播时间差不为零，我们认为这主要是由于电路的延迟，以及超声波换能器的参数不对称等原因造成的，如何参考本实验结果对以后的测量结果进行修正，将在下文中讨论。7.3实时流量实验7.3.1实验方法本实验建立模拟管道实验系统，模拟真实管道中的气体流动，进行流量测量。实验装置的标准表为涡街流量计。其模拟实验的管道材料为PVC，口径为25mm。根据换能器安装要求进行安装。换能器所处位置上游直道大于2m下游直道大于lm，气体的流形稳定，可认为是层流。用气体流量模拟发动机燃油流量。气体流量由风机提供。风机转速由变频电机控制，测试系统可以设定变频调速电机的转速以调节流量，用以模拟发动机的各种不同工况。并且采集涡街流量计测得的流量数据与系统测量数据进行分析对比。在同一实验管段上安装了两对超声波换能器进行比较试验。只测量单个管路的流量。由于实验条件有限，风机所能提供的风速范围有限，而实验所采用的标准表涡街流量计在公称直径DN25下的量程范围为：11-150，通过公式折算成速度为：6.247m/s-84.8826 m/s。在量程外面的测量数据只能作为参考。所以本次试验的流速范围设定在2 m/s-10 m/s左右。在这个流速范围内均匀的选择了8个点进行测量，它们分别为2.0m/s,4.0m/s ,6.0m/s,6.5m/s,7.0m/s ,8.0m/s , 9.0m/s、以及10.0m/s、用空气对超声波气体流量计进行试验。试验时对每一个固定的流量，对两路通道每隔1分钟记录一组超声波气体流量计和标准涡街流量计的平均截面流速数据，每一个测量点记录3组数据。再分析每个测量点的3组测量数据，检测系统的重复性和误差。7.3.2超声波气体流量计实验结果及分析按照预先设定的实验方案分别对两个声道进行了流量测试实验。由于系统试验主要针对于流量计量程范围内的低流量进行检测，所以气体的流形稳定，可认为是层流，流量修正系数为4/3。以下是实验记录的数据：表7.2两通路测量数据标准表流速（）超声波流量计流速通路1通路2第一次第二次第三次第一次第二次第三次2.00142.09462.10382.10642.10972.09712.09484.08914.28664.27494.28164.27134.29294.28316.08366.25756.23466.24686.24176.25926.25316.58746.39296.37626.38876.38756.37676.39337.04236.87156.92286.70456.88456.89366.9171808997.94747.95097.93917.92757.93587.94179.05968.92378.93618.94048.93348.94718.929710.00249.8719.91769.92639.88649.89299.9157通过表的数据，我们利用公式7.1检查其重复性 （7.1）式中是第i个点测量数据的重复性，是第i个点测量数据的平均值，是第i个点的第j次测量数据。从表7.3中可以看出所测平均流量范围内，超声波气体流量计在两个通路都呈现出很好的重复性。所有测量点的重复性都小于1%，说明系统的稳定性较好。表7.3 重复性检测数据标准表流量（）重复性通路1通路22.00140.30%0.38%4.08910.14%0.25%6.08360.18%0.14%6.58740.14%0.13%7.04230.38%0.24%8.08990.07%0.08%9.05960.09%0.10%10.00240.15%0.16%我们再对平均流速利用公式7.2进行相对误差计算， （7.2）结果如表7.4所示表7.4平均流速及相对误差对照表标准流速表（）通路1流速平均值 （）相对误差通路2流速平均值 （）相对误差2.00142.10164.77%2.10054.72%4.08914.28104.48%4.28244.51%6.08366.24632.61%6.25132.68%6.58746.38593.15%6.38583.16%7.04236.89962.07%6.89842.09%8.08997.94581.81%7.93501.95%9.05968.93341.41%8.93671.37%10.00249.91370.90%9.89831.05%两个声道单独工作所得到的数据都在低速时变现出较大误差，随着流速的提高，测量精度有一定提高。单声道超声波气体流量计，如果管道内气体流动平稳，流形分布均匀，则测量精度较高，当管道内气体流形分布不均匀时，单声道流量计的测量精度较低。增加声道可以对管道内气体流形分布进行更好的识别，更精确的修正流体速度，提高测量精度。从实验数据上看，系统的精度还有待提高，但是考虑到实验条件较为粗糙，我们认为本系统能够满足了系统设计的要求。7.4误差分析超声波流量计属十间接测量仪表，它对流体流量的测量是将被测流体中的声速、粘度、管道的内径、管道的壁厚，以及管壁材质中的声速等作为己知条件(对于管段式流量计我们不用考虑管道的壁厚以及管壁材质中的声速)，通过检测超声波信号在流体中沿顺流方向和逆流方向的传播时间，从而计算出流速和流量的。所以，超声波流量计的实际测量误差，既包括超声波流量计本身的误差，也包括被测流体、被测管道，以及其它现
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