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机械毕业设计全套

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CLJD01-017@基于容积法的汽车油耗检测仪器设计,机械毕业设计全套

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1 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 2.7 3.1亿吨。而国内年产量仅能达到 1.65 2亿吨，供需缺口为 1.05 1.1 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nts 2 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 0.3 120L/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 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 0 150kg/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。 nts 3 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 10 15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nts 4 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 1 200S,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。 nts 5 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。 nts 6 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nts 7 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。 nts 8 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nts 9 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。 nts 10 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，通过显流量传感器 PIC 单片机 液晶显示模块 EPROM RS232 打印机 RAM 信号调节电路 键盘 驱动器 执行装置 nts 11 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。 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。 油箱 油泵 滤清器 流量传感器 发动机 nts 12 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。 nts 13 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。 油箱 油泵 滤清器 流量传感 器 1 发动机 流量传感器 2 nts 14 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nts 15 定： 22 2244 dhhdV （ 3.1） 式中， V 四缸排油量， cm3； 4 代表四个油缸； 42d 代表某一活塞截面积， cm2； h2 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nts 16 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 /V DC， +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 /kg 1.9 使用温度 / 0 40 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： nts 17 VNKQ fK 或3600（ 3.2） 式中， f 为流量信号频率， Hz； Q 为体积流量， L/h； N 为脉冲数； V 为体积总量， L。 把仪表系数 K 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f 与仪表系数 K 之比即可求得管路中燃油的流量 Q 之值。因此，燃油流量检测的数学模型可采用数学公式： K fQ 3600（ 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、 Motorolants 18 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、nts 19 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 16 20 25 50 nts 20 HSI 1125 900 750 600 ns HSO 1000 800 600 400 ns EPA 250 200 160 80 ns 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： 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 8K 8 位的静态 RAM。 其逻辑图如下： CPU 存储器 地址总线 控制总线 数据总线 nts 21 其中 A0 12为 13 根地址线， I/O0 7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 CS1 CS2 OE WR 数据线 读 L H L H 输出 写 L H L 输入 非选 H 高阻态 非选 L 高阻态 输出禁止 L H H H 高阻态 6264是一种采用 CMOS工艺制成的 8K 8 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 20ns 200ns。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。 6264 A0 12 VCC I/O0 7 WR OE CS2 GND CS1 nts 22 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 2 16383，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。 6264 11 12 13 14 15 16 17 18 10 9 8 7 6 5 4 3 24 23 20 22 2 25 26 1 27 21 19 A0 D0 A1 D1 A2 D2 A3 D3 A4 D4 A5 D5 A6 D6 A7 D7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 WE OE/VPP CE nts 23 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 64k 8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 170ns 450ns，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。 8255A 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 PA3 PA4 PA2 PA5 PA1 PA6 PA0 PA7 R D W R CS RESET G N D D 0 A 1 D 1 A 0 D 2 P C 7 D 3 P C 6 D 4 PC5 D 5 P C 4 D6 PC0 D7 PC1 Vcc PC2 PB7 P C 3 P B 6 PB0 PB5 P B 1 P B 4 PB2 PB3 nts 24 . .D011D112D213D315D416D517D618D719A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22A 1 326A 1 427A 1 51