飞机燃油油量测量系统的设计毕业设计论文.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）飞机燃油油量测量系统的设计第1章 前言1.1 飞机燃油油量测量技术概述飞机在空中飞行时，飞机油箱中的剩余油量的多少将直接影响飞机的飞行安全。本题目要求设计一种飞机燃油测量系统，能够准确的测量并显示飞机油箱中所剩余的油量，作为飞行的重要参数。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。现阶段飞机上所运用的燃油测量系统就显示而言分为模拟式和数字式，但就对油量的测量方法都采用传感电容容值与油量液面高度的正比关系，再结合一定的模拟运算电路，通过单一的抗干扰传输线由油箱向数据处理、显示电路传送单模交流电压信号，再由后者最终显示实时的油量。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。飞机在飞行过程中机体内部的电磁干扰是一个十分严重的、不可忽视的影响各系统正常工作的因素，因此在电路设计中除了抗干扰的屏蔽手段之外，在传输线上传输抗干扰能力强的信号是一个很必要的手段。现役的测量系统由于以模拟电压信号作为传输信号，因此极易受到各种干扰。虽然对传输电缆做了一定的屏蔽措施，但在飞机的飞行过程中，系统始终未能很好地抵抗干扰，造成系统测量的可靠性不高，工作不稳定等情况。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。在飞行过程中，及时了解飞机的油量，对于完成飞行任务和保障飞行安全，有着重要意义。而飞机上的油箱其形状都是不规则的，这样就给油量的测量带来了许多问题。飞机燃油系统包括油箱、供油和卸油管路、油量测量器件等部分组成。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。飞机燃油系统主要用于存储、输送飞机飞行所需要的燃油。飞机燃油量的测量及管理系统是飞机燃油系统中的一个非常重要的子系统。实时、准确地测量油箱中的剩余油量可以精确地计算飞机续航时间，保证安全飞行。同时，通过对飞机中各个油箱燃油储量的精确测量，还可以便于燃油的综合管理，调整燃油系统中各油箱的分布，实现耗油顺序的优化，确保飞机重心自动保持和调整到飞行需要的范围内，改善飞行品质。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。在飞机飞行的各种条件和姿态下，需准确提供飞机剩余油量及特征油量信号指示，以便飞行员能够顺利完成飞行任务。油量一高度曲线和面心一高度曲线是设计和敷设油量传感器的依据，其精度直接影响飞机飞行任务的执行和飞行安全。因此，进行准确的剩余油量测量计算、进行测量误差分析与油量传感器敷设方案优化是保证飞行安全的重要环节。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。目前，采用的电阻式、电容式油量表结构复杂，工作稳定性差、误差大，指示不稳定、还存在读数误差。在工作过程中，由于内部和外部条件的影响，其性能可能发生变化。为了做好油量表的维护工作，我们必须随时了解变化着的情况，这就需要对它进行检查，这种检查工作是非常烦琐和困难的。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。随着科学技术的发展，特别是电子技术的发展，近些年来，出现了许许多多功能齐全、使用方便的电子元器件，一种集 CPU，RAM，ROM 和 I/O 接口于一体的单片微型计算机相继问世，而且性能价格比越来越高。由于单片机具有体积小、重量轻等特点，所以十分适合测量仪器。油量测量仪一旦采用了单片机，再加上合理的算法和软件支持，那么无论是仪器使用的方便性还是仪器测量的准确性都将大大提高。如果采用晶体管数码显示，使读数更加精确，减少了人为误差。而且外场维护和检查也非常方便，这样便为机务人员节约了大量的时间和精力。由于温度变化引起的误差在老式测量仪总的误差中占有较大的部分，而目前的产品之所以测量精度提高不上去，主要是温度补偿方法不合适，本课题准备采用一种区别于目前产品的温度补偿方法，从而使油量测量仪的精度有所提高。所以，该研制的测量仪具有测量误差小、读数精确、检测、维护、使用方便等特点。由此可见，通过本仪器的研制，不仅可以使油量的测量精度有所提高，还可以扩大测量范围和温度使用范围。因此，研制本仪器是非常有必要的。用高科技产品研制各种仪表来取代各种老式仪表是目前部队改装工作的主要内容。符合现代化部队装备的需要。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。本课题针对飞机的油量测量系统，力求解决测量系统所存在的传输线上信号的干扰的问题，提高系统的可靠性。1.2 燃油油量测量系统发展1.2.1 系统工作概述燃油油量测量系统的根本目标就是提供精确的燃油油量信息，而影响燃油测量精度的因素很多，主要包括传感器制造误差、油箱容差、燃油属性、燃油污染和系统安装误差等。对这些影响因素都将进行大量研究与投入。目前，这此研究主要是：高精度测量传感器的研制、传感器优化布局，测量误差的补偿与修正技术，油量显示的数字化技术等方面。燃油测量系统主要由油位测量传感器，燃油测量与处理任务计算机和油量显示等部分组成的。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。燃油油量测量系统的基本工作过程为：首先由油量测量传感器测出油箱中的油面高度，飞行姿态和存储在内部的油箱数学模型等信息，计算出对应的燃油体积，结合燃油密度传感器所测得的燃油密度，即得油箱所载燃油的质量。燃油测量任务计算机将燃油质量通过数据总线传给座舱显示系统和飞行管理任务系统等。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.2.2 系统数字化已成必然趋势经过半个多世纪的发展，尽管燃油测量精度在不断的提高，系统可靠性、维护性等性能在不断改进，但燃油测量系统的基本体系结构几乎没有任何变化，都是按照其体系结构在发展，在这个发展过程中，微电子和计算机起了决定性作用这主要体现在以下几个方面。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1）随着微电子技术的发展，在系统电路设计中，传统的模拟电路正在逐渐被数字电路取代。这使系统在结构，尺寸，重量方面得以改善，并且大大提高了系统的工作效率，测量精度，可靠性和可维护性。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2）当油位测量传感器线性变化时，就标志着油量测量任务计算机已经进入特性化时代。将传感器所包含的物理特性信息储存到测量任务计算机中，由其进行数据分类，计算，插值，存储和调用等各种复杂运算，以及实现系统故障检测，油量预选与报警等功能。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。3）在燃油密度测量方面，由于航空燃油时烃类产品的一种复杂混合物，其属性随产地不同而变化，而且存在着各种污染，导致燃油密度与介电常数的关系并不总是恒定的，并且系统对测量精度的要求在不断提高，故放弃了介电常数测量的间接测量密度方式，相继研制了各种直接测量的密度计，如放射性燃油密度传感器，谐振式密度传感器，已在波音767，波音777，C-130,F-22等飞机上成功运用。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。4）在油位测量方面，经历了从油尺、电容式测量到超声波、放射性、光纤等各种先进的测量方式并存的时代。其中电容式油位测量传感器经历了从特性传感器到线性传感器的转变，这得益于计算机技术的发展，使实时的体积计算成为现实，放弃了用传感器的非线性电容变化来反应燃油体积变化的测量方式。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.3 我国燃油测量技术研究现状及存在主要问题加装燃油时，不少都碰到过燃油短缺的现象，或少则多，甚至更多。如果在开航后才发现加油短缺，势必给公司或国家造成经济损失，甚至可能影响航行安全。近几年来，由于油价飞涨，供油船的小动作、小手段越来越多，稍不留意，就会被蒙骗，造成“短油”。因此，如何确保加油数量值得我们重视。在一些国家和地区加油特别是香港、新加坡、韩国等地应格外小心，认真防范、严格把关。目前，国内飞机上普遍采用两种方法来测量飞机上的油量。一种是电阻式油量表，它利用“浮子”将油面的高低转换为电位器电阻的变化。另一种是机电式油量表，它利用电容器将油面的高低转换为电容量的大小。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。我国对燃油测量技术的研究起步较晚，从上世纪70年代才开始相关技术的跟踪与研究，并且研究工作仅限于个别场所，在这之前仅限于简单的仿制与生产。真正开展燃油测量技术和数字式燃油测量系统研究是近10年之内。目前，我国燃油测量技术仍停留在电容式油量测量阶段，采用电容式油位测量传感器测量油位，采用介电常数测量的间接方式测量密度，系统的数字化程度低。只有个别机型采用了数字式燃油测量系统，但系统测量精度和可靠性还有待提高。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.3.1 电容式油量表的原理利用电容器的电容量随油箱液面高度变化来测量油量的仪表。由电容式传感器和伺服指示系统组成。传感器是由数个同心圆筒形极板组成的电容器，垂直地插入油箱，燃料的介电系数大于空气的介电系数，油箱内燃料高度变化时电容量也相应的变化，经伺服指示系统变换成相应的电信号，指示相应的油量值。电容式油量传感器无机械活动和电接触部件，工作可靠，测量精度较高。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。电容油量表是一种机电式的仪表。它是目前部队普遍采用的一种仪表。传感器是由同心圆筒极板组成的圆柱形电容器。其原理是基于圆柱形电容器的电容量与油面高度具有单值的函数关系。然后由自平衡式测量电路将与油量对应的电容量转换为指针的转角。自平衡式测量电路包括阻容电桥、晶体管放大器、两相异步电动机、减速器、刻度盘和指针等部分组成。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。第2章 方案论证2.1 飞机燃油测量系统的基本工作原理根据本课题的任务要求，可以初步确定其基本工作原理：设计和制作一个简易的飞机燃油测量系统，利用定时器及传感器设计一个多谐振荡器，多谐振荡器的振荡频率随电容值的改变而变化，利用单片机、LED数码管及相关元器件设计一个测量、数据处理及显示电路，使得油量变化与显示成正比，最后测出燃油的油量。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.2 设计方案方案1 雷达液位测量系统飞机油箱雷达液位测量系统由一片系统型MCU芯片C8051F020完成,大量压力、温度、品质、震动、姿态信号及通过连续波雷达照射获得的代表液位信息的差频液位信号分别传送给单片机,经多路开关在其内部完成放大、A /D转换、傅立叶变换等处理后,获得表征燃油质量的各项参数并发送给飞机燃油管理系统,从而实现对油箱液位情况的实时监测、调整。飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图如图2.1所示。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。电 源 TR组件A/D转换FFT接口部分放大滤波传感器组C8051单片机信号处理部分数字处理部分RS485接口PC机图2.1 飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图方案2 浮筒式光纤液位测量系统浮筒式光纤液位测量系统的实物图如图2.2所示，原理如图2.3 所示, 光源4 发出的光经导光光纤5 传光后照在弹簧2 上,弹簧表面贴有线状反射面(晒纸) , 反射面形成一个个亮条纹, 通过透镜将条纹投射到光纤传像束的端面, 由传像光纤将条纹图像传到光纤另一端, 再经过透镜将条纹投射到CCD 光敏面上, 由CCD 进行数据采集, 测出条纹间距。当液位为零时, 弹簧伸长量最大, 由CCD 测出的条纹间距也最大。当液位升高时, 浮筒的一部分被液体浸没, 由于受到浮力的作用而使浮筒向上移动, 弹簧缩短, 弹簧节距变小, CCD测得的光强峰值间距随之变小, 将CCD 与计算机连接, 可直接显示出液位变化, 实现贮罐液位的在线检测。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。图2.2 浮筒式光纤液位测量系统1-浮筒 2-弹簧 3-导杆 4-光源 5-传光光纤 6-传像光纤 7-CCD光电检测系统構氽頑黉碩饨荠龈话骛。图2.3浮筒式光纤液位测量系统原理框图方案3 同心电容式液位测量系统目前国内多采用同心电容式油量测量系统，通过电容值的变化感知油面的高度来测量油量。电容式液位测量，液体作为一种介质或导电体，是电容器的一个组成部分，其液面的高低，总是直接影响电容器的容量，即电容器的电容量是液位高度的单调函数。原理框图如图2.5所示，被测液面变化导致被测电容的变化，从而引起振荡器频率（或周期）发生变化。由于其变化率对于单片机而言太快，因此，首先对振荡信号进行分频处理，对应于电容的振荡频率被分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机中，最后进行显示。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。其中：h-电容器总高度；x-电容器浸入液体的深度；R-同心圆电极的外半径；r-同心圆电极的内半径；1-被测液体的介电常数；2-空气的介电常数尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。图2.4电容式油量测量系统电容（液位）电源振荡器分频器数码显示单片机LED显示报警图2.5 电容式液位测量系统原理框图2.3 方案比较数字式燃油综合管理和控制系统是当前和未来飞机控制系统的重要组成部分,燃油系统数字化是先进飞机控制技术的发展趋势。燃油测量是飞机燃油系统的主要任务之一。由于油箱内燃油温度、品质以及飞机飞行姿态的改变,总是给飞机燃油测量带来较大的误差,雷达液位测量系统具有精度高、适用性强和免维护的特点,在飞机油箱液位测量中具有很好的应用性，但其结构复杂成本较高所以很难普遍推广。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。浮筒式光纤系统通过光纤及CCD 光电检测系统测出弹簧节距变化实现油量液位的测量，由于光源及测量系统都远离现场, 实现了现场无电在线检测, 从根本上解决了防爆问题。制作工艺繁琐制作费用昂贵，在飞机领域中很难广泛使用。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。针对飞机油箱外形复杂的特点，本文系统地研究了运用同心电容式传感器对油箱内剩余油量进行测量，电容式传感器因为结构简单、不需传动机构、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、使用维护方便、能在恶劣的环境下工作等特点,被广泛用于各种测量场合。差动结构的电容式传感器可以大大降低其非线性,提高其灵敏度。同时,还能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差,加上其良好的稳定性和极好的抗过载性等特点,得到了极为广泛的应用。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。小结：根据现实飞机原理需要及其实际要求，且该电路运用的器件较现役系统有所减少，具有可行性和稳定性，而且可靠性也较高。在长时间的测量中能够表现出较稳定的效果而且精度较高，综合考虑后，设计者决定选择方案3作为本课题的最终方案。据此，课题将以方案3详细展开。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。第3章 系统设计3.1 电容式传感器测量油量系统的硬件设计思想电容式传感器是利用电容器原理,将非电量转化为电容量,进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比,具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点,在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用,是一种具有良好发展前景的传感器硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。本设计所采用的电容式传感器的测量原理就是以所测油箱的燃油作为电容的电介质，根据油量不同，所呈现的电容值不同来测量油箱的油量的。不同的油量之所以能够改变电容器的电容，根本原因是由于电介质的极化所造成的。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=S/d。可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型：.变间距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。飞机盛装油量的容器种类很多，构成的电容器种类也差别很大，一般圆柱行容器可使用同轴型或弧极板型电容模式；方形则可用平面极板性电容模式。不管那种类型模式，液体作为一种介质或导电体，是电容器的一个组成部分，其液面的高低，总是直接影响电容器的容量，即电容器的电容量是液位高度的单调函数。要推算出电容器的解析公式往往不易，即使得到该公式，要想在单片机级水平的仪器上也难进行编程且运算起来也难实施。在实际应用中，除非是平板型电容等简单的情况，否则一般可按实测值拟合一条最逼近的曲线作为测量曲线。液面测量装置用于圆玻璃瓶内溶液高度的无人监测，首先紧贴玻璃瓶放置两块圆金属薄片作为电容电极，薄片高度与玻璃瓶有效高度一致，薄片之间两边间隔同长，构成一个带狭缝的长直圆柱面电容器，截面如图3.1所示。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 图3.1带逢长直圆柱电容器截面图设油箱高度为L，外径为a，内径为b，为各向同性均匀介质，介电常数为e1，满足条件La，内部盛满的液体也是各向同性均匀介质，介电常数为e2，两块圆金属片两边与轴心间夹角为2，则这个带缝的长直圆柱面电容器的电容量表示公式3.1为：怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 式3.1飞机的飞行环境十分复杂，其中电磁干扰往往十分严重。干扰往往会对传输线上的传输信号造成很大的影响。因此该系统应当是具有一定的抗干扰能力，以提高系统工作时的可靠性。谚辞調担鈧谄动禪泻類。测量系统也应该具有一定的报警功能，在飞机燃油不足的情况下提醒飞行员当前的燃油短缺情况。由于系统基于单片机，整个测量处理过程中都是以数字形式完成，因此在基本测量功能完成的情况下，可以对系统增加一些额外的功能，比如加油可控，温度测量加以修正。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。综合上述思想，硬件电路将以上述基本情况进行展开、设计。3.2 电容式传感器油量测量系统硬件电路整体设计由前文可知电容与液面高度的关系，大多情况下C和h成线性关系，但是，高液位及低液位的情况下无法得到准确的解析公式。基于这一现状，在实施中采用以理论公式为准则，以实测数据为依据建立拟合测量曲线的方法。对于液面高度变化不是太特别快的动态也面测量，使用一个简单的多谐振荡器就行了。测量震荡器的周期TXOSC，可反演出决定振荡器周期的电容C（因电容C决定振荡器的充放电时间），而根据电容C则可反演出液面高度h（C是h的单调函数，h也是C的单调函数）。RC振荡器是利用CMOS反相门电路构成，如图3.2所示，右边反相门通过R1和C实现持续充放电过程；左边反相门通过R2使振荡器加强，并具有增加频率稳定性的作用。该电路振荡频率为：熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 式3.2若R2R1（如R2=10R1），则上式可简化为： 式3.3图3.2 RC振荡器原理这种电路振荡频率可高达数兆赫兹，要直接测出其频率或周期并不容易，为此，有必要构造一个间接方式的廉价测量电路。图3.3是基本的原理框图。被测液面变化导致被测电容的变化，从而引起振荡器频率（或周期）发生变化。由于其变化率对于单片机而言太快，因此，首先对振荡信号进行分频处理，对应于电容C的振荡频率进行分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机的中断口INTO，作外部中断源。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。电容传感器（液位）振荡器分频器报警单片机AT89C51串行接口LED显示数码显示图3.3单片机电容油量测量仪当方波下降沿到来时，单片机启动定时器开始记数，下一个下降沿到来时（分频后的一个周期），单片机将记数值送交计算处理程序去计算出液面高度h值，然后将相应的数据串行输出到相应控制数码管的电路用以显示。LED显示以及声音报警。在单片机将记数值读出的同时，单片机对计数器清零并重新启动定时器开始下一轮处理。这时，可导出在线性段的h与分频后的方波周期为T的关系。振荡器的电容C实际上是测电容与C0的并联，C0为杂散电容与芯片输入电容之和。由(3)、(5)和214(16384)分频关系得：纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 式3.4因此 式3.5可见，被测液面高度h与方波周期T为线性关系，使用一个具有振荡和14级分频功能的芯片CD4060，可使电路简化。使用AT89C51单片机既廉价又方便修改程序（它的程序ROM为flash）；单片机的I/O管脚可直接驱动数码管和LED显示。当要显示多位数码时，可采用动态扫描显示技术。声音报警可采用廉价的门铃IC，而串行接口则可用AD公司的ADM101E，它具有电压反转功能，无需外加负压即可将TTL电平的串行信号转成RS-232标准信号以方便和微机通讯。由于其功耗极小，电源采用一个小型的AC-DC就足够了，这样整套装置的重量和体积可以做得很小。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.2.1电容信号提取与转换电路的设计 本部分介绍电容信号的提取与转换电路组成、工作原理以及转换电路所输出的矩形波宽度与所转换电容之间的关系。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。电容信号转换电路的工作原理： 由于电压控制端5悬空，比较器C1高电平触发端6的触发电压为2Ec/3，比较器C2低电平触发端2的触发电压为Ec/3。2 端为单稳触发器的触发端，与触发信号Vi相连。电源接通后，Ec通过电阻R 向电容器C充电，当Vc上升到高电平触发电压2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0为低电平，同时电容器C通过三极管T1迅速放电。但是，由于比较器C2的低电平触发端2未接在电容器C上，因此电容器C放电不影响触发器的状态。当2端外加触发脉冲Vi，并且它的值小于Ec/3时，S为低电平，使触发器翻转，V0变为高电平，同时使三极管T1截止。电源Ec通过R再次向电容器C充电，直到Vc上升到2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0变为低电平。由此可见，对于该单稳触发器，只要在其触发端施加一个触发信号，它便会输出一高电平信号，该高电平持续的时间为电容C上的电压由零上升到2Ec/3所需的时间。由于电阻R为固定值，因此电容器C充电的时间只由电容C决定。所以根据单稳触发器所产生的高电平的持续时间，便可知道电容C的大小。这就是电容转换电路的工作原理。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。电容信号转换电路的组成：该电路的核心部件为一个 555 集成块如图3.4所示 图3.4 555集成块原理图图中虚线框内为555的原理电路，555电路包括一个三极管开关T1，两个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器，以及由三个阻值为5K的电阻组成的分压器。555各引脚名称如下所示。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。555电路引脚功能：1、电源地端2、低触发端 3、输出端4、复位5、电压控制6、高触发端7、放电端8、电源电阻R为高精密的固定电阻，该电阻的电阻温度系数极低，因此可以认为该电阻的阻值不随温度变化。电容C为传感器的电容。传感器电容C、高精密电阻R以及555集成块构成的电路实际上就是一个单稳态触发器。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。信号提取电路由传感电容、电阻、555多谐振荡芯片，输出缓冲组成，其结构如图3. 6所示。该电路的输出数字脉冲的频率与传感电容满足式塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 f=1T=1R1+2R2Cwln2 式 3.6裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。其中 R1=RWR该电路输出脉冲波形占空比始终大于50%，其占空比q满足 q=R1+R2R1+2R2 式 3.7合理选择R1与R2对输出脉冲波形占空比接近50%，但考虑到所选计数芯片CD4040是以该脉冲信号的下降沿作为计数触发的性质，且传输线上的干扰是随机的，因此在理论上可以忽略波形占空比，但实际设计中将占空比调节到60%左右，经过一反相器后使得信号在观察上显得很直观。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。图3.5 信号提取电路原理图现役油量测量系统的传感电容容值变化范围受到飞机油箱的深度影响，其主要有10nF-100nF、1000-2000pF两种。由于飞机发电机输出电压频率为400Hz，测量系统传输电缆主要受此频率的电磁波及其高次谐波干扰，因此传输线上的频率应该远高于400Hz。数字脉冲串频率大小会影响电路所需要计数时间的长短，过长则影响程序运算周期，过短则影响数据精度。这里电路最高振荡频率需要根据计数电路的实际情况再作定夺，因此不在此详细分析。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。这里以传感电容容值范围为10-100 nF的传感电容做了一次简单的测试，该电路输出脉冲频率与传感电容参数变化的关系如图3.7所示。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。表3.1 电路参数表CwR1、R2 脉冲频率f 10 nFR1=30k，R2=20k412 kHz20 nFR1=30k，R2=20k375 kHz30 nFR1=30k，R2=20k343 kHz40 nFR1=30k，R2=20k317 kHz50 nFR1=30k，R2=20k294 kHz60 nFR1=30k，R2=20k275 kHz70 nFR1=30k，R2=20k258 kHz80 nFR1=30k，R2=20k229 kHz90 nFR1=30k，R2=20k206 kHz100 nFR1=30k，R2=20k188 kHz10 nF100 nF188KHz412KHzfCw图3.6 传感电容频率关系本仪器信号转换电路的特点：1）解决了现有的一些仪器油量测量范围较窄这一问题。为了解决信号干扰问题，在测量燃油油量时，一般都对燃油进行几至十几次的连续采样。目前利用电容式传感器进行油量测量的仪器，一般使用的都是和本仪器相类似的转换电路。对于这样的转换电路，每次采样都需要发出一触发脉冲。所以完成一次完整的测量，需要间断地发出几个至十几个触发脉冲。一般这些触发脉冲都是等间隔的。而且对于不少仪器,这些脉冲都是由硬件电路完成的。由硬件电路产生触发脉冲的最大优点是不占用CPU时间，缺点是产生的脉冲间隔不能根据需要而方便地进行调整。这样，当燃油的油量较大时，传感器电容将较大，电容转换电路输出的矩形波将很宽，以至于下一个触发脉冲到来之前还没有结束，这样就进行不了第二次采样，仪器不能正常工作。从而限制了仪器测量范围。而本仪器的触发脉冲由软件来产生，这样便可根据需要进行灵活的调整。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。2）解决了现有的绝大部分仪器使用温度较窄的问题目前绝大多数仪器都采用了热敏电阻测量燃油温度，但转换电路采用的都是A/D转换器。由于A/D转换器的正常工作温度范围为 0C70C，所以这些仪器一般都不适合寒冷地区使用。而本仪器的电阻转换电路为一块555集成块构成的单稳态触发器，555集成块的温度范围很宽，这不但降低了成本和功耗，而且还加宽了仪器的使用温度范围。555振荡电路输出的脉冲信号经过一级7414芯片的反相后输出，7414（施密特触发）芯片能够很好的对振荡电路给出的脉冲沿进行整形，使脉冲信号变得十分规整。如果需要功率较大的输出信号,这里可以将7414输出信号再过一级功率电路，使得其输出电流加强，降低系统对传输线阻抗匹配的要求。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。3.2.2 计数电路的设计由于飞机油箱的结构、所处位置都不同的原因，系统的设计需要对各个油箱的具体情况加以分析。油箱较大的，其传感电容也大，油箱较小的，传感电容也就教小，这样就造成了各个油箱内的信号提取电路所给出的脉冲会存在频率上的差异。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。单片机内部包含两个计数电路，可以对外部脉冲信号进行计数，由于硬件自身的限制，外部脉冲的最高频率会受到限制。这种情况下，单片机自带的计数电路就不太适合频率差异较大的多脉冲的计数；另外，由于调用该功能需要占用一个中断源，而单片机的中断源与中断嵌套深度十分有限，中断源的占用将大大降低系统的扩展性。因此这里需要设计一个测量频率广、计数位数较大、通用性较强的多路脉冲计数电路，以此来取代单片机的计数功能，使系统更好地工作。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。计数电路主要由一片12位计数芯片CD4040、一片8选一的数控开关CD4051、一片四总线缓冲器74LS125和一片八双向总线收发芯片74LS245组成。电路基本原理如图3.8所示。下面首先详细说明脉冲频率与闸门时间的关系，随后说明电路工作原理及接口作用，最后简要介绍一下电路中所运用到的芯片的基本情况。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。图3.7 计数电路原理图在前面的分析中已提到，由于飞机油箱的不同，往往装于内部的传感电容大小不同，这就使得传感电容的容值的变化范围发生改变。对于一个555振荡电路而言，可以通过改变电路中电阻参数来使得不同的两个振荡电路具有相同的振荡频率。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。上一节中给出了两个主要传感电容的容值变化范围，现将上述对10-100nF传感电容的测试数据为例说明计数闸门时间与频率之间的关系。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 该计数电路是12位二进制计数器，其计数范围为04095。由于传感信号的频率f范围被设定于420-188KHz之间，因此这里选用10ms作为闸门时间T。若在一次计数过程中，将计数器记录的数据用D表示，则胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 D=fT,D2100，4200 式 3.8这里我们对微调电阻作一定的调节，使得振荡电路输出最高频率为409KHz，则计数电路在输入最高频时便是满量程计数；当传感电容容值下降时，振荡电路的输出频率也随之降低，此时以同样的闸门时间对脉冲计数，就会得到一个数值较小的计数。以此方法就可以得到一个数值随传感电容容值下降而上升的计数数值。另外，从式3.8中我们还可以看出，闸门时间的选定对计数的精度与范围有直接影响：对于同一个信号而言，闸门时间太长，会导致计数器的超量程；闸门时间太短，则未能使计数器满量程工作，使得计数数值较小，影响计数精度。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。计数电路基本工作原理级各接口作用： 该电路是一个八路12位二进制计数电路。电路左端端口均为输入，右端则均为输出，如图3.8所示。电路数据输出端口具有高阻态，其中数据输出D0-D3与D8-D11以时分复用的方式由输出端口低四位输出。图3.8中的H-En与L-En控制数据输出低八位与高四位。当L-En与H-En输入同时为高电平时，两片三态缓冲芯片输出口均为高阻态，此时电路输出不占用数据总线；当L-En输入信号为低电平而H-En输入为高电平时，三态缓冲芯片74LS245被选中，而74LS125仍然维持高阻态，此时计数器低八位数据从八位输出端口输出；当L-En输入为高电平而H-En输入为低电平时，三态缓冲器将计数芯片高四位数据送往数据总线低四位，而74LS245维持高阻态。需要注意的是，这里L-En与H-En输入信号绝对不可以同时为低电平，因为在这种情况下数据总线低四位会出现冲突。在不调用计数电路的情况下，L-En与H-En输入信号也都应当为高电平，以免和其他外部电数据端口发生冲突。L-En与H-En信号相当于计数电路的片选信号。Rst输入端为芯片CD4040的计数清零输入端，该输入端为高电平时，CD4040全部输出管脚都被置为低电平，计数器被清零。C-En输入端为芯片CD4051的输出允许信号，该输入端接入低电平时，芯片被允许输出，其输出为二进制地址输入端口A，B，C所选中的8路输入信号的某一路，当该信号为高电平时，芯片禁止输出，输出端维持低电平状态。该输入端在运用中接时钟闸门信号。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。本计数电路对第三路脉冲进行一次计数，流程如表3.2所示：表3.2 单路计数工作流程时序C-ENRstABCH-ENL-END7-D01 HHXXX HH高阻态2HH010HH高阻态3LL010HH高阻态4HL010HL计数数据低8位5HL010LH计数数据高4位6HHXXXHH高阻态最后简要介绍一下该电路涉及的芯片： 1CD4040该计数电路核心为芯片CD4040，该芯片是12位二进制串行计数芯片，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数，Rst端为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用了施密特触发器，因此对脉冲上升和下降沿时间没有限制，所有输入和输出均经过缓冲。该芯片在5V工作电压时，其对外部脉冲计数频率最高为3.5MHz。该芯片军用类工作温度范围为-55125。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 2CD4051芯片CD4051是8选一的数控模拟开关，由三个二进制控制输入端与A、B、C与En共同控制8路输入信号，并选择其中一路输出。该芯片具有低导通阻抗和很低的截止楼电流。该芯片具有极低的静态功耗。该芯片军用类工作温度范围-55125。该芯片在负载阻抗很高的情况下可以传输频率超过10MHz的信号。该芯片在电路中的作用是利用数字信号控制CD4040的计数芯片对各个油箱传感器作时分复用的计数，这样一来便可以使得计数芯片以一对多的工作方式工作，节省电路元器件，增加电路的工作效率。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 374LS125、74LS245芯片74LS245与芯片74LS125均为总线缓冲芯片，前者是八位双向缓冲器，后者则是4位单向缓冲器，两芯片共同组成一个12位的数据缓冲器。两芯片在OE信号无效时，输出端均呈现高阻态。由于CD4040 计数芯片输出端没有三态功能，因此需要上述芯片组合作为12位输出电路，这样可以十分方便的配合数据总线进行时分复用，而不必单独占用一个I/O口，节省单片机端口资源。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。3.2.3 显示电路考虑到现役测量系统的显示只采用了两位有效数字，又油量数据的采集及处理可能会造成程序运行的周期过长，因此显示电路的设计不宜采用动态扫描形式。这里本人采用由三个七段LED驱动芯片CD4511构成的显示电路。其电路原理图如图3.9所示。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。图3.8 显示电路原理图电路工作流程：该电路采用静态显示，电路工作时，首先清零B1，B2，B3，此时输出全灭。工作时先置L1为低电平，L2，L3为高电平，此时另数据输入端ABCD为第一个数码管所要显示的BCD码，置L1为高电平后，芯片1输出被锁定；同样以此时序对芯片2，3 进行操作后，置B1，B2，B3为高电平后，LED显示数据，此后数据总线输出将不对该电路造成影响，直到L1、L2或L3状态发生改变。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。该电路核心芯片介绍：芯片CD4511是BCD-7段锁存译码驱动器，CD4511具有低静态耗散和高抗干扰能力，该芯片可以直接驱动LED及其他显示器件。芯片输入端A，B，C，D为二进制数据输入端，BI为输出消隐控制端，当该管脚接入低电平时，芯片输出全零，LED灭；当该管脚为高电平时，LED显示输入ABCD所代表的十进制数。LE为数据锁存控制，该管脚为低电平时，锁存无效，此时显示随输入ABCD的译码；当该管脚跳变为高电平时，输入信号被锁存，此时显示不随输入ABCD改变而变化。LT为测试端，正常应用时，该管脚只要接高电平。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。3.2.4 最小系统AT89C51介绍AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMET公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程，因此AT89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便的应用在各种控制领域。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零，并提供两种可用软件来选择的省电方式-空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结“，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，只到下一次硬件复位为止。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。AT89C51单片机的基本组成图3.10 所示为89C51带闪存(Flash ROM)单片机的基本结构框图。在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89C51单片机芯片内包括：(1)一个8位的80C51微处理器(CPU)。(2)片内256字节数据存储器存RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。(3)片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。(4)4个8位并行I/O端口P0P3，每个端口即可作输入也可作输出。外部事件计数输入2*16位定时器/计数器数据存储器256字节RAM/SFR程序存储器4KBFlash ROM振荡器和时序OSC風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。89C51 CPU可编程全双工串行口64KB总线扩展控制器可编程I/O内中断串行通信地址/数据控制外中断图3.9 89C51单片机结构框图。(5)2个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。(6)具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。(7)一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。(8)片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz。(9)89C51单片机与8051相比，具有省电工作方式，即休闲方式及掉电方式。以上各个部分通过片内8位数据总线相连接。AT89C51单片机芯片内部结构89C51单片机与早期的Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用Flash RAMROM替代ROM/EPROM而已。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器(ROM/RAM)和I/O接口组成。各部分功能简述如下。1.中央处理单元(89C51 CPU)CPU是单片机的核心，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。1)运算器运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算单元ALU，8位的暂存器1(TMP1)、暂存器2(TMP2)，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。ALU：可对4位(半字节)、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作，如能做加、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和“与”、“或”、“异或”、“求补”及“循环移位”等逻辑操作。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在89C51内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是最忙碌的一个寄存器。在指令中用助记符A来表示。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。PSW：程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。B：8位寄存器，在乘，除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘，除运算，则可作为通用寄存器使用。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。另外，89C51片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器，专门用于处理位的操作，如可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0转移、位等于1转移并清0以及位累加器C与其它可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其它可寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位C中。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。2)控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就改变程序执行的方向。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。指令寄存器IR及指令译码器ID：由PC中的内容指定Flash ROM地址，取出来的指令经指令寄存器IR送至指令译码器ID,由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。例如：控制ALU的操作，在89C51片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I/O口或存储器之间通信的控制信号等。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。振荡器及定时电路：89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容，其频率为024MHz。该脉冲信号就作为89C51工作的基本节拍，即时间的最小单位。89C51同其他的计算机一样，在基本节拍的控制下协调的工作，就像一个乐队按着指挥的节拍演奏。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。2.存储器89C51片内有Flash ROM(程序存储器，只能读)和RAM(数据存储器，可读可写)两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不同。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。1)程序存储器（Flash ROM）89C51片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。2)数据存储器（RAM）89C51片内存储器为128字节，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果，数据暂存以及数据缓冲等。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。在这128字节的RAM中有32字节单元可指定为工作寄存器。这同一般微处理器不同，89C51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。89C51单片机内部还有SP、DPTR、PCON、IE和IP等多个特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址为80HFFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器(SFR)，这些特殊功能寄存器还包括P0P3口锁存器。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 3.I/O接口89C51有4个与外部交换信息的8位并行接口，即P0P3。它们都是准双向接口，每个端口各有8条I/O线，均可输入/输出。P0P3口4个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器(SFR)来寻址。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。除4个8位并行口外，89C51还有一个可编程的全双工的串行口(UART)，利用P3.0(RXD)和P3.1(TXD)，可实现与外界的串行通信。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。3管脚说明：穑釓虚绺滟鳗絲