基于容積法的汽車油耗檢測儀器設(shè)計(jì)

.z第1章緒論1.1引言隨著經(jīng)濟(jì)的快速開展，汽車數(shù)量的不斷增加，而且石油資源需求快速激增，使能源供需矛盾日益突出。我國2009年中國石油表觀消費(fèi)量為40,837.5萬噸，僅次于美國，預(yù)計(jì)2010年將到達(dá)4.27億噸。2009年中國汽車產(chǎn)銷分別為1379.10萬輛和1364.48萬輛,成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國，2010年的汽車保有總量已到達(dá)7619萬輛，由汽車消耗的燃料占我國燃料消耗總量的40%左右。汽車的主要能源是石油產(chǎn)品中的汽油和柴油。我國的石油消耗在過去20年里以每年5%的速度增加。目前，快速增長的石油消耗造成的能源等問題己經(jīng)出現(xiàn)。短缺的石油供給與經(jīng)濟(jì)快速開展帶來石油需求間的矛盾突出，而燃油消耗快速增加成為首要因素。權(quán)威統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)動車消耗了全國石油總產(chǎn)量的85%，柴油總產(chǎn)量的42%。預(yù)計(jì)到2010年底到達(dá)2.7—3.1億噸。而國內(nèi)年產(chǎn)量僅能到達(dá)1.65—2億噸，供需缺口為1.05—1.1億噸。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開展的戰(zhàn)略目標(biāo)，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。同時(shí)汽車燃油消耗是衡量汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，是車輛技術(shù)等級評定的關(guān)鍵項(xiàng)。燃油經(jīng)濟(jì)性好，可以降低汽車的使用費(fèi)用、節(jié)省石油資源、降低發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的有害氣體的排放量，起到防止全球變暖的作用。因此，對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)展檢測是十分重要和必要的。對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)，一般是通過汽車燃油消耗量測量來確定的，它是用以評價(jià)在用汽車技術(shù)狀況與維修質(zhì)量的綜合性參數(shù)，也是診斷和分析汽車故障的重要參考，因此汽車燃油消耗量是汽車的重要性能之一。因?yàn)樗瞧嚨闹饕阅苤?，所以?zhǔn)確、迅速地對汽車燃油消耗量進(jìn)展檢測并作出評價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評定使用的是油耗計(jì)測定方法。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測量較為簡單，但是，隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和汽車電子技術(shù)的長足進(jìn)步，汽油機(jī)的化油器已被電控燃油噴射系統(tǒng)(EFI)所取代，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性測量的對象已全部變成了電控噴射發(fā)動機(jī)。電控噴射發(fā)動機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問題，使其對油耗的測量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測量方法和儀器的研究受到了更多的關(guān)注。研發(fā)車輛油耗檢測儀，提高油耗檢測精度，擴(kuò)大儀器測量*圍，是實(shí)現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求，也是科學(xué)技術(shù)日益開展的需要?；谌莘e法的汽車油耗檢測儀器能準(zhǔn)確檢測汽車油耗，可以對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性有一個(gè)正確的評價(jià)和預(yù)測，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對營運(yùn)車輛油耗檢測評價(jià)，可為其維護(hù)、維修提供依據(jù)；對于維修企業(yè)，也可用于判定維修質(zhì)量；還可用于教學(xué)、研究單位進(jìn)展其工作規(guī)律研究。

由此可見，汽車油耗不僅關(guān)系到環(huán)保節(jié)能更是汽車前沿技術(shù)的開展和應(yīng)用。由此研制能快速、準(zhǔn)確測量汽車在各種工況下油耗的儀器，也已成為一項(xiàng)重要課題。1.2國內(nèi)外的油耗儀研究狀況及開展趨勢1.2.1國內(nèi)外研究狀況1、國外汽車油耗儀的研究狀況國外汽車工業(yè)興旺國家，比擬重視環(huán)保與節(jié)能。其車輛油耗檢測技術(shù)較先進(jìn)，投入的人力和財(cái)力也較多，并大量采用了傳感技術(shù)和微電腦技術(shù)，正在大力開發(fā)研制智能型油耗檢測裝置，其功能、測試工程、精度、顯示方式都在不斷開展與完善之中，本錢逐漸趨向合理。目前，國外有關(guān)燃油消耗測量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。燃油消耗量是評價(jià)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，也是汽油機(jī)的重要測量參數(shù)之一。因此，燃油消耗量的測量是內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)的重要組成局部，其測量精度直接影響汽油機(jī)實(shí)際性能指標(biāo)、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)確定和主要的選配及調(diào)整等。目前，內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)多屬于穩(wěn)態(tài)工況，仍沿用傳統(tǒng)的質(zhì)量法或體積法測量發(fā)動機(jī)燃油消耗量。隨著汽車技術(shù)飛速開展，對其測試的手段也應(yīng)同步開展。目前的油耗儀多為體積式的，日本小野公司的FP-214型活塞式流量傳感器，最低采樣時(shí)間為0.ls，最小油量分辨率為1ml，傳感器量程為0.3～120L/h。渦輪流量儀具有瞬時(shí)測量和累計(jì)功能，得到廣泛應(yīng)用，可測量0.05～1200L/min的液體流量，在標(biāo)定條件下，精度可達(dá)±0.5%，響應(yīng)時(shí)間2～10ms。中小功率汽油機(jī)燃油流量小，一般在10～3000mL/min，超出渦流流量計(jì)下限，為此國內(nèi)研制出不同大小的渦輪以滿足汽油機(jī)小流測量的需要。以上兩種流量儀均用于汽車道路試驗(yàn)，只能測量體積流量。美國Pierburg儀器司的流量計(jì)為渦輪流量儀的改良型，流量*圍可從1L/h起，響應(yīng)時(shí)間為200ms，精度可達(dá)±0.l%。奧地利的AVL公司研制的臺架試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)燃油耗的準(zhǔn)確測量儀，在油量25g時(shí)精度較高，臺架試驗(yàn)測量*圍為0～150kg/h，盡管該油耗儀可進(jìn)展動態(tài)測試，但由于仍是靜態(tài)燃油測量秤的改良，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于200ms。目前，國外有關(guān)燃油消耗測量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。美國、日本和歐洲各國汽車油耗、C02排放的測試循環(huán)和測量設(shè)備各不一樣，測試*圍也不全一致，但都是模擬汽車實(shí)際道路運(yùn)行狀況下，多工況法汽車油耗測試方法，主要限制產(chǎn)量較大的輕型(包括微型)車輛。歐洲法規(guī)或指令只規(guī)定了M1類車的測試方法，且近十多年來不斷變化。早期是分別測量低速城市工況(即ECE15工況)油耗和90、120km/h的等速油耗;93年開場采用城市工況和城郊高速工況(EUDC)的復(fù)合工況油耗，在排放實(shí)驗(yàn)室用碳平衡法而不是用油耗儀直接測量;2000年開場采用冷啟動而不是原來的熱啟動狀態(tài)下的工況法來測量油耗，以求更真實(shí)測量汽車實(shí)際油耗的排放。以歐洲為例，1995年歐洲轎車平均C02排放量(采用模擬實(shí)際的冷啟動后工況法測試循環(huán))為185g/km，2000年降低至169g/km，2008年將進(jìn)一步降低至140g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為5.9L，也是在1995年的根底上減低了約25%);美國是分別測量模擬市區(qū)(平均車速31.7km/h)和高速公路(平均車速77.4km/h)運(yùn)行狀態(tài)的工況法油耗，加權(quán)平均后作為汽車名義油耗。日本測量的是10—15工況(平均車速22.7km/h從小)運(yùn)行下的平均油耗。不僅如此，美國還規(guī)定了汽車制造公司的平均油耗(CAfE)限值，不滿足該限值則視差距大小處以數(shù)額不等的罰款;日本則規(guī)定了不同質(zhì)量的汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)表，歐洲則規(guī)定Ml類車型式認(rèn)證時(shí)必須測試油耗，確認(rèn)汽車廠的申報(bào)值并向社會公布。2、國內(nèi)汽車油耗檢測技術(shù)研究狀況在現(xiàn)代以科技為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)社會中，研究與開發(fā)新型智能油耗軟件是實(shí)現(xiàn)檢測油耗產(chǎn)品升級換代的要求，是科學(xué)技術(shù)日益開展的需要。以前我國主要采用普通式汽車油耗計(jì)檢測油耗，隨著時(shí)代的變遷，科技的日新月異，這類油耗計(jì)精度低、功耗大、適用*圍較窄、可靠性不大、抗干擾性不強(qiáng)等一系列弊端逐漸突顯出來，并函待改善。在國內(nèi)，由于技術(shù)上的落后，對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測重視較晚，直到1991年10月1日交通部才公布實(shí)施了涉及車輛燃油消耗檢測的法規(guī)—?汽車運(yùn)輸業(yè)綜合性能檢測站管理方法?，規(guī)定采用的測量方法為容積法和重量法。少數(shù)幾個(gè)大的科研單位雖然從國外引進(jìn)了一些相關(guān)的設(shè)備，但主要使用在測量汽車的尾氣排放，用碳平衡法原理測油耗，但是由于碳平衡法準(zhǔn)確計(jì)量排氣流量比擬困難，快速可靠的密封連接也十分困難很難，而且將測量誤差控制在5%以內(nèi)。所以國內(nèi)沒有到達(dá)實(shí)用階段，還沒有引起重視。目前我國主流中檔轎車的C02排放量為200~220g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為8.3L~9.2L)，考慮到眾多的國產(chǎn)在用車，我國城市的燃油消耗/C02排放水平應(yīng)該更高。我國急需借鑒國外經(jīng)歷，強(qiáng)制實(shí)施汽車多工況法油耗測試方法，作為汽車廠公布油耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一測試基準(zhǔn)，并在每輛汽車上標(biāo)明其名義油耗，引導(dǎo)用戶比擬選擇。另外，針對我國實(shí)際狀況，應(yīng)盡快發(fā)布一個(gè)汽車油耗(C02排放)限值標(biāo)準(zhǔn)，一方面可以鼓勵經(jīng)濟(jì)型汽車的開展，另一方面這也是我國汽車進(jìn)入家庭和汽車工業(yè)快速**開展的必然要求。油耗儀器多為體積式的。應(yīng)用的比擬早的是車用油耗計(jì)，如國產(chǎn)的GD-30型車用油耗計(jì)，由傳感器和電磁計(jì)數(shù)器兩局部組成，其傳感器為容積膜片式，適用于汽油、柴油發(fā)動機(jī)。但是，使用中膜片不可防止地產(chǎn)生塑性變形，致使計(jì)量精度發(fā)生變化，因而需經(jīng)常校正，因而給實(shí)際檢測帶來不便。國內(nèi)研制的FC2000發(fā)動機(jī)自動測控系統(tǒng)，它主要用于各種類型的柴油機(jī)、汽油機(jī)、天然氣、液化氣發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，同時(shí)它可以與國內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測功機(jī)配套，用于控制和測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、燃油/燃?xì)庀牧?、溫度、壓力、流量等各種不同類型的參數(shù)。此儀器集成了許多功能模塊，智能油耗儀是它的一個(gè)子系統(tǒng)。主要用于測量各種汽油機(jī)，柴油機(jī)、電噴發(fā)動機(jī)燃油消耗。油耗儀采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，油耗測量和顯示儀表集于一體，可獨(dú)立完成發(fā)動機(jī)燃油消耗的測量。FC系列智能油耗儀采用先進(jìn)的CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)特性，使多臺測試儀器可以聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)保存了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口。能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會溢出，保證使用的平安，特別適用一大回油量的電噴發(fā)動機(jī)。儀器測量時(shí)間*圍是1～200S,測量結(jié)果以4位浮點(diǎn)數(shù)的形式顯示。具有零點(diǎn)標(biāo)定和滿度標(biāo)定功能，可進(jìn)展單次測量、循環(huán)測量、超量程測量。每次測完油耗后，數(shù)據(jù)輸出到CAN總線上。測量精度0.4%F.S。這種儀器主要用于臺架試驗(yàn)[5]。AM-2018燃油消耗測試儀(通稱油耗儀)，是一種以單片計(jì)算機(jī)為核心的智能化儀器，并采用國際上流行的軟膜輕觸開關(guān)面板，使儀器的可靠性與外觀都有很大的提高。該儀器可測定各類發(fā)動機(jī)燃料的消耗量、瞬時(shí)流量；可進(jìn)展定容積、定重量、定時(shí)間等參數(shù)的測量及控制；可用于汽車道路實(shí)驗(yàn)，如等速油耗、加速油耗、百公里油耗等多種道路試驗(yàn)。該儀器具有數(shù)據(jù)存貯和處理的功能，能直接顯示打印計(jì)算結(jié)果。兩路傳感器可同時(shí)工作，特別適應(yīng)于有回油管路的測試；配接的傳感器采用獨(dú)特的兩路編碼技術(shù)，在小流量、油路脈動情況下，具有測量精度高，工作穩(wěn)定可靠之優(yōu)點(diǎn)。這種儀器既可用于臺架試驗(yàn)又可用于道路試驗(yàn)。JDSZ-EP-1-3型汽車油耗計(jì)量儀是動態(tài)測試并顯示汽車行駛中的瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗測量儀器，由油耗儀主機(jī)和CPU顯示器兩局部組成，為公交車輛、客運(yùn)車輛、貨運(yùn)車輛及工程車輛等進(jìn)展準(zhǔn)確的油耗統(tǒng)計(jì)與油料定額管理、為駕駛員提高節(jié)油操作技能、為國家推動節(jié)能減排戰(zhàn)略，提供了一個(gè)有效的油耗測試手段，使節(jié)能減排有據(jù)可依。1.2.2開展趨勢傳統(tǒng)的汽油汽車發(fā)動機(jī)中，汽油是經(jīng)過化油器后和空氣混合而進(jìn)入汽缸的，只要把流量傳感器串接在油路上即可測出燃油消耗量，方法較為簡單，但測量精度比擬低，而且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量、不能記錄數(shù)值等很多弊端。由于電控噴射發(fā)動機(jī)的優(yōu)越性能，已逐步取代傳統(tǒng)的化油器。取而代之的是采用流量傳感器和單片機(jī)的智能油耗檢測技術(shù)，并且能通過顯示器和打印機(jī)對外輸出?；谌莘e法的汽車智能油耗檢測儀器能對汽車進(jìn)展不同工況的油耗數(shù)據(jù)測量，以及汽車行駛的等速油耗、加速油耗、便工況油耗及百公里油耗測量，尤其是瞬時(shí)油耗的測量，而且精度較高。將先進(jìn)的智能傳感技術(shù)和智能儀表應(yīng)用與液體流量檢測與顯示，集機(jī)、電、液于一體，提高檢測與顯示精度和檢測的自動化程度，滿足生產(chǎn)需要。由于單片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，微電子技術(shù)的迅猛開展，加上傳感器的微型化、多功能化、集成化和智能化的開展，控制功能的不斷完善，因而目前國內(nèi)外各國都在研究與開發(fā)微電腦油耗儀，并進(jìn)一步向智能化方向開展。1.3課題研究目的和意義作為汽車的主要性能之一，準(zhǔn)確、迅速地對汽車燃油消耗量進(jìn)展檢測并作出評價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評定使用的是油耗計(jì)測定方法。目前國內(nèi)常用的發(fā)動機(jī)油耗測量方法還是油耗儀測量方法，這些油耗測量儀表種類繁多，使用方法和測量精度也各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測量較為單一，但是，隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和汽車電子技術(shù)的長足進(jìn)步，汽油機(jī)的化油器已逐漸被電控燃油噴射系統(tǒng)(EFI)所取代，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性測量的對象已全部變成了電控噴射發(fā)動機(jī)。電控噴射發(fā)動機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問題，使其對油耗的測量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測量方法和儀器的研究受到了更多的關(guān)注。目前測定燃料消耗率(簡稱耗油率)的方法通常有容積法、重量法、流量計(jì)法和流速計(jì)法等。常規(guī)的容積法和重量法的測量精度較高,但不能測量瞬時(shí)耗油率,只適用于內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工況下燃油消耗率的測定。流量計(jì)法和流速計(jì)法可以測量瞬時(shí)耗油率,但由于單位時(shí)間燃油的流量很小,因此測量精度較低。測量內(nèi)燃機(jī)各工況下的耗油率不僅可以判斷其經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)也有助于診斷燃油系統(tǒng)的缺陷和故障。本文設(shè)計(jì)了基于失重法的智能油耗測量系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)功能強(qiáng)、測量精度高、使用方便,而且能夠?qū)δ壳按蠖鄶?shù)電噴發(fā)動機(jī)進(jìn)展檢測，并且能夠直觀的反映出瞬時(shí)油耗情況，從而為檢測和診斷汽車故障以及內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。研究與開發(fā)汽車油耗智能檢測儀器，能夠提高油耗檢測的精度，降低檢測儀器的使用功耗，提高儀器的抗干擾能力，擴(kuò)大儀器的測量*圍。對于準(zhǔn)確評價(jià)汽車的油耗性能，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對環(huán)境的污染等具有重要意義。研究與開發(fā)新型智能油耗檢測軟件也是實(shí)現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品升級換代的要求，也是科學(xué)技術(shù)日益開展的需要?；谌莘e法的油耗檢測裝置可以準(zhǔn)確檢測汽車油耗，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對營運(yùn)車輛油耗檢測評價(jià)，可為其維護(hù)、維修提供依據(jù)；對于維修企業(yè)，可用于判定維修質(zhì)量；還可用于教學(xué)、研究單位進(jìn)展其工作規(guī)律研究。采用汽車油耗智能檢測技術(shù)開發(fā)的基于容積法的油耗儀是一種智能型儀器。研究與開發(fā)智能型汽車油耗儀，能提高油耗檢測的精度，降低儀器的使用功耗，提高儀器的抗干擾能力，擴(kuò)大儀器的測量*圍。對于準(zhǔn)確評價(jià)汽車的油耗性能，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對環(huán)境的污染等有重要的意義。是油耗產(chǎn)品升級換代的要求，是科學(xué)技術(shù)日益開展的需要。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車的重要性能之一，汽車燃油供給系統(tǒng)技術(shù)狀況的好壞直接影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放凈化和可靠性，在使用中有較高的故障率。因此，基于容積法的汽車油耗儀是車輛診斷、檢測及維護(hù)的重要儀器。(1)總體方案確實(shí)定；介紹基于容積法的汽車油耗檢測技術(shù)理論；分析汽車油耗不同檢測方法的特點(diǎn)，廣泛查閱各種文獻(xiàn)，了解目前國內(nèi)外油耗測量方法的現(xiàn)狀，分析其長處和缺乏；根據(jù)汽車油耗儀的功能要求，確定總體技術(shù)方案；〔2〕確定基于容積法的汽車油耗檢測的控制原理；建立汽車油耗檢測的數(shù)學(xué)模型；〔3〕硬件局部設(shè)計(jì)、選擇和匹配。包括流量傳感器、單片機(jī)、顯示器、打印機(jī)、監(jiān)控芯片、鍵盤、通訊接口、日歷和時(shí)鐘、電源等元器件。根據(jù)系統(tǒng)的要求，以及目前上述各種原件的技術(shù)狀況、性能特點(diǎn)、性價(jià)比等，結(jié)合調(diào)研情況以及相關(guān)的參考資料進(jìn)展比照分析，確定采用的元件的具體型號，并給出相應(yīng)的接口電路，相互之間進(jìn)展合理的匹配。同時(shí)給出以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)電路原理圖，從而為各元件之間建立必要的聯(lián)系；〔4〕軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。根據(jù)儀器功能要求和油耗檢測數(shù)學(xué)模型等進(jìn)展軟件系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，選擇語言編寫控制程序。完成對油耗的智能化測試，軟件功能是通過分程序模塊來實(shí)現(xiàn)的，主要包括初始化模塊、二進(jìn)制和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序模塊、顯示模塊和耗油量測試模塊等。同時(shí)進(jìn)展程序的調(diào)試工作，以對編寫的程序進(jìn)展運(yùn)行檢查，驗(yàn)證運(yùn)行邏輯、運(yùn)行流程等。軟件局部配合硬件控制系統(tǒng)，共同完成對油耗的智能化測試，而軟件功能是通過分程序模塊來實(shí)現(xiàn)的，主要包括初始化模塊、鍵盤管理模塊、二進(jìn)制和十進(jìn)制轉(zhuǎn)化模塊、浮點(diǎn)數(shù)模塊、顯示模塊和油耗量測試模塊。同時(shí)進(jìn)展程序的調(diào)試工作，以對編寫的程序進(jìn)展運(yùn)行檢查，驗(yàn)證運(yùn)行邏輯、運(yùn)行流程等；〔5〕儀器機(jī)械局部的設(shè)計(jì)。主要是油耗儀的外型尺寸的設(shè)計(jì)，殼體材料的選擇，控制面板的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)線接口的設(shè)計(jì)、芯片安裝方式確實(shí)定。第2章基于容積法的汽車油耗儀的總體技術(shù)方案2.1儀器的功能及要求〔1〕系統(tǒng)需完成車輛的油耗智能檢測。采用容積式傳感器檢測燃油流量信號，通過單片機(jī)在相應(yīng)軟件的支持下進(jìn)展處理，在通過顯示器或打印機(jī)對外輸出。同時(shí)，要采用監(jiān)視器對成個(gè)系統(tǒng)進(jìn)展監(jiān)控，采用通訊接口與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊；〔2〕應(yīng)能在道路或臺架試驗(yàn)臺上完成汽油車和柴油車的百公里油耗、等速油耗、加速油耗的測試、平均油耗和瞬時(shí)油耗。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)定容積測試、定質(zhì)量測試、定時(shí)間測試的功能；〔3〕系統(tǒng)采用的理論應(yīng)具有可行性，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對自身的標(biāo)定和對傳感器的標(biāo)定；〔4〕該項(xiàng)技術(shù)完成后測試精度要高和抗電磁干擾能力要強(qiáng)；〔5〕該項(xiàng)技術(shù)完成后使用要簡單，可操控性要強(qiáng)，該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品化之后，同比之下本錢要低、精度要高。2.2總體設(shè)計(jì)方案確實(shí)定2.2.1儀器總體方案確實(shí)定根據(jù)車輛的油耗監(jiān)測系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)智能化檢測功能的要求，針對基于容積法的智能油耗儀的具體應(yīng)用情況，選擇系統(tǒng)組成元件，構(gòu)成油耗檢測系統(tǒng)的硬件局部。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的各種使用功能，合理地選擇元器件，并仔細(xì)考慮各元件之間的搭配關(guān)系和性價(jià)比，完成對系統(tǒng)的控制電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)汽車的發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)的工作原理和汽車的運(yùn)行條件，確定油耗檢測方法，建立油耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，配合硬件局部控制電路選擇或編寫控制軟件，共同完成對基于容積法的油耗儀器的智能化測試。針對油耗檢測系統(tǒng)工作過程中遇到的干擾，分析原因，采取相應(yīng)方法，提高容積法油耗檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。通過實(shí)驗(yàn)分析油耗系統(tǒng)所采用的理論可行性，根具體情況對理論模型進(jìn)展修正，提供其檢測精度。進(jìn)展系統(tǒng)試驗(yàn)誤差分析，為了更合理的選用測試裝置和測試方法，對產(chǎn)生的誤差應(yīng)進(jìn)展正確的分析并確定其產(chǎn)生的原因，并提出減小誤差的方法，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展科學(xué)的分析，以便得到更理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.2.2儀器的組成和原理基于容積法的車輛油耗檢測系統(tǒng)主要由流量傳感器、單片機(jī)、顯示器、打印機(jī)和控制面板等組成，其控制關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1智能油耗儀的控制關(guān)系示意圖基于容積法的汽車油耗儀實(shí)際上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是具有微處理器的總線接口的儀器。其中包括：由流量傳感器構(gòu)成的信號采集與處理〔放大、整形〕；?！獢?shù)轉(zhuǎn)換；具有人機(jī)對話功能的鍵盤和顯示器；具有通訊功能的RS232接口；數(shù)據(jù)存貯器(RAM)、程序存儲器(EPROM)；數(shù)—模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]。其組成原理如圖2.2所示。流量傳感器流量傳感器PIC單片機(jī)液晶顯示模塊EPROMRS232打印機(jī)RAM信號調(diào)節(jié)電路鍵盤驅(qū)動器執(zhí)行裝置圖2.2檢測系統(tǒng)組成關(guān)系流量傳感器用于檢測汽車發(fā)動機(jī)的耗油量，將信號送給單片機(jī)進(jìn)展處理。單片機(jī)是汽車油耗檢測控制系統(tǒng)的核心，用于接收流量傳感器的信號，并調(diào)用內(nèi)存儲器中的數(shù)據(jù)和相關(guān)程序，進(jìn)展分析處理，并將處理結(jié)果送給打印機(jī)或顯示器對外輸出。顯示器用于適時(shí)顯示汽車油耗的檢測數(shù)據(jù)。打印機(jī)用于打印汽車油耗的檢測結(jié)果。控制面板用于系統(tǒng)功能設(shè)定，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過控制面板還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)定。測量系統(tǒng)的監(jiān)控程序固化在程序存貯器EPROM中，被測參量通過傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R別的數(shù)字信號所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)均暫存于數(shù)據(jù)存儲器RAM中。油耗測量系統(tǒng)采用流量傳感器的流量信號，并將信號送給單片機(jī)進(jìn)展處理，單片機(jī)根據(jù)存儲器中存儲的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的控制程序得到不同要求和條件下的油耗量，通過顯示器或打印機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸，通過控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能，還可以通過通訊接口RS-232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò)展系統(tǒng)功能[1,5]。油耗測量系統(tǒng)采用流量傳感器檢測燃油流量信號，并將信號送給單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)存儲器中存儲的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的控制程序得到不同要求和條件下的油耗量，通過顯示器或打印機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)輸出，通過控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，還可通過通訊接口RS一232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò)展系統(tǒng)功能。對于回油量較小或沒有回油的車輛，通常采用一個(gè)流量傳感器，并將傳感器安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)油管路中，以檢測進(jìn)油管路的燃油流量，流量信號傳給單片機(jī)，進(jìn)展相關(guān)處理后，把數(shù)據(jù)輸出到顯示器顯示。傳感器連接方式如圖2.3所示。油箱油箱油泵濾清器流量傳感器發(fā)動機(jī)圖2.3回油量較小的車輛傳感器連接方式由于燃油供給系統(tǒng)也存在回油，但回油不經(jīng)過流量傳感器，汽油機(jī)通過壓力調(diào)節(jié)器直接流回油箱，柴油機(jī)回油也不經(jīng)過流量傳感器，通過三通閥繼續(xù)通過噴油器對氣缸供油。流量傳感器的連接方式如圖2.4所示。圖2.41一油箱；2一回油管；3-傳感器信號線；4一供油管：5一流量傳感器；6一電動汽油泵：7一燃油濾清器：8一出油口：9一進(jìn)油口：10一燃油壓力調(diào)節(jié)器；11-燃油分配總管；12—?dú)飧讍瘟髁總鞲衅鞯陌惭b方式(汽油車)對于回油量較大的車輛，回油管路中需要安裝一個(gè)流量傳感器，用來提高測試精度，也為了滿足燃油供給系統(tǒng)正常工作的要求。采用兩個(gè)流量傳感器應(yīng)分別安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)油管路和回油管路中。通過計(jì)算進(jìn)、回油管道的流量差值得到油耗量，即“測出供油量-測出回油量=當(dāng)前油耗量〞。流量傳感器的連接方式如圖2.5所示。油箱油箱油泵濾清器流量傳感器1發(fā)動機(jī)流量傳感器2圖2.5回油量較大的車輛傳感器連接方式2.3本章小結(jié)介紹了基于容積法的汽車油耗檢測儀采用傳感器檢測燃油流量信號，通過單片機(jī)在相應(yīng)軟件的支持下進(jìn)展處理，在通過顯示器或打印機(jī)對外輸出。同時(shí)，要采用監(jiān)視器對成個(gè)系統(tǒng)進(jìn)展監(jiān)控，采用通訊接口與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)汽油車和柴油車的百公里油耗、等速油耗、加速油耗的測試。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)定容積測試、定質(zhì)量測試、定時(shí)間測試的功能。在此根底上確定了基于容積法的汽車油耗檢測儀的總體設(shè)計(jì)方案。-.z第3章基于容積法的汽車油耗儀中硬件的設(shè)計(jì)與選擇3.1流量傳感器的選擇3.1.1主要功能流量傳感器安裝在發(fā)動機(jī)的進(jìn)油和回油管路中，用來檢測燃油流量，檢測到的脈沖信號被送到微處理器中處理?？紤]到連接到汽車發(fā)動機(jī)油路中，傳感器工作時(shí)受到的影響因素比擬多，流量傳感器的反響速度要快，動作時(shí)間要短。即能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測量又能實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，同時(shí)又能在惡劣條件下工作。流量傳感器安裝在發(fā)動機(jī)的進(jìn)油和回油管路中，用來檢測燃油流量，檢測到的脈沖信號被送到單片機(jī)進(jìn)展處理?？紤]連接到汽車發(fā)動機(jī)油路中，傳感器工作時(shí)受到的影響因素比擬多，流量傳感器的反響速度要快，動作時(shí)間要短。即能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測量又能實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，測量精度不受汽車運(yùn)動狀態(tài)影響。與單片機(jī)等電子元件相匹配，使系統(tǒng)到達(dá)理想的測量精度，有一定的抗干擾能力。3.1.2類型及檢測方法容積式油耗傳感器有容量式和定容式兩種，容量式油耗傳感器通過累計(jì)發(fā)動機(jī)工作中所消耗的燃料總?cè)萘浚脮r(shí)間和里程來計(jì)算油耗量。它可以連續(xù)測量，其構(gòu)造有行星活塞式、往復(fù)活塞式、膜片式、油泡式等，現(xiàn)以行星活塞式油耗傳感器為例予以說明，其流量檢測裝置是由流量變換機(jī)構(gòu)及信號轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成。流量變換機(jī)構(gòu)是將一定容積的燃油流量變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它是由十字形配置的四個(gè)活塞和旋轉(zhuǎn)曲軸構(gòu)成。容積式傳感器檢測方法：容積式傳感器采用行星活塞式流量傳感器在底盤測功機(jī)試驗(yàn)臺或道路上進(jìn)展油耗檢測，測定一定體積燃油的消耗時(shí)間。它主要由活塞、曲軸、連桿和信號轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成。容積式油耗傳感器通過累計(jì)發(fā)動機(jī)工作中所消耗的燃油總量，用時(shí)間或里程來計(jì)算油耗量。流量變換機(jī)構(gòu)是將一定容積的燃油量變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它由十字形配置的四個(gè)活塞和旋轉(zhuǎn)曲軸構(gòu)成，其工作原理如圖3.1所示[11]。燃油在泵油壓力作用下推動活塞運(yùn)動，再由活塞運(yùn)動推動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周(即四個(gè)活塞各往復(fù)運(yùn)動一次)，完成一個(gè)進(jìn)排油循環(huán)。如此反復(fù)，在燃油泵泵油壓力的作用下，就可完成實(shí)現(xiàn)定容量、連續(xù)泵油的作用。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，各缸分別排油一次，其排油量可用下公式確定：〔3.1〕式中，—四缸排油量，cm3；—代表四個(gè)油缸；—代表*一活塞截面積，cm2；—2倍的曲軸偏心距，即活塞行程，cm。1、2、3、4—活塞；5—曲軸；6—連桿P1、P2、P3、P4—油道；E1、E2、E3、E4—排油口圖3.1傳感器工作原理容積式流量傳感器在經(jīng)過長期使用后，其活塞、曲軸、連桿會產(chǎn)生不同程度的磨損，對其測量精度產(chǎn)生較大影響，且脈沖信號的產(chǎn)生和發(fā)送需要一定的時(shí)間，在測量上出現(xiàn)滯后性。3.1.3傳感器的選擇原則流量傳感器的選擇應(yīng)遵循以下原則：選擇時(shí)應(yīng)遵循以下原則：〔1〕靈敏度。既要考慮能檢測出微弱信號量值，又要噪聲小?！?〕頻率響應(yīng)特性。必須在所測頻率*圍內(nèi)盡量保持不失真測量條件，并且傳感器的延遲時(shí)間越短越好?！?〕穩(wěn)定性。實(shí)際工作環(huán)境中，長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的特性。〔4〕準(zhǔn)確度。一般希望傳感器的精度要高，指傳感器輸出與被測量真值的符合程度。〔5〕測量方式。盡可能考慮構(gòu)造簡單，體積小，重量輕，維修方便，易于更換。容積式燃油流量計(jì)采用一個(gè)帶有光柵的向心四活塞式馬達(dá)作為油耗傳感器。由于活塞與缸體是精細(xì)磨合的，因此馬達(dá)每轉(zhuǎn)排油量是恒定的，即馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與油的流量(即油耗)成正比。通過光柵，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速變成電脈沖以代表油量。將電脈沖經(jīng)接口送到測量儀器，經(jīng)整形倍頻、可逆計(jì)數(shù)、量綱換算等處理，到達(dá)直接讀取顯示油耗?；谝陨系囊?，初步選定容積式流量傳感器，型號為YH-2。其技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：表3.1YH-2型流量傳感器的技術(shù)參數(shù)工程參數(shù)電源/VDC，+5輸出信號/脈沖當(dāng)量/〔ml/脈沖〕＜0.1，TTL電平，正脈沖最大流量/〔l/h〕180質(zhì)量/kg1.9使用溫度/℃0～40應(yīng)用特點(diǎn)有兩路脈沖信號輸出，需通過程序判斷正反轉(zhuǎn)，直接輸出數(shù)字信號，送入單片機(jī)3.1.4流量檢測數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)檢測系統(tǒng)確定的容積式型號為YH-2的流量傳感器，在測量*圍內(nèi)，傳感器輸出的脈沖頻率與體積流量成正比，這個(gè)比值即體積儀表系數(shù)：〔3.2〕式中，—為流量信號頻率，Hz；—為體積流量，L/h；—為脈沖數(shù)；—為體積總量，L。把儀表系數(shù)預(yù)先置入單片機(jī)的存儲器中，單片機(jī)根據(jù)所獲得的流量脈沖頻率與儀表系數(shù)之比即可求得管路中燃油的流量之值。因此，燃油流量檢測的數(shù)學(xué)模型可采用數(shù)學(xué)公式：〔3.3〕3.2單片機(jī)的選擇3.2.1單片機(jī)的匹配原則1、單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展局部設(shè)計(jì)(包括存儲器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展)和各功能模塊設(shè)計(jì)(測量功能模塊、信號控制功能模塊和人機(jī)對話模塊)。為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能合理，依據(jù)以下原則:〔1〕盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡化電路；〔2〕要留有余地，考慮到以后的修改、擴(kuò)展的方便。包括ROM空間、RAM空間、I/O端口以及A/D和D/A通道；〔3〕兼顧工藝設(shè)計(jì)，包括機(jī)體、面板、配線、接插件等。必須考慮安裝、調(diào)試、維修的方便。另外，抗干擾設(shè)施必須一并考慮。2、單片機(jī)的選擇原則當(dāng)今單片機(jī)品種繁多，產(chǎn)品性能各異。主要分集中指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)。采用CISC構(gòu)造的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用，它的指令豐富，功能較強(qiáng)，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)展，速度受限，價(jià)格也高。采用RISC構(gòu)造的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線別離，這種構(gòu)造的單片機(jī)取指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度也更快。同時(shí)，這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實(shí)現(xiàn)超小型化設(shè)計(jì)。一般來說，對于控制方式較簡單的家電，可以采用RISC型單片機(jī)；對于控制關(guān)系較復(fù)雜的場合，如通信產(chǎn)品，工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)采用CISC單片機(jī)。根據(jù)功能需要和性價(jià)比以及匹配關(guān)系，在這里選擇CISC型的單片機(jī)，它主要包括Intel系列、Motorola系列、Atmel系列的AT89系列等等。選擇單片機(jī)還應(yīng)注意以下幾方面：〔1〕了解單片機(jī)對控制系統(tǒng)的的適用性。單片機(jī)是否含有所需的I/O端口數(shù)目；是否含有所需的外圍端口部件；CPU是否有適合的吞吐量；極限性能是否滿足要求；〔2〕了解單片機(jī)的可購置性。單片機(jī)是否可以直接買到；是否有足夠的供給量；是否維修方便；是否仍在生產(chǎn)中；〔3〕了解單片機(jī)的可開發(fā)性。編輯軟件；程序?qū)懭牍ぞ?；調(diào)試工具；技術(shù)支持；語言體系與成熟程度。根據(jù)以上原則對單片機(jī)進(jìn)展選擇，可選擇出較適宜的單片機(jī)，從而保證系統(tǒng)的可靠性、最優(yōu)的性價(jià)比、最好的升級換代性。3.2.2MCS196單片機(jī)的特點(diǎn)MCS196系列單片機(jī)是Intel公司繼8*9*之后推出的16位嵌入式微控制器。它除了保存8*9*全部功能外，在功能部件和指令支持上又有很大改良，性能上也有了顯著提高，使得它適用于更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場合。MCS196單片機(jī)有多種型號，不同型號配置有不同的功能部件，且具有不同存儲器空間和尋址能力，可滿足不同場合的要求。MCS196系列單片機(jī)都有1個(gè)基于存放器到存放器構(gòu)造的內(nèi)核。這種構(gòu)造消除了累加器的瓶頸現(xiàn)象，加快了數(shù)據(jù)傳輸。另有多種功能部件，在不同型號中進(jìn)展不同配置。這些功能部件除包括在8*9*中就有的I/O口、10位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM〔脈寬調(diào)制器〕、SIO〔全雙工串行I/O口〕、中斷源、看門狗定時(shí)器、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、HSI/O〔高速輸入/輸出口〕等以外，還包括在MCS196中出現(xiàn)的PTS〔外圍事務(wù)效勞器〕、EPA〔事件處理器陣列〕、WG〔波形發(fā)生器〕等。與其他系列〔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〔HighSpeedInputsandOutputs〕：其中HSI用于記錄*一外部事件相對于時(shí)間基準(zhǔn)〔如定時(shí)器1〕的發(fā)生時(shí)刻。此功能部件在檢測到引腳上規(guī)定的跳變事件〔包括正跳變、負(fù)跳變、每次正跳變、8個(gè)正跳變〕后，將發(fā)生事件的類型與時(shí)刻記錄下來，并產(chǎn)生相關(guān)中斷。此部件適用于信號的時(shí)間參數(shù)測量。HSO則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)*一事件〔如置位/清零口線、啟動A/D轉(zhuǎn)換等〕，要求CPU的開銷極小，速度極高。此部件便于實(shí)時(shí)輸出控制，可用來產(chǎn)生多種信號波形。EPA〔EventProcessorArray〕：實(shí)質(zhì)上是捕捉/比擬模塊。所謂“捕捉〞就是捕獲產(chǎn)生于引腳上的跳變事件〔有正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)跳變等〕，記載這些輸入事件相對于時(shí)基定時(shí)器發(fā)生的時(shí)刻；“比擬〞則是和預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間作比擬，預(yù)定時(shí)間一到就去執(zhí)行*種輸出功能〔比方輸出置為高、輸出置為低、輸出翻轉(zhuǎn)、啟動A/D轉(zhuǎn)換、復(fù)位定時(shí)器等等〕?？梢?，EPA和HSI/O的功能類似，但EPA在CPU開銷上要求更少，性能更好一些。表1給出在不同時(shí)鐘頻率下兩者分辨能力的比擬。PTS〔PeripheralTransactionServer〕：實(shí)質(zhì)上是中斷效勞機(jī)制的改良。對正常的中斷效勞，CPU都要“親自〞去執(zhí)行，而現(xiàn)在的PTS提供了一種類似DMA的操作。當(dāng)中斷發(fā)生后，由微代碼執(zhí)行PTS周期。該周期就像DMA周期那樣插入正常的指令流中，完成中斷效勞，這樣CPU的開銷比一般的中斷響應(yīng)要少得多。WG〔WaveformGenerator〕：可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有一樣頻率和工作方式的3對PWM波形。特別適合控制三相交流感應(yīng)電機(jī)、直流無刷電機(jī)和其他需要多個(gè)PWM輸出的場合。另外，MCS196單片機(jī)總線控制器還具有可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，可方便地與慢速外設(shè)接口。在運(yùn)行中可動態(tài)選擇8位或者16位的總線寬度，并能通過HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。目前，MCS196系列主要有3種：①HSI/O系列，這類芯片具有高速輸入、輸出口；②EPA系列，這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列；③MotorControl系列，這類芯片適用于電機(jī)控制。要注意上述分類也不是絕對的，往往在同一個(gè)型號的部件中，可同時(shí)具有多種功能。HSI/O系列本系列主要芯片有8*C196KB、8*C196KC、8*C196KD8*C196KB是MCS196系列的第1個(gè)成員，片內(nèi)具有8KB程序空間，232個(gè)字節(jié)的存放器RAM。它采用高速輸入/輸出口進(jìn)展事件處理。HSI/O最多有4個(gè)高速輸入口，6個(gè)高速輸出口。2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)基發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有：1路PWM，1個(gè)全雙工串行通信口，1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。48條輸入/輸出口〔與部件復(fù)用〕。8*C196KC的性能比8*C196KB要更進(jìn)一步。它的片內(nèi)有16KB的程序空間，488個(gè)字節(jié)的存放器RAM，最高工作頻率可達(dá)20MHz。除了具有8*C196KB的全部特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：有3路PWM發(fā)生器；A/D轉(zhuǎn)換器具有8位和10位2種方式；可對采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還參加外圍事務(wù)處理效勞器PTS，可大大減輕CPU在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。8*C196KD除具有8*C196KC所具有的全部特點(diǎn)以外，它的片內(nèi)還具有32KB的程序空間，1000個(gè)字節(jié)的存放器RAM。由于片內(nèi)存儲空間的增大，所以，更適合于使用高級語言編程。這種芯片的最高頻率也可達(dá)20MHz。表3.2HIS/O和EPA分辨能力的比擬部件名稱時(shí)鐘頻率/MHz單位16202550HSI1125900750600nsHSO1000800600400nsEPA25020016080ns這里初選MCS196系列中HIS/O系列的80C196KC的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片。80C196KC單片機(jī)具有16KB的程序空間，488個(gè)字節(jié)的存放器RAM，最高工作頻率可達(dá)20MHz。有3路PWM發(fā)生器;A/D轉(zhuǎn)換器具有8位和10位2種方式;可對采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還參加外圍事務(wù)處理效勞器PTS，可大大減輕CPU在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。它采用高速輸入/輸出口進(jìn)展事件處理。HSI/0最多有4個(gè)高速輸入口，6個(gè)高速輸出口。2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)間發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有:1個(gè)串行通信口，1個(gè)看門狗定時(shí)器。3.3擴(kuò)展芯片的選擇與匹配3.3.1.數(shù)據(jù)存儲器的選擇微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線與存儲器連接。如下列圖所示：控制總線地址總線存儲器CPU控制總線地址總線存儲器CPU數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線為地址信號，用來指明選中的存儲單元地址。 數(shù)據(jù)總線為數(shù)據(jù)信號，它是微處理器送往存儲器的信息或存儲器送往微處理器的信息。它包括指令和數(shù)據(jù)。 控制總線發(fā)出存儲器讀寫信號，以便從ROM、RAM中讀出指令或數(shù)據(jù)，或者向RAM寫入數(shù)據(jù)。 在微機(jī)系統(tǒng)中，常用的靜態(tài)RAM有6116、6264、62256等。在本實(shí)驗(yàn)中使用的是6264。6264為8K╳8位的靜態(tài)RAM。其邏輯圖如下：6264A0～12VCCI/O0～7WROECS2GNDCS1其中A0～12為13根地址線，I/O0～7為8根數(shù)據(jù)線，CS1、CS2為兩個(gè)片選端，OE為數(shù)據(jù)輸出選通端，WR為寫信號端。其工作方式見下表：控制信號CS1CS2OEWR數(shù)據(jù)線讀LHLH輸出寫LH╳L輸入非選H╳╳╳高阻態(tài)非選╳L╳╳高阻態(tài)輸出制止LHHH高阻態(tài)6264是一種采用CMOS工藝制成的8K×8位28引腳的靜態(tài)讀寫存儲器，其讀寫時(shí)間根據(jù)不同型號從20ns～200ns。數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳共用，三態(tài)輸出；采用單一電源+5V，其輸入輸出電平與TTL兼容，具有低功耗操作方式。當(dāng)未選通時(shí)，芯片處于低功耗狀態(tài)，這時(shí)可減少80%以上的功耗，只有2V電源電壓，幾十微安電流就可保證數(shù)據(jù)不變，這個(gè)性能用于電池供電的數(shù)據(jù)斷電保護(hù)操作。工作溫度*圍：0℃～+70℃?；谝陨显颍⒖紤]到其性價(jià)比，選擇6264作為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器。其管腳排列如圖3.2所示[19]。62646264111213141516171810987654324232022225261272119A0D0A1D1A2D2A3D3A4D4A5D5A6D6A7D7A8A9A10A11A12A13A14A15WEOE/VPPCE圖3.26264管腳排列圖3.3.2.片外擴(kuò)展I/O口選擇型號為8255〔改良型為8255A及8255A-5〕，具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強(qiáng)，使用靈活，通過它CPU可直接與外設(shè)相連接。8255A是Intel公司采用CHMOS工藝生產(chǎn)的一種高性能通用可編程輸入/輸出并行接口芯片，可以方便地應(yīng)用在微處理器系統(tǒng)中。8255A是40引腳雙列直插式芯片，片內(nèi)有A,B,C3個(gè)8位I/O端口，可提供24條可編程的輸入/輸出端口線8255A是一個(gè)有40引腳的塑封芯片，功能較強(qiáng)，廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)電路中。256字節(jié)的靜態(tài)RAM,存取時(shí)間為400ns，它有三個(gè)8位口A、B、C，總共可以擴(kuò)展出22條接線。它含一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)*圍從2～16383，可用于延時(shí)、計(jì)數(shù)或分頻。它內(nèi)部還有256字節(jié)的RAM，可以補(bǔ)充CPU內(nèi)存的缺乏。單一+5V電源供電。為了能夠設(shè)置芯片的工作方式和了解芯片的狀態(tài)，內(nèi)部還有命令存放器和狀態(tài)存放器?；谝陨系奶攸c(diǎn)和性價(jià)比，初選芯片8255A。圖3.3為8255A的引腳圖[19]。8255A8255A40393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920PA3PA4PA2PA5PA1PA6PA0PA7RDWRCSRESETGNDD0A1D1A0D2PC7D3PC6D4PC5D5PC4D6PC0D7PC1VccPC2PB7PC3PB6PB0PB5PB1PB4PB2PB3圖3.38255A引腳圖3.3.3程序存儲器的選擇27512是INTEL公司產(chǎn)品，是一種64k×8位紫外線擦除電可編程只讀EPROM，不同的一點(diǎn)是它采用NMOS工藝制成，其讀寫時(shí)間從170ns～450ns，采用單一+5V電源供電，三態(tài)輸出，與TTL電平兼容，工作溫度*圍從0℃～+70℃工作電流最大125mA，維持電流40nA，讀出時(shí)間最大為250us?；谝陨显?，并考慮到與80C196KC兼容匹配性和性價(jià)比，初選27512為擴(kuò)展程序存儲器。27512為28腳雙列直插式封裝，其管腳排列如圖3.4所示[19]。圖3.427512管腳排列圖3.4顯示器的選擇與電路接口設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)和液晶技術(shù)的開展，圖形點(diǎn)陣液晶顯示器以其體積小、重量輕、功耗低和顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已開展成為當(dāng)今顯示技術(shù)的主流,顯示器主要有數(shù)碼管(LED)顯示和液晶(LCD)顯示兩大類[20,21]。當(dāng)系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時(shí)，采用LED數(shù)碼管進(jìn)展顯示是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。顯示器價(jià)格比擬廉價(jià)，但功能比擬單一，只能顯示數(shù)字。同時(shí)它也存在兩個(gè)主要的技術(shù)問題。液晶顯示器不但能夠顯示數(shù)據(jù)，還能顯示文字和圖形，其顯示效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)碼管。液晶顯示器具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在儀器儀表和控制系統(tǒng)中。筆記本電腦、手機(jī)和計(jì)數(shù)器上采用的都是液晶顯示屏幕。液晶顯示屏有兩種類型：智能型和普通型。智能型液晶顯示屏具有一套接口命令(類似于繪圖儀和打印機(jī))，顯示內(nèi)容的圖形局部直接用命令輸入，用戶編程非常簡單。普通型液晶顯示屏必須由用戶編程實(shí)現(xiàn)全部顯示功能，用戶編程工作量較大，但價(jià)格比智能型液晶顯示屏要低很多。針對以上要求本設(shè)計(jì)選用點(diǎn)陣式MGLS-12032A液晶顯示模塊。MGLS-12032A液晶模塊以兩片SED1520液晶顯示控制驅(qū)動器為核心,集行列驅(qū)動器和控制器于一體,被廣泛的應(yīng)用于小規(guī)模的液晶顯示模塊。其主要特點(diǎn)如下:①內(nèi)置2560位顯示RAM區(qū)。RAM中的1位數(shù)據(jù)控制液晶屏上一個(gè)像素的亮、暗狀態(tài)?！?〞表示亮,“0〞表示暗;②具有16個(gè)行驅(qū)動輸出和61個(gè)列驅(qū)動輸出;(在MGLS-12032中用到了全部16個(gè)行驅(qū)動口和其中60個(gè)列驅(qū)動口);③可直接與微處理器相連,時(shí)鐘信號由SED1520內(nèi)部產(chǎn)生;④驅(qū)動占空比為1/16或1/32;⑤可以與SED1520級聯(lián)使用,以便擴(kuò)展行、列的驅(qū)動能力。SED1520功能特點(diǎn)SED1520是集行、列驅(qū)動器和控制器于一體的液晶顯示控制驅(qū)動器，可廣泛用于小規(guī)模液晶顯示模塊，例如**精電公司的MGLS-12032、MGLS10032等。SED1520液晶顯示驅(qū)動器具有以下特性：●內(nèi)置顯示RAM區(qū)，RAM容量為2560位。RAM中的1位數(shù)據(jù)控制液晶屏上一個(gè)點(diǎn)的亮滅狀態(tài)：“1表示亮〞，“0〞表示不亮。●具有16個(gè)行驅(qū)動口和61個(gè)列驅(qū)動口。●可直接與80系列或68系列微處理器相連?！耱?qū)動占空比為1/16或1/32?！窨梢耘cSED1520配合使用，以便擴(kuò)展列驅(qū)動口數(shù)目。對于液晶顯示控制驅(qū)動器來說,由于SED1520已經(jīng)集成化,其內(nèi)部的顯示時(shí)序發(fā)生器、顯示存儲器以及管理電路只要了解就足夠,但是對于驅(qū)動局部和接口局部來說就必須掌握他們的詳細(xì)運(yùn)做方式和相關(guān)電路。系統(tǒng)采用的液晶模塊級聯(lián)了兩片SED1520,一片是處于主工作方式,一片處于從工作方式。驅(qū)動的工作原理是:在兩片SED1520級聯(lián)時(shí),處于主工作方式的SED1520完成第1行至第16行的驅(qū)動和左半屏顯示的列驅(qū)動輸出;處于從工作方式的SED1520則承當(dāng)?shù)?行至第32行的行驅(qū)動和右半屏顯示的列驅(qū)動輸出。驅(qū)動的構(gòu)造如圖一所示。這要求我們在編程的時(shí)候要特別注意顯示漢字和字符時(shí)在邊界區(qū)域,也就是兩片SED1520交接處的切換。SED1520的接口局部包括I/O緩沖器,復(fù)位電路,指令譯碼和狀態(tài)字存放器等。其中I/O緩沖器的作用是連接兩個(gè)不同時(shí)鐘下工作的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)通訊。為了使計(jì)算機(jī)操作與SED1520內(nèi)部的操作在時(shí)序上匹配,所有計(jì)算機(jī)寫入的數(shù)據(jù)(包括指令代碼和顯示數(shù)據(jù))都在I/O緩沖器內(nèi)被鎖存,轉(zhuǎn)換成內(nèi)部控制時(shí)序處理。MGLS-12032模塊分直接方式和間接方式,如圖3.5所示。從原理圖中可以看到直接方式不占用系統(tǒng)地址/數(shù)據(jù)總線以外的資源,但是外部邏輯電路相對復(fù)雜。間接控制方式的連接電路簡單,但是需要占用196額外的I/O端口?？紤]到196豐富的接口資源和系統(tǒng)調(diào)試的方便,本設(shè)計(jì)以間接方式為根底。圖3.5196KC與LCD芯片的連接3.5打印機(jī)的選擇與電路接口設(shè)計(jì)為了能使顯示器顯示的數(shù)據(jù)被保存、便于隨時(shí)隨地進(jìn)展對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，初選用智能微型打印機(jī)。能打印出汽車的百公里油耗、等速油耗、加速油耗等信息。為了減小油耗檢測儀器的體積，把微型打印機(jī)設(shè)計(jì)成內(nèi)嵌式安裝方式，把它和整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)殼體內(nèi)，使整個(gè)儀器質(zhì)量減輕，到達(dá)便于攜帶的目的。選擇原則：〔1〕換紙方便，最好能前端換紙；〔2〕體積要小、操作簡單、構(gòu)造緊湊；〔3〕能滿足大局部非標(biāo)準(zhǔn)儀器、儀外表板的使用要求；〔4〕兼容性能要好。SIUPO迅普SP-E系列微型打印機(jī)是一種可插裝在各種儀器、儀表、計(jì)算機(jī)應(yīng)用裝置機(jī)箱面板上的嵌入〔盤裝〕式打印輸出設(shè)備機(jī)專為在機(jī)箱面板上安裝打印機(jī)而設(shè)計(jì)，采用了獨(dú)特的面板嵌入構(gòu)造，需按要求尺寸在機(jī)箱面板上開一個(gè)安裝孔〔103mm57mm〕，便可將整個(gè)打印機(jī)固定在面板上。無需拔出整個(gè)打印機(jī)，便可完成換紙等操作。使用簡單方便，解決了配套安裝微型打印機(jī)的問題。E系列打印機(jī)體積小、操作簡單、連接方便、構(gòu)造緊湊、面板尺寸符合儀器儀表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〔80mm160mm〕，并滿足大局部非標(biāo)準(zhǔn)儀器、儀外表板的使用要求，是設(shè)計(jì)各種需要微型打印輸出的首選。E系列打印機(jī)并行接口采用與Centronics標(biāo)準(zhǔn)兼容的并行打印機(jī)接口，接口連接器為26線雙排針插座；串行接口采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)兼容或TTL電平的串行接口，接口連接器為5線單排針型插座；使用了符合ESC/P標(biāo)準(zhǔn)的打印控制命令與標(biāo)準(zhǔn)的IBM和EPSON打印機(jī)兼容；考慮到打印機(jī)安裝于垂直面板的需要，增設(shè)了反向〔倒置〕打印功能；打印機(jī)內(nèi)設(shè)大容量輸入緩存器，具有“假脫機(jī)打印〞功能。性能指標(biāo)：①打印方法：針式撞擊點(diǎn)陣打??；②打印速度：0.4～1.0字符行/秒〔5×7點(diǎn)陣ASCII字符〕；結(jié)合本系統(tǒng)的功能要求，由于數(shù)據(jù)信息變化的動態(tài)*圍比擬窄，并且本系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)需要處理，所以采用定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)顯示中，有動態(tài)掃描和靜態(tài)掃描兩種。靜態(tài)掃描相對容易，顯示比擬清晰，亮度一般較高，但是要求占用很多的輸入輸出I/O口線，本錢較高。所以，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了動態(tài)掃描。不僅簡化了電路和降低了本錢，而且還有利于動態(tài)掃描顯示數(shù)據(jù)的視覺暫留現(xiàn)象，獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)[25]。測試系統(tǒng)顯示程序的設(shè)計(jì)，主要從以下兩方面考慮：〔1〕代碼轉(zhuǎn)換由于直接驅(qū)動顯示的是段選碼，而人們習(xí)慣顯示的是0、1、2、3……F等字符。因此，需將待顯示的字符轉(zhuǎn)換成段選碼，轉(zhuǎn)換用查表的方法進(jìn)展；〔2〕通過位選信號控制發(fā)光管，實(shí)現(xiàn)逐位輪流點(diǎn)亮顯示器。數(shù)據(jù)顯示程序框圖，如圖4.3所示。3、控制面板管理程序模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測試功能是在控制面板的控制下完成的，因此，控制面板管理和控制顯得非常重要。在設(shè)計(jì)測試程序時(shí)，把控制面板管理程序模塊設(shè)計(jì)成主程序模塊，其它模塊都是在該模塊的控制下進(jìn)展的。NNY開場置顯示字符首地址選通段碼(字形)數(shù)據(jù)輸入口取出要顯示的字形編碼(段碼)段碼輸出到段數(shù)據(jù)口取出要顯示的字形編碼(段碼)取出要顯示的位碼將位碼輸出到位數(shù)據(jù)口調(diào)延時(shí)程序字符地址加1位選碼循環(huán)右移一次最末一位是否顯示完完畢YN循環(huán)顯示完圖4.3數(shù)據(jù)顯示程序框圖該系統(tǒng)采用的是4×2簡易的控制面板，有一套較復(fù)雜的程序控制面板進(jìn)展管理，控制面板的工作方式采用編程掃描方式來響應(yīng)鍵輸入要求。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求，設(shè)置了8個(gè)功能鍵，在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，系統(tǒng)會完成該鍵的設(shè)置功能，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。各功能鍵完成相應(yīng)的的任務(wù)后，都將返回控制面板管理的主程序模塊，等待控制面板的下一項(xiàng)指示，其控制流程框圖如圖4.4所示。開場開場NYNY掃描控制面板是否有鍵和上延時(shí)去抖動逐行掃描是否有鍵和上指向下一行全部掃描一遍返回行列信號拼裝求出查表特征字特征字暫存數(shù)據(jù)單元設(shè)查表初值查表求鍵值是否找到指向下一個(gè)單元延時(shí)鍵是否釋放根據(jù)鍵值查命令鍵轉(zhuǎn)移表轉(zhuǎn)向各命令鍵處理程序NYNYNY圖4.4監(jiān)控程序框圖4、油耗測試程序模塊設(shè)計(jì)在測量*圍內(nèi)，傳感器輸出的脈沖頻率與體積流量成正比，這個(gè)比值即體積儀表系數(shù)K=。將儀表系數(shù)K預(yù)先置入單片機(jī)存儲器中，單片機(jī)即可根據(jù)獲得的流量脈沖頻率與儀表系數(shù)K之比來求得管道燃油流量之值。測試中，由于發(fā)動機(jī)工作時(shí)，油路中會產(chǎn)生較大的回油脈沖壓力波，當(dāng)壓力波傳至流量傳感器時(shí)，推動活塞、曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度，使遮光片遮光一次，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號而被記錄，從而使測試流量值與實(shí)際流量值相對誤差較大，并且隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，其誤差也發(fā)生變化，使得測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性較差。流量傳感器采用兩對紅外線光敏管，有兩路脈沖輸出，由于輸出狀態(tài)不一樣，用程序判斷正反脈沖，即正脈沖計(jì)數(shù)，反脈沖忽略。這就克制了回油干擾的影響。流量傳感器輸出狀態(tài)圖如圖4.5所示。流量傳感器正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號1→2→3→4→5的順序輸出，輸出狀態(tài)分別為00→10→11→01→00順序變化，此時(shí)程序計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)；相反，假設(shè)脈沖信號按5→4→3→2→1的順序輸出，則輸出狀態(tài)分別為00→01→11→10→00順序變化，反映了回油干擾的影響。112345(a)(b)12345(a)正轉(zhuǎn)脈沖；(b)反轉(zhuǎn)脈沖圖4.5流量傳感器脈沖輸出狀態(tài)4.3系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)4.3.1干擾的來源油耗測量控制系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的,其中系統(tǒng)的抗干擾性能的好壞是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。一般把影響控制測控系統(tǒng)正常工作的信號稱為噪聲.在單片機(jī)系統(tǒng)中,出現(xiàn)了干擾,就會影響指令的正常執(zhí)行,造成控制事故或控制失靈,在測量通道中出現(xiàn)了干擾,就會使測量產(chǎn)生誤差,計(jì)數(shù)器收到干擾,有可能亂計(jì)數(shù),造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn),電壓的沖擊有可能使系統(tǒng)遭到致命的毀壞。環(huán)境對控制系統(tǒng)的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入系統(tǒng)的,干擾竄入控制系統(tǒng)的渠道主要有三條[30]。1、空間干擾空間干擾來源于太陽及其他天體輻射的電磁波；播送電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波；周圍的電氣設(shè)備如發(fā)射機(jī)、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電干擾和磁干擾；空中雷電，甚至地磁場的變化也會引起干擾。這些空間輻射干擾可能會使單片機(jī)系統(tǒng)不能正常工作?？臻g干擾及抗干擾措施?？臻g干擾主要指電磁場在線路、導(dǎo)線、殼體上的輻射、吸收與調(diào)制。干擾來自應(yīng)用系統(tǒng)的內(nèi)部和外部，市電電源線是無線電波的媒介，而在電網(wǎng)中有脈沖源工作時(shí)，它又是輻射天線，因而任一線路、導(dǎo)線、殼體等在空間均同時(shí)存在輻射、承受、調(diào)制。在現(xiàn)場解決空間干擾時(shí)，首先要正確判斷是否是空間干擾，可在系統(tǒng)供電電源入口處接入WRY性微機(jī)干擾抑制器或大型磁飽和穩(wěn)壓器，觀察磁干擾現(xiàn)象是否繼續(xù)存在，如干擾現(xiàn)象繼續(xù)存在則可認(rèn)為是空間干擾?？臻g干擾不一定來自系統(tǒng)外部，空間干擾的抗干擾設(shè)計(jì)主要是地線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的屏蔽與布局設(shè)計(jì)。此外，在測量的時(shí)候還可能遇到其他一些干擾因素，例如在動態(tài)中測量車輛油耗時(shí)，由于汽車的上下坡、加速、減速等因素造成油耗儀的左右或上下震動，這會對測量的精度造成影響，這時(shí)，我們可以通過多測幾次取平均值來提高測量的精度。2、供電系統(tǒng)干擾由于工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的大功率設(shè)備眾多，特別是大感性設(shè)備的啟停會造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度漲落，工業(yè)電網(wǎng)電壓的欠壓或過壓常常到達(dá)額定電壓的±15%以上。這種狀況有時(shí)長達(dá)幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天。由于大功率開關(guān)的通斷，電機(jī)的啟停，電焊等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏，甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。供電系統(tǒng)干擾及抗干擾措施。單片機(jī)系統(tǒng)中最重要、并且危害最嚴(yán)重的干擾來源于電源。根據(jù)電源電壓變化持續(xù)時(shí)間的大小可把電源干擾分為過壓、欠壓、停電；浪涌、下陷、半周降出；尖峰電壓；射頻干擾等。解決過壓、欠壓、停電的方法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器，對付短時(shí)間的停電則配置不連續(xù)電源。解決浪涌、下陷與半周降的方法是使用快速響應(yīng)的交流電源調(diào)壓器。尖峰電壓的解決方法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器、參數(shù)穩(wěn)壓器或超隔離變壓器。射頻干擾對單片機(jī)系統(tǒng)影響不大，一般加接2~3節(jié)低通濾波器即可解決。單片機(jī)供電系統(tǒng)除對電源本身性能有一定的要求以外，必須要完整的設(shè)計(jì)整個(gè)電源供電系統(tǒng)。電源分配系統(tǒng)首要的是要有良好的接地，系統(tǒng)的地線必須能吸收來自所有電源系統(tǒng)的全部電流。應(yīng)該采用粗導(dǎo)線作為電源連接線；地線應(yīng)盡量短而直接接線；對于插件式電路板，應(yīng)多給電源線、地線分配幾個(gè)沿插頭方向均勻分布的插針。3、過程通道干擾為了到達(dá)數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r(shí)控制的目的，開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入、輸出是比不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場，這些輸入輸出的信號線和控制線多至幾百條甚至幾千條，其長度往往達(dá)幾百米或幾千米，因此不可防止的將干擾引入單片機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)有大的電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者測量部件絕緣不好，都會使通道中直接串入干擾信號；各通道的線路如果同處一根電纜中或綁扎在一起，各路間會通過電磁感應(yīng)而產(chǎn)生瞬間的干擾，尤其是假設(shè)將0~15V的信號與交流220V的電源線同套在一根長達(dá)幾百米的管中其干擾更為嚴(yán)重。這種彼此感應(yīng)產(chǎn)生的干擾其表現(xiàn)形式仍然是通道中形成干擾電壓。這樣，會使測量的信號發(fā)生誤差，重者會使有用信號完全淹沒。有時(shí)這種通過感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓會到達(dá)幾十伏以上，使單片機(jī)系統(tǒng)無法工作[5]。過程通道干擾的抑制措施過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機(jī)之間進(jìn)展信息傳輸?shù)穆窂健＿^程通道的干擾主要是利用隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制單片機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)受到的干擾。4.3.2抗干擾的措施1、硬件的抗干擾設(shè)計(jì)對輸入通道的干擾會使輸入的模擬信號失真，數(shù)字信號出錯。對輸出通道的干擾使各輸出信號混亂，不能正常反映微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的真實(shí)輸出量，從而導(dǎo)致一系列嚴(yán)重后果。干擾可使微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核總線上的數(shù)字信號錯亂，CPU得到錯誤的地址信號后，引起程序計(jì)數(shù)器出錯，使程序運(yùn)行離開正常軌道，導(dǎo)致程序失控或死循環(huán)等嚴(yán)重后果。針對此問題主要采取以下幾種措施〔1〕PCB設(shè)計(jì)：微處理器及其輔助電路(時(shí)鐘、復(fù)位和中斷等)要盡量靠近,在印制電路板(PCB)上要遠(yuǎn)離強(qiáng)電壓電路。PCB輸入端一般使用100μF電容進(jìn)展容性濾波(引線要盡可能短),緊靠并聯(lián)一只0.1μF陶瓷電容，或者串接鐵氧體磁珠濾波器,可以有效地濾去一些高頻強(qiáng)脈沖(開關(guān)或電源引線、接插件的噪聲)[20，29]?！?〕接地選擇：信號工作頻率小于1MHz時(shí),采用單點(diǎn)接地;信號頻率大于10MHz時(shí),為了降低地線阻抗應(yīng)采用多點(diǎn)接地；工作頻率為1MHz～10MHz時(shí),如采用單點(diǎn)接地,則地線長度不得超過波長的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。多級電路接地點(diǎn)應(yīng)選在低電平電路的輸入端,使該端最接近于基準(zhǔn)地位；同時(shí),輸入級的接地線也可縮短,使受干擾的可能性減少?！?〕在電源線和地線之間并聯(lián)47μF和0.1μF兩個(gè)去耦電容，并聯(lián)大電容為了消除低頻干擾，并聯(lián)小電容為了去除高頻干擾。所有芯片應(yīng)可靠接地，并且與接地線構(gòu)成回路?！?〕隔離技術(shù)：通過隔離可以把外來的干擾通道切斷,同時(shí)起到抑制漂移和平安保護(hù)的作用。常見的隔離方式有光電耦合、變壓器隔離等。在兩個(gè)電路間參加隔離變壓器以切斷地回路,可實(shí)現(xiàn)前后電路的隔離,兩個(gè)電路接地點(diǎn)就不會產(chǎn)生共模干擾。但這種隔離方式不能用于直流信號。用金屬外殼整機(jī)或局部器件包圍起來，再將金屬外殼接地，就能起到屏蔽的作用，這對通過電磁感應(yīng)引起的各種干擾特別有效。2、軟件的抗干擾設(shè)計(jì)采用硬件方法阻斷干擾進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是十分必要的,但是由于干擾的隨機(jī)性,將單片機(jī)的軟件干擾抑制技術(shù)與硬件干擾抑制技術(shù)相結(jié)合,可大大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作的可靠性。我們已經(jīng)了解單片機(jī)系統(tǒng)最容易受到干擾的部位是電源、接地系統(tǒng)、輸入和輸出通道。針對這幾種情況采取的措施也不一樣[20]。數(shù)字濾波是模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)接收，干擾作用于模擬信號之后，使轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離其真實(shí)值。如果僅采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信，必須經(jīng)過屢次采樣，得到一個(gè)經(jīng)過轉(zhuǎn)換的系列，通過*種軟件算法處理后，才得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。這種從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法，是消除隨即干擾的有效手段，很容易解決較低頻信號的濾波問題。除此之外，軟件中還采用指令冗余技術(shù)、延時(shí)指令來抑制瞬變干擾。冗余技術(shù)能使“跑飛〞的程序自動恢復(fù)到正常狀態(tài)下運(yùn)行,它包括指令的冗余設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)程序的冗余設(shè)計(jì)。指令冗余設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)程序時(shí)在*一雙字節(jié)或三字節(jié)指令后人為地增加一些單字節(jié)指令(如NOP)，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)一次，這樣當(dāng)程序執(zhí)行混亂時(shí)，一遇到單片字節(jié)指令便可恢復(fù)正常執(zhí)行。例如在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入兩條NOP指令，不管CPU如何取指令，最終均能取出正確的指令字節(jié)，從而使程序走上正軌。但采取這樣的方法會使CPU執(zhí)行程序速度放慢，因此，常在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證出亂的程序迅速納入正確的控制軌道。對程序流向起決定作用的指令RET、RETI、LJMP等后面重復(fù)寫這些指令。設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器也可以起到軟件抗干擾的措施。監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，也稱為看門狗定時(shí)器(Watchdog)，可以使陷入“死機(jī)〞的系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，重新啟動程序運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)的CPU部件受到干擾信號的作用時(shí)，將使系統(tǒng)失控。最典型的故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)值，導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛〞，或者陷入死循環(huán)。軟件“看門狗〞技術(shù)的原理是因?yàn)樵谝话闱闆r下，程序跑飛或者陷入“死循環(huán)〞時(shí)，中斷功能可能不受影響，CPU仍然像正常運(yùn)行時(shí)一樣響應(yīng)和執(zhí)行中斷子程序。這時(shí)如果僅在中斷子程序中插有“喂狗〞指令，則“看門狗〞定時(shí)器始終處于正常無溢出狀態(tài)，無法對已經(jīng)混亂的單片機(jī)系統(tǒng)重新啟動以回復(fù)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。假設(shè)將“喂狗〞指令單獨(dú)插在主程序中顯然又是不夠的。我們可以將“喂狗〞指令分解開來，將取反指令變成置位和清零兩種指令(即SETBP1.0和CLRP1．0)，將置位指令插在主程序中(利用T1監(jiān)控)，而將清零指令插在中斷子程序中(利用110監(jiān)控)，這樣將兩者結(jié)合起來，缺一不可。因此無論是主程序運(yùn)行失效，還是中斷請求失效，都不能完成完整的“喂狗〞指令，從而造成“看門狗〞動作，確保了系統(tǒng)平安可靠地工作[29]。4.4本章小結(jié)測試系統(tǒng)中軟件是配合控制硬件電路，共同完成對油耗的智能化測試，其功能通過分程序模塊實(shí)現(xiàn)，本章主要介紹了與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有關(guān)的問題，軟件開發(fā)環(huán)境和編成語言是如何選擇的和設(shè)計(jì)時(shí)的主體思想，也結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況介紹了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。介紹了軟件系統(tǒng)的功能構(gòu)造，提出整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可看成是由假設(shè)干個(gè)功能模塊組成的思想，即程序的編寫應(yīng)采用構(gòu)造化和模塊化方法編程，這對查錯和調(diào)試極為有利。最后介紹了抗干擾的措施，從硬件和軟件兩個(gè)方面分別說明了其具體的措施。第5章基于容積法的汽車油耗儀機(jī)械局部設(shè)計(jì)5.1殼體材料的選擇鋁合金是一種較年輕的金屬材料，在20世紀(jì)初才開場工業(yè)應(yīng)用。鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬構(gòu)造材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速開展，對鋁合金焊接構(gòu)造件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。第二次世界大戰(zhàn)期間，鋁材主要用于制造軍用飛機(jī)。戰(zhàn)后，由于軍事工業(yè)對鋁材的需求量驟減，鋁工業(yè)界便著手開發(fā)民用鋁合金，使其應(yīng)用*圍由航空工業(yè)擴(kuò)展到建筑業(yè)、容器包裝業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、電力和電子工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)和石油化工等國民經(jīng)濟(jì)各部門，應(yīng)用到人們的日常生活當(dāng)中。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的開展，同時(shí)焊接技術(shù)的開展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)在，鋁材的用量之多，*圍之廣，僅次于鋼鐵，成為第二大金屬材料。鋁材應(yīng)用的迅速開展是世界鋁工業(yè)界不斷開發(fā)新的鋁合金材料的結(jié)果。純鋁的密度小〔ρ=2.7g/cm3〕，大約是鐵的1/3，熔點(diǎn)低〔660℃〕，鋁是面心立方構(gòu)造，故具有很高的塑性〔δ:32~40%，ψ:70~90%〕，易于加工，可制成各種型材、板材?？垢g性能好以鋁為基的合金總稱。主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。鋁合金是向純鋁中參加Mg，Zn，Si，Cu等金屬，改變物理性質(zhì)的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕的特點(diǎn)，參加其他金屬后顯著提高了機(jī)械性能，而且鋁合金的制造周期短、本錢低、耐高溫抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是它能阻斷電磁等信號波的干擾，為機(jī)體的正常運(yùn)作提供平安可靠的工作空間。表5.1列出了多種型號鋁合金的特性：根據(jù)汽車油耗儀體積小、重量輕、工作環(huán)境較好等特點(diǎn)，選用6000系列6A02〔LD2〕型號鋁合金。表5.1鋁合金特性表合金牌號橫截面積CM2壁厚(mm)外形尺寸(mm)合金特性及應(yīng)用領(lǐng)域1060〔代L2〕

1050A〔代L3〕

1035〔代L4〕5A02〔LF2〕

5A03〔LF3〕

5A05〔LF5〕

5A06〔LF6〕5052

54540.2-901-10010-320中強(qiáng)度合金、耐蝕、熔接性良好

用于化工業(yè)配管、機(jī)器零件、照相機(jī)鏡筒2A11〔LY11〕

2A12〔LY12〕2017

20240.2-901-10010-320高強(qiáng)度、切削性優(yōu)秀、耐蝕性不強(qiáng)。多用于切削材、零件螺絲等構(gòu)造材、飛機(jī)材、鍛造用素材、汽機(jī)車油壓零件、運(yùn)動用品等。7A04〔LC4〕

7A09〔LC9〕70750.2-901-10010-320中強(qiáng)度、耐蝕性強(qiáng)、熔接性差。多用作車輛、汽車、機(jī)車零件、飛機(jī)機(jī)械零件、運(yùn)動用品等。6A02〔LD2〕6061〔LD30〕6063〔LD31〕0.2-901-10010-320中強(qiáng)度、耐腐蝕、焊接性好、可熔接、加工性好。用于路上車輛、船舶、海上運(yùn)輸機(jī)材、道路用建材、裝飾品材、家電制品材及其他一般泛用品0.3-211-1510-1505.2外型尺寸確實(shí)定基于容積法的汽車油耗儀是一種測量儀器，考慮到它使用方便性，將其外型設(shè)計(jì)為長方體，這樣不僅攜帶方便而且易于放置，能保持儀器的平衡性，可以任何時(shí)間任何地方對汽車油耗進(jìn)展測量。經(jīng)過測量計(jì)算將油耗儀的規(guī)格定為415mm×290mm×95mm。在油耗儀下面板和后側(cè)面板設(shè)計(jì)了散熱排風(fēng)孔，使得通風(fēng)效果增強(qiáng)，降低主板溫度。在油耗儀的下面板安裝四個(gè)圓臺形橡膠支撐底座，通過螺釘安裝在油耗儀的下面板上。這種橡膠材料的底座可塑性強(qiáng)、本錢低、可購置性好，而且有一定的單性可以起到減震的效果，抗腐蝕不易損壞使用壽命長，能減少儀器在使用過程中的磨損起到保護(hù)的作用。顯示面板為群眾化長方形顯示面板，包含液晶顯示器和控制面板，顯示面板的尺寸為272mm(長)×121mm(寬)，在顯示面板的上方設(shè)有“智能型汽車油耗儀〞的儀器名稱欄，中間是LCD液晶顯示器，在液晶顯示器的下方是四個(gè)電源指示等，分別為“充電〞指示燈，“電源〞指示燈，“油耗Ⅰ〞指示燈，“油耗Ⅱ〞指示燈。在液晶顯示器的右側(cè)為油耗儀的控制面板(說明如下節(jié))。E系列*LF微型打印機(jī)是一種可插裝在各種儀器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用裝置機(jī)箱面板上的嵌入式打印輸出設(shè)備。它的外形尺寸：125mm(寬)×85mm(高)×60mm(深)。該機(jī)專為在機(jī)箱面板上安裝打印進(jìn)而設(shè)計(jì)，采用了獨(dú)特的面板嵌入構(gòu)造，只需按要求尺寸在機(jī)箱面板上開一個(gè)安裝孔，便可通過緊固螺釘固定在機(jī)箱上。使用時(shí)無需拔出打印機(jī)便可完成打印機(jī)操作。5.3控制面板的設(shè)計(jì)控制面板在單片機(jī)控制系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人機(jī)交互的主要手段。常用的鍵盤可以分為獨(dú)立按鍵接口和行列按鍵接口兩類。獨(dú)立式按鍵是指各按鍵相互獨(dú)立，并只接通一條輸入數(shù)據(jù)線。一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、配置靈活、軟件編輯簡單。缺點(diǎn)是每個(gè)按鍵都需要占用一個(gè)輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路構(gòu)造復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合[20,21]。行列式按鍵接口適用于鍵數(shù)較多的場合。行列矩陣鍵盤中，每個(gè)按鍵都分別跨接在一根行線和一根列線上。每一水平線(行線)與垂直線(列線)的穿插處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通。利用這種行列矩陣構(gòu)造只需N條行線和M條列線，即可組成具有NM個(gè)按鍵的鍵盤，不僅節(jié)省了I/O線，還降低了本錢。所以根據(jù)使用功能需要，決定采用行列矩陣式鍵盤，即42個(gè)按鍵的鍵盤共8個(gè)按鍵包括“↑〞、“↓〞、“→〞、“←〞、“開場〞、“完畢〞、“打印〞、“發(fā)送〞鍵。選擇測試工程時(shí)按“↑〞、“↓〞、“→〞、“←〞光標(biāo)鍵；選擇要進(jìn)展的，準(zhǔn)備好時(shí)，按“開場〞鍵，進(jìn)展測試。等到達(dá)測試值后，測試完畢，按“完畢〞鍵，可以完畢測試，也可以進(jìn)展下一次測試。按“打印〞鍵，打印測試結(jié)果，按“發(fā)送〞鍵，將測試結(jié)果由RS232口發(fā)送出去。圖5.3為控制面板的示意圖。圖5.3為控制面板的示意圖按鍵的材料選用丁晴膠橡膠，該材料