本科學生畢業(yè)設(shè)計基于失重法的汽車油耗檢測儀器設(shè)計院系名稱：汽車與交通工程學院專業(yè)班級：車輛工程學生姓名：指導教師：職稱：教授TheGraduationDesignforBachelor'sDegreeDesignofAutomobileOilConsumptionInstrumentationBasedonWeightlessnessCandidate：Specialty：VehicleEngineeringClass：07-1Supervisor：Prof.HeilongjiangInstituteofTechnology摘要隨著我國汽車保有量的不斷增加，汽油、柴油等非再生資源的逐漸減少，加之環(huán)境保護意識的逐漸加強，人們更加關(guān)心車輛油耗，要求限制車輛用油量的呼聲越來越強。研制能快速、準確測量汽車在各種工況下油耗的儀器，已成為一項重要的課題。文中研制的智能型汽車油耗檢測儀器，利用失重法原理，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)動機油耗智能測試技術(shù)的研究水平和發(fā)展趨勢，采用傳感器技術(shù)、單片機控制技術(shù)和顯示技術(shù)。主要內(nèi)容包括：根據(jù)油耗測試系統(tǒng)的功能要求，進行油耗檢測系統(tǒng)硬件的設(shè)計與選擇，建立了汽車油耗檢測系統(tǒng)數(shù)學模型，進行了油耗檢測系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計，同時提出了系統(tǒng)抗干擾的相關(guān)措施，包括軟件和硬件兩方面，分析了油耗檢測系統(tǒng)所采用的理論的可行性，并進行了油耗檢測系統(tǒng)的誤差分析。智能油耗儀在單片機的控制下，通過傳感器送來的信號，在控制軟件的支持下，能對汽油機、柴油機在室內(nèi)進行靜態(tài)和動態(tài)油耗測試，能測量汽車的平均油耗和瞬時油耗。解決了國內(nèi)油耗檢測產(chǎn)品與國外相比測試精度相對較低、成本較高等問題。能對新生產(chǎn)車、營運車輛進行燃料經(jīng)濟性檢測和評價，能滿足科研院所、車輛制造、使用和維修單位、大專院校試驗教學等需要，應用前景廣闊。全套圖紙，加153893706關(guān)鍵詞：油耗；智能；單片機；檢測；傳感器

ABSTRACTWiththeincreasingoftheautomobilequantitypeopleown,theunproducingresourcessuchasgasoline,diealhavedecreasedgradually.Togetherwithpeople’senvioromentprotectionconsciousnessthatstrengthensgradually,moreattentionisfocusedonthevehiclefuelconsuming,callingaboutlimitingvehiclefuelconsumingbecomesmoreandmorefierce.researchtheequipmentsthatcallquickandaccuratemeasuringgas-consumingunderallworkingconditions，whichbecomesaveryimportanttopic．Theresearchonmonitoringindtruments,onthebasisoftheweightlessnessprinciple,combiningwiththedomesticandforeignresearchlevelanddevelopmenttrend,adopingsensingtechnology,singlechipmicrocomputercontroltechnologyanddisplaytechnology.Themaincontentincludesgas-consumingdetectingsystem’shardwaredesignandselection．Automobilegas-consumingdetectingsystemmathematicsmodelwereincluded,gasconsumingdetectingsystemsoftware'sdesign.Diagnosethepracticingperformanceofthetheorythatgas-consumingdetectingsystemWasadoptedandthetheorymodelsonthebaseofpracticeconditionsweremodified．Vehicleintelligentgasconsuminginstrumentswerecontrolledbythesinglechipcomputer’s，andbymeansofcalclllatingthegasolineflowingpulsesignalthatflowingamountmeasuringsensorbring，togetherwiththesupportofcontrollingsoftware，itcallturntheautomobile’squietconditionandmovingconditionintorealityandmeasuretheautomobilesaveragegasconsumingandinstantgasconsumingalso．Itsettlesthatcomparingtoexoticgasconsumingsystem，domesticgasconsumingproductstestingaccuracyisrelativelylower．Thevolumeisbigandhighcostandsoonquestions．Itcalldetectandevaluatethefueleconomicperformanceofnewproducedautomobilesandoperatingautomobiles．Itcanalsosatisfythescienceresearchinstitute，vehicleproducing，using，andrepairingdepartments，collegeanduniversityexperimentsteaching，whichhasawidelyapplicationfuture．Keywords:oilconsumption；intelligent；singlechip；check；sensor目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 ⅠAbstract Ⅱ第1章緒論 11.1引言 1國內(nèi)外智能油耗檢測儀研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2國內(nèi)外智能油耗檢測儀研究現(xiàn)狀 2智能油耗檢測儀發(fā)展趨勢 3智能油耗檢測儀研究目的和意義 3汽車油耗檢測技術(shù) 5本文主要研究內(nèi)容 5第2章檢測系統(tǒng)總體分析 6系統(tǒng)主要功能要求 6TOC\o"1-2"\h\z\u測量原理 6元件在油路中的布置 72.4油耗測量部分組成 82.5本章小結(jié) 8第3章智能油耗檢測儀中硬件的選擇與匹配 9目前常用油耗檢測方法分析 93.常用油耗檢測方法分類 93.1.2常用油耗測量原理介紹 11重量傳感器的選擇 133.2.1重量傳感器分類 133.2.2重量傳感器主要功能及選擇原則 15重量傳感器的選擇 163.2.4重量檢測數(shù)學模型的建立 17單片機的選擇 173.3.1單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計原則 173.3.2單片機的選擇原則 183.單片機型號的匹配 183.4顯示器的選擇與匹配 213.4.1顯示器的選擇 213.4.2接口電路 22TOC\o"1-2"\h\z\u打印機的選擇與匹配 223.5.1打印機的選擇 233.5.2接口電路 23控制面板的設(shè)計 23其他主要元器件的原則與匹配 243.7.1程序存儲器的選擇 243.7.2數(shù)據(jù)存儲器的選擇 243.7.3片外擴展I/O芯片的選擇 243.7.4通訊接口的選擇 253.7.5日歷與時鐘芯片的選擇 27監(jiān)控芯片的選擇 293.7.7AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇 303.7.8電源的選擇 303.7.9電磁閥的選擇 31本章小結(jié) 32第4章智能油耗檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計 334.1軟件系統(tǒng)設(shè)計方案 334.1.1單片機的C語言 334.1.2keilC51開發(fā)工具 344.1.3軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 344.1.4軟件系統(tǒng)主程序流程圖 364.1.5初始化模塊 364.1.6信號采集模塊 374.1.7數(shù)據(jù)處理模塊 374.1.8監(jiān)控程序模塊 384.2系統(tǒng)可靠性設(shè)計 394.2.1可靠性概述 394.2.2硬件抗干擾技術(shù) 404.2.3軟件抗干擾技術(shù) 414.3本章小結(jié) 42第5章機械部分設(shè)計 44油耗儀外部的設(shè)計 445.1.1殼體材料的選擇 445.1.2外形尺寸的確定 455.1.3接口設(shè)計 465.2內(nèi)部主要部件的安裝 465.3本章小結(jié) 47TOC\o"1-2"\h\z\u第6章試驗驗證與誤差分析 496.1試驗和數(shù)據(jù) 496.1.1試驗的目的和意義 496.1.2試驗前的準備 496.1.3試驗步驟 506.1.4試驗數(shù)據(jù) 506.2誤差分析 506.2.1概述 506.2.2誤差的來源 516.2.3誤差的分類 516.2.4汽車油耗智能檢測系統(tǒng)的誤差分析 516.3本章小結(jié) 52結(jié)論 53參考文獻 54致謝 57第1章緒論據(jù)中國石油天然氣集團公司有關(guān)專家推算，我國石油需求量，2000年為1.86億噸，2010年為2.68億噸，2020年為3.05億噸。國際能源機構(gòu)（IEA）2020年中國能源展望報告預測中國石油需求將以年均4.6%的速度增長，到2020年市場份額將大幅增加，年消費量可達5億噸以上。國家計委產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟研究所預測，到2050年，中國石油需求量將達到4.5億噸，是目前1.6多億噸消費量的2.8倍。目前全國可供開采的石油資源量預測為160億噸，2003年全國石油年產(chǎn)量1.6億噸計算，若每年增長5%以上，2005年可達1.85億噸，隨后達到2億噸至2.5億噸的峰值穩(wěn)產(chǎn)，據(jù)此估算，中國石油儲量可持續(xù)開采60到65年。據(jù)中國石油天然氣集團公司對我國石油供需平衡的預測分析，國內(nèi)原油的自給率將從2000年的82%降低到2020年的60%，到2020年缺口將達到1.3億噸。另據(jù)國際能源機構(gòu)（IEA）預測，中國石油產(chǎn)量從2010年之后開始下降，到2O20年石油產(chǎn)量將下降到約1.01億噸／年，石油進口將達到約4.04億噸／年以上，成為世界石油市場的主要進口國。從當前我國的科技水平來看，汽車燃料的主要來源還要依靠石油能源中的提取物:汽油和柴油。我國目前車用汽油約占汽油總消耗量的85%，車用柴油占柴油總消耗量的20%。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，以及汽車進入家庭速度的加快，我國能源供求矛盾將更加突出。中國對石油需求急劇上升的最重要原因是運輸業(yè)的需求，目前運輸業(yè)對石油的消耗量已經(jīng)攀升到40%。在汽車運輸成本中，燃油消耗費用占較大比重，約為20%～30%。此外，本著控制能源消耗的目的，我國己經(jīng)制定征收汽車燃油稅的方案，并將擇機在全國公布推行。所以汽車燃油經(jīng)濟性就和汽車運輸成本和經(jīng)濟效益息息相關(guān)。因此，汽車的燃油經(jīng)濟性好，不但可以節(jié)省石油資源，減少國家對進口石油的依賴;同時也降低發(fā)動機產(chǎn)生的二氧化碳(溫室效應主要氣體)的排放量，起到防止地球變暖的作用;對汽車用戶而言也降低了汽車的使用費用。石油能源短缺的嚴峻形勢以及它給人們生活帶來的各種影響，迫使人們開始關(guān)注汽車燃油經(jīng)濟性，因而對汽車進行燃油經(jīng)濟性的檢測評價具有重要意義。另一方面隨著汽車制造和檢測技術(shù)的進步，汽車檢測行業(yè)也不斷地發(fā)展壯大，在汽車維修、生產(chǎn)和管理部門動態(tài)監(jiān)測汽車技術(shù)狀況方面發(fā)揮著重要作用。國家質(zhì)檢總局、國家標準委于2005年11月聯(lián)合頒布的我國第一個強制性汽車產(chǎn)品油耗國家標準——《乘用車燃料消耗量限值》已于2006年7月1日正式執(zhí)行。根據(jù)《限值》有關(guān)規(guī)定，在按照汽車整車裝備質(zhì)量進行劃定的等級范圍內(nèi)，各類車輛都必須達到相應的燃料消耗量標準。隨著我國汽車保有量的逐年增加，石油消耗日益增長，石油能源短缺迫使人們關(guān)注汽車燃料經(jīng)濟性及檢測手段的準確性。汽車的燃料經(jīng)濟性一般是用汽車燃油消耗量來評價。汽車燃油消耗量是在用汽車技術(shù)狀況與車輛維修質(zhì)量綜合性能的體現(xiàn)，也是診斷和分析汽車故障的重要參考，同時也對汽車的設(shè)計制造具有重要的意義。國內(nèi)外智能油耗檢測儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)外智能油耗檢測儀的研究現(xiàn)狀國內(nèi)技術(shù)落后，對汽車燃油經(jīng)濟性的檢測重視較晚，到1991年10月1日交通部才頒布實施涉及車輛燃油消耗檢測的法規(guī)《汽車運輸業(yè)綜合性能檢測站管理辦法》，規(guī)定采用的測量方法為容積法和重量法。汽車油耗檢測可通過汽車道路試驗，也可在室內(nèi)底盤測功試驗臺上模擬路試來檢測。在汽車道路試驗中，一般汽油車常用容積法測量油耗，柴油車常用質(zhì)量法測量油耗。目前的油耗儀多為體積式的，F(xiàn)P—214型活塞式流量傳感器、禍輪流量儀、數(shù)字式油耗—轉(zhuǎn)速自動測量及四活塞式流量計儀等。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件性能的不斷提高，虛擬實驗技術(shù)也開始用來進行車輛經(jīng)濟性方面的研究。虛擬實驗系統(tǒng)的類型可分為純軟件型和硬件在環(huán)型。純軟件型系統(tǒng)僅利用軟件完成整個系統(tǒng)仿真，它把實驗環(huán)境、實驗對象全部抽象為數(shù)學模型。其重點在于抽象的數(shù)學模型和軟件技術(shù)；硬件在環(huán)型系統(tǒng)是指將實物硬件嵌入仿真系統(tǒng)的實時動態(tài)仿真技術(shù)，其強調(diào)軟硬件技術(shù)及電子技術(shù)的結(jié)合，獲取的一些關(guān)鍵信號由真實硬件發(fā)出，比純軟件方式可信度高。研究開發(fā)的智能油耗檢測儀既要能用于汽車發(fā)動機在不同工況時的油耗數(shù)據(jù)的測量。及車輛行駛的等速油耗、加速油耗、變工況油耗及百公里油耗測試，尤其是瞬時油耗測試的智能型快速檢測儀器；同時還要將先進的智能傳感器技術(shù)和智能儀表技術(shù)應用于液體流量檢測與顯示，集機、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)實際的需要。目前逐步投入市場的代表性的產(chǎn)品有以下幾種：國產(chǎn)CTM—8A汽車綜合測試儀是以微型計算機為核心，用于汽車動力性能和經(jīng)濟性能的測試，采用兩個流量傳感器，可進行電噴車的等速油耗、加速油耗、六工況油耗、百公里油耗測試；淄博無線電廠生產(chǎn)的WYH—B型微電腦多功能油耗儀，用于檢測汽車、拖拉機的動力性能、經(jīng)濟性能、操縱性能及拖拉機牽引性能。測試項目采用菜單操作，系統(tǒng)內(nèi)置40列微型打印機，可將測試結(jié)果及測試數(shù)據(jù)打印出來；EPF—A型發(fā)動機功率、油耗綜合測試儀。該產(chǎn)品采用無外載測功法，配接轉(zhuǎn)速和油耗傳感器，用來測量發(fā)動機功率、比油率、百公里油耗、怠速轉(zhuǎn)速、機油壓力、異響．控制軟件在Windows下運行，操作簡便，測量數(shù)據(jù)可進行存儲和打印，并具有聯(lián)機通訊功能。國外汽車工業(yè)發(fā)達國家，較重視環(huán)保與節(jié)能。其車輛油耗檢測技術(shù)較先進，投入的人力和財力也較多，并大量采用了傳感技術(shù)和微電腦技術(shù)，正在大力研發(fā)智能型油耗檢測裝置，其功能、測試項目、精度、顯示方式都在不斷發(fā)展與完善之中，成本逐漸趨向合理。美國、日本等發(fā)達國家在70年代中期就對基于碳平衡法理論的汽車油耗檢測系統(tǒng)進行了大量的研究，并取得了一些成果及試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該方法測汽車油耗完全可行，并且可以在檢測汽車尾氣排放的同時進行，但該檢測系統(tǒng)設(shè)備龐大、復雜，而且無法實現(xiàn)快速檢測。采用這種檢測系統(tǒng)進行油耗量檢測僅局限于實驗室中，難以在實際中廣泛應用。日本小野公司的FP-214型活塞式流量傳感器，最低采樣時間為0.1s，最小油量分辨率為lml，傳感器量程為0.3～120L／h；美國Pierburg儀器公司的流量計為渦輪流量儀的改進型，流量范圍可從1L/h起，響應時間為200ms,精度可達±0．1％；奧地利的AVL公司研制的臺架試驗中發(fā)動機燃油耗的精確測量儀，在油量25g時精度較高，臺架試驗測量范圍為O～150kg／h，盡管該油耗儀可進行動態(tài)測試，但仍是靜態(tài)燃油測量秤的改進，動態(tài)響應時間大于200ms[11]智能油耗檢測儀發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外都在研究虛擬技術(shù)應用于汽車油耗檢測，可克服傳統(tǒng)設(shè)計的缺陷，提高儀器的功能和檢測效率，大幅度降低儀器成本，是實現(xiàn)汽車油耗高精度、低成本檢測的一個發(fā)展趨勢[7]。智能油耗檢測儀研究的目的和意義1．我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車有保有量大幅增加。隨著近幾年我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和國民生活水平的快速提高，汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車的產(chǎn)銷量和保有量都大幅增加，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2010年國內(nèi)汽車產(chǎn)銷量分別達1826萬和1806萬輛，汽車保有量突破7000萬輛，隨著汽車走進千家萬戶，一系列問題也日益凸顯。能源是發(fā)展生產(chǎn)和提高生活水平的物質(zhì)基礎(chǔ)，汽車主要能源是石油產(chǎn)品中的汽油和柴油。而作為汽車用油來源的石油，其儲量是有限的，2010年，我國石油產(chǎn)量為20301萬噸，而全國石油消耗量為4.07億噸，占全年石油消耗量的45%，當年我國石油對外依存度為55%。隨著我國汽車保有量的逐年增加，石油消耗日益增長，石油能源短缺迫使人們關(guān)注汽車燃料經(jīng)濟性及檢測手段的準確性。要達到節(jié)約用油，降低能耗的目的，除廣泛采用新材料、新工藝提高汽車性能外，主要應加強管理和監(jiān)督。（1）制定法規(guī)，限制新生產(chǎn)汽車的燃油消耗量。70年代能源危機后，各國紛紛制定本國的汽車油耗法規(guī)，強制性地降低新生產(chǎn)汽車的油耗指標。如美國近十年來汽車油耗平均每年下降2%，要求1985年生產(chǎn)的轎車平均油耗必須低于/100km，1995年生產(chǎn)的要低于/100km。（2）加強對在用車的檢查和管理。對在用車輛進行定期的技術(shù)狀況、經(jīng)濟狀況檢查，以便及時對技術(shù)狀況差的車輛進行維護修理。對于維修后仍不能達到要求的，強制報廢。為縮小與發(fā)達國家的差距，我國已經(jīng)制訂了《汽車技術(shù)等級評定標準》、《汽車技術(shù)等級評定的檢測辦法》，將燃油消耗列為評定汽車經(jīng)濟性的重要指標；1991年10月頒布的交通部29號令《汽車運輸車輛綜合性能檢測站管理辦法》也規(guī)定，所有從事汽車運輸車輛綜合性能檢測的A、B、C三級檢測站，都應具備燃油消耗量檢測的能力，這更加體現(xiàn)了對車輛經(jīng)濟性指標的重視。2.隨著油價不斷上漲和人們環(huán)保意識的增強，汽車經(jīng)濟性備受關(guān)注。作為汽車的主要性能之一，準確、迅速地對汽車燃油消耗量進行檢測并作出評價，這是非常關(guān)鍵的。國家有關(guān)標準中規(guī)定的燃油經(jīng)濟性的評定使用的是油耗計測定方法。目前國內(nèi)常用的發(fā)動機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)的油耗計對于化油器的汽油機燃油消耗的測量較為單一，但是，隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴格和汽車電子技術(shù)的長足進步，汽油機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)濟性測量的對象已全部變成了電控噴射發(fā)動機。電控噴射發(fā)動機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、流量計法和流速計法等。常規(guī)的容積法和重量法的測量精度較高,但不能測量瞬時耗油率,只適用于內(nèi)燃機穩(wěn)定工況下燃油消耗率的測定。流量計法和流速計法可以測量瞬時耗油率,但由于單位時間燃油的流量很小,因此測量精度較低。測量內(nèi)燃機各工況下的耗油率不僅可以判斷其經(jīng)濟性,同時也有助于診斷燃油系統(tǒng)的缺陷和故障。因此，研發(fā)車輛油耗檢測儀，提高油耗檢測精度，擴大儀器測量范圍，是實現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求，也是科學技術(shù)日益發(fā)展的需要?；谑е胤ǖ钠囉秃臋z測儀器能精確檢測汽車油耗，可以對汽車的燃油經(jīng)濟性有一個正確的評價和預測，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對營運車輛油耗檢測評價，可為其維護、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、研究單位進行其工作規(guī)律研究。目前，在汽車道路試驗中，測量汽車油耗的方法，可歸納為兩大類。(1)直接測量法，指拆開汽車發(fā)動機油路，接人流量測量設(shè)備，直接測得燃料消耗量。具體可分為兩種：容積法：單位時間內(nèi)消耗燃油體積；重量法：單位時間內(nèi)消耗燃油重量。它們的共同特點是：①測量精度較高；②操作復雜、費時；③破壞車輛原有油路結(jié)構(gòu)。(2)間接測量法，即碳平衡法，不拆解發(fā)動機油路，利用汽油中的含碳量和燃燒后尾氣排放的含碳量不變，只要測出單位時間內(nèi)尾氣含碳量與汽油中含碳量相比，即可計算得到燃油消耗量。這類測量方法的特點是：①不需拆解被測車輛，適應汽車不解體檢測的發(fā)展方向；②可以和汽車排放檢測相結(jié)合；③油耗測量精度沒有直接測量法高。少數(shù)幾個大的科研單位雖然從國外引進了一些相關(guān)設(shè)備，由于所需設(shè)備龐大、昂貴而復雜、不可攜帶，還沒有引起重視。本文主要研究內(nèi)容本設(shè)計通過對目前常用的汽車油耗測試方法及原理進行分析比較，在此基礎(chǔ)上，提出一種基于失重法的智能汽車油耗檢測儀的設(shè)計，該檢測儀能實現(xiàn)智能化油耗檢測，同時滿足汽油車和柴油車及各種工況下的檢測要求，具有較高的測量精度，操作簡單，測量數(shù)據(jù)直觀可視等特點。主要內(nèi)容包括：（1）介紹基于失重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；（2）確定基于失重法的汽車油耗檢測的控制原理；建立汽車油耗檢測的數(shù)學模型；（3）確定總體設(shè)計方案，進行汽車油耗檢測儀器的硬件選擇與設(shè)計、系統(tǒng)控制電路設(shè)計、軟件設(shè)計、可靠性設(shè)計和機械部分設(shè)計；（4）繪制裝配圖、控制電路圖、零件圖；（5）試驗驗證與誤差分析。

第2章檢測系統(tǒng)總體分析2.1系統(tǒng)的功能要求（1）本系統(tǒng)應能實現(xiàn)油耗的智能檢測，應用先進的傳感器技術(shù)，將采集到的信號輸送到單片機，在軟件系統(tǒng)的支持下，單片機完成對油耗的分析與處理，并通過顯示器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀性和可視化，采用控制面板實現(xiàn)人機交互功能，自帶微型打印機打印檢測結(jié)果。（2）能對汽油機、柴油機進行發(fā)動機臺架試驗。（3）具有較高的測量精度和可靠性。（4）該系統(tǒng)所采用的理論應具有可行性，通過試驗加以驗證。（5）具有較低成本。測量原理本設(shè)計主要是基于失重法原理，采用數(shù)字信號處理手段，設(shè)計出一種新型的智能油耗檢測儀，既能同時滿足汽油車和柴油車的檢測，又能適應各種工況，并且具有較高的精度和較低的成本。圖2.3失重法測量原理1-密封油箱2-重量傳感器3-信號處理4-電路電磁閥5-供油管6-出油管7-旁通管測量原理如圖2.3所示，密封油箱固定于重量傳感器之上,在測量時，重量傳感器的輸出電壓與加在上面的壓力成正比，即:（2.1）式中：mc——密封油箱的質(zhì)量；mf——燃油的質(zhì)量；m——總質(zhì)量；k——測量常數(shù)；g——重力加速度。為了提高測量精度，油箱的自重不能太大，并且貯油量要合適。在測量過程中，隨著燃油的消耗，油箱中的燃油量逐漸減少(即失重)，設(shè)傳感器的輸出電壓為,有：（2.2）（2.3）則式中時刻燃油的質(zhì)量。上式表明，燃油的失重量與壓力傳感器輸出的電壓信號的變化成正比。用上式除以時間，當足夠小時，只要測得傳感器在各個時刻的輸出電壓，就能計算出平均油耗率和瞬時油耗率[23]。2.3元件在油路中的布置具體布置如下圖2.1所示：控制裝置重量傳感器率密封油箱發(fā)動機高位油箱充油電磁閥進油管出油管圖2.1油耗檢測系統(tǒng)的布置圖該系統(tǒng)采用定時稱重方式，一次加油多次測量，其工作過程如下：發(fā)動機不斷消耗密封油箱內(nèi)的燃油，當消耗到密封油箱最低油位時，控制裝置發(fā)出加油指令，充油電磁閥打開，充油指示燈點亮，高位油箱內(nèi)的燃油通過充油電磁閥不斷像發(fā)動機供油（保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)）同時對密封油箱加油，加油過程中由于發(fā)動機耗油速度小于加油速度，因此密封油箱內(nèi)燃油油位逐級升高。當密封油箱內(nèi)的燃油油位達到最高油位時，控制裝置立即關(guān)閉充油電磁閥，充油指示燈熄滅，發(fā)動機的供油立即轉(zhuǎn)向由密封油箱內(nèi)的燃油供給。2.4油耗測量部分的組成總線油耗測量系統(tǒng)主要由重量傳感器、單片機、顯示器、控制面板等組成，其控制關(guān)系如下圖2.2所示：總線ROMROMROMROM率接口率標準通訊接口率RAM率微處理器率充油電磁閥重量傳感器率接口率接口率接口率接口率顯示器率打印機率控制面板率圖2.2油耗測量部分模塊連接圖重量傳感器主要用于檢測汽車發(fā)動機的油耗量，通過信號轉(zhuǎn)換裝置將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機能夠接收實現(xiàn)控制。單片機是油耗測試系統(tǒng)的核心，用于接受來自重量傳感器的信號，并調(diào)用內(nèi)存儲器中的數(shù)據(jù)和相關(guān)程序，進行分析處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送給顯示器或者打印機對外輸出。顯示器的功能便是顯示輸出處理結(jié)果數(shù)據(jù)?？刂泼姘宓墓δ苁怯糜谙到y(tǒng)功能的設(shè)定，實現(xiàn)人機交互功能。打印機的功能是打印檢測結(jié)果。2.5本章小結(jié)介紹基于失重法原理的智能汽車油耗檢測儀的主要功能要求，并確定總體設(shè)計方案包括本系統(tǒng)的檢測原理，元件在油路中的布置，油耗測量部分的組成及其各部分應實現(xiàn)的功能。

第3章智能油耗檢測儀中硬件的設(shè)計與選擇常用油耗檢測方法分類發(fā)動機經(jīng)濟性檢測試驗分為兩大類，一種是汽車道路試驗，另一種是發(fā)動機臺架試驗[20]。根據(jù)各種使用因素控制的程度，道路試驗大致分為以下三種：無控制道路試驗，有控制道路試驗和道路循環(huán)試驗。無控制道路試驗是車輛使用變量不加約束的一種試驗，與車輛平時在道路上運行的情況相同。如果試驗時間較長，得出的油耗值與實際運行油耗一樣。但是這種試驗的重復性較差，不同的道路條件和操作習慣都會試驗結(jié)果不一樣。而且如果不結(jié)合運輸生產(chǎn)進行，實驗的時間和經(jīng)費很難承受。有控制道路試驗是指對道路條件、環(huán)境條件、駕駛習慣等條件中的一個或者幾個變量實行控制的一種試驗。比如道路可以選擇同樣的等級、同樣長短；環(huán)境可以加以適當控制；操作方法可以統(tǒng)一規(guī)范等。控制的條件越多，越嚴格，油耗測試結(jié)果的重復性越好。道路循環(huán)試驗與有控制道路試驗沒有明顯界限，所不同的是這種試驗對循環(huán)行駛里程，行駛中的換擋、制動次數(shù)、加速時間及穩(wěn)定車速都有嚴格規(guī)定。這種實驗方法在國外常被汽車制造廠所采用，不同的汽車制造廠都有自己的專用試驗路和特定的道路循環(huán)試驗模式。等速行駛油耗試驗和怠速油耗試驗是這類試驗中兩種最簡單的循環(huán)試驗方法。等速行駛百公里油耗試驗是一種正在采用的最廣泛的最簡單的循環(huán)試驗方法，它不能全面反映汽車燃料經(jīng)濟性，只能作為一種比較性的相對指標。等速燃料經(jīng)濟性試驗缺乏有關(guān)動力性要求的檢驗指標，容易造成試驗汽車動力性要求與燃料經(jīng)濟性匹配不合理的現(xiàn)象，它也不能反映汽車實際行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速等工況。2.發(fā)動機臺架試驗采用路試方法受到很多限制，參照GB/T12545-90《汽車燃油消耗量試驗方法》的要求評價汽車發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，便于汽車綜合性能檢測站開展車輛技術(shù)等級評定工作，可通過臺架試驗方法來模擬道路試驗，即在試驗臺架上模擬發(fā)動機各種工況油耗測試的方法。檢測燃料消耗量時，可以采用測定其容積、質(zhì)量、流量和壓力等方法，其中容積法和質(zhì)量法較常用，特別是容積法應用更為廣泛。發(fā)動機臺架試驗時容積法和質(zhì)量法的做法，是測定發(fā)動機消耗一定燃料質(zhì)量時所經(jīng)過的時間，然后由燃料量和時間計算單位時間的燃料消耗量。汽車道路試驗或整車在底盤測功機實驗臺上檢測燃料消耗量時，則是測定汽車通過一定路程時消耗的燃料量和通過的時間，然后由燃料量、路程和時間，計算試驗車速下單位里程燃料消耗量、百公里燃料消耗量或每升燃料行駛里程。利用發(fā)動機臺架試驗測量油耗，相比道路試驗有很多有勢：一是試驗條件可以人為控制，能夠最大條件地克服外界環(huán)境對于實驗結(jié)果的影響；二是經(jīng)濟方便，燃油消耗量可以用容積法、重量法等多種方法測量，并且可以同時完成如測定排放物等其它試驗內(nèi)容；三是試驗可以在穩(wěn)定的條件下進行，因此測量的結(jié)果相對誤差小，數(shù)據(jù)的重復性好；四是相比道路試驗不需要很高的場地要求。但是臺架試驗也存在著一些問題，如臺架試驗的條件和道路試驗的條件相差很大，無法與汽車實際運行情況一致。因此，臺架試驗所測得的燃油消耗量，并不能完全反映汽車實際運行工況時的油耗量。在臺架試驗中用底盤測功機循環(huán)試驗測量汽車整車燃油消耗量也越來越受到重視。汽車在道路上行駛時受到的道路阻力、滾動阻力、慣性阻力、負載特性等，可以利用底盤測功機來進行模擬。在底盤測功機上進行油耗試驗時，可以采用負荷法和滑行法。負荷法一般適用于汽油車的負荷設(shè)定，汽車行駛阻力隨車速提高而增加，通常節(jié)氣門開度也隨之增大。在同一種速度下，如果底盤測功機上和試驗場跑道上的節(jié)氣門開度一樣，則說明兩者阻力相同，可利用其中一個原理確定測功機的設(shè)定負荷，從而達到模擬道路阻力的目的。柴油車不能用負荷法，需采用滑行法來設(shè)定負荷。當汽車從某一車速脫檔滑行時，由于行駛阻力特性不同，速度變化的時間也就不一樣，利用這一原理，便可使底盤測功機試驗和道路試驗負荷相同，從而控制測功機的制動力矩。利用底盤測功機進行油耗測試時，可以通過確定等速百公里油耗測試模擬加載量、汽車多工況燃油消耗測試加載量來進行工況模擬循環(huán)試驗。底盤測功機測量油耗的優(yōu)點：(1)在室內(nèi)進行試驗不受外界氣候條件限制和場地道路的限制，且油耗測量值重復性好；(2)由于能夠控制實驗條件，因此周圍環(huán)境影響的修正系數(shù)可以減到最?。?3)由于室內(nèi)便于控制行駛情況，因此能夠進行復雜工況循環(huán)試驗；(4)能夠采用多種油耗測量方法；(5)可以同時進行廢氣排放物的試驗。同時底盤測功機測量油耗也存在著缺點：(1)不易準確模擬道路行駛中的滾動阻力和空氣阻力；(2)測功機的可變慣量間隔較大，會產(chǎn)生不正確的車輛慣性力，影響車輛負荷模擬的準確度和穩(wěn)定性，不太符合燃油經(jīng)濟性試驗的要求；(3)室內(nèi)冷卻風扇產(chǎn)生的冷卻氣流與道路上行駛時的實際情況不一致。常用油耗測量原理介紹1容積法采用行星活塞式油耗傳感器在底盤測功機試驗臺上進行油耗檢測，測定一定體積燃油的消耗時間。容積式油耗傳感器通過累計發(fā)動機工作中所消耗的燃油總量，用時間或里程來計算油耗量。容積式油耗傳感器的流量檢測裝置由流量變換機構(gòu)及信號轉(zhuǎn)換機構(gòu)組成。。圖3.1行星活塞式油耗傳感器的流量轉(zhuǎn)換機構(gòu)的工作原理圖1,2,3,4.活塞.5曲軸.6連桿.7.油道.8.排油口.流量變換機構(gòu)是將一定容積的燃油量變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，它由十字形配置的四個活塞和旋轉(zhuǎn)曲軸構(gòu)成，其工作原理如圖所示。燃油在泵油壓力作用下推動活塞運動，再由活塞運動推動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周（即四個活塞各往復運動一次），完成一個進排油循環(huán)。如此反復，在燃油泵泵油壓力的作用下，就可完成實現(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，其排油量可用下式確定：（3.1）式中，V——四缸排油量，cm3；h——曲軸偏心距，cm2；d——活塞直徑，cm。信號轉(zhuǎn)換機構(gòu)裝在曲軸的另一端，由主動磁鐵、從動磁鐵、轉(zhuǎn)軸、光柵板、發(fā)光二極管、光敏光、電纜插座及殼體等組成。當曲軸轉(zhuǎn)動時，由于一對永久磁鐵的吸引作用，轉(zhuǎn)軸及其上的轉(zhuǎn)動光柵也隨之轉(zhuǎn)動，通過發(fā)光二極管和光敏管，把曲軸的轉(zhuǎn)動變成電脈沖信號送入計量顯示儀，經(jīng)過內(nèi)部運算處理后，即可顯示出流經(jīng)的燃油量[1]。2質(zhì)量法質(zhì)量式油耗傳感器在底盤測功機試驗臺上進行油耗檢測，是測定消耗一定質(zhì)量燃油所需的時間。質(zhì)量式油耗傳感器由稱量裝置、計數(shù)裝置和控制裝置組成，如圖3.2所示,在測量消耗一定質(zhì)量的燃油所需的時間后，可按下式計算出單位時間內(nèi)發(fā)動機的燃油消耗量[1]。（3.2）式中：w——燃油質(zhì)量，g；t——測量時間，s；G——燃油消耗量，kg/h。稱量裝置通常利用臺秤改制，量程為10kg，稱量誤差為0.1%。稱量裝置的秤盤上有量杯，燃油經(jīng)過電磁閥加入油杯。電磁閥的開閉由裝在平衡塊上的行程限位器撥動兩個微型限位器開關(guān)來控制。光電傳感器給出油耗終點和始點，它有兩個光電二極管和裝在棱形指針上的光源組成，光電二極管5為固定式，光電二極管8裝在活動滑塊上，滑塊通過齒輪齒條移動，齒輪軸與鼓輪相連，計量的燃油量通過轉(zhuǎn)動鼓輪從刻度盤上讀出。計量開始時，光源的光束射在光電二極管5上，光電二極管發(fā)出信號，使計數(shù)器開始計數(shù)，隨著油杯中燃油的消耗，指針移動。當光束射到光電二極管8上時，光電二極管發(fā)出信號，計數(shù)停止。圖3.2重量式油耗儀原理圖1油杯2出油管3加油管4電磁閥5光電二極管6限位開關(guān)7限位器8光電二極管9電源10計數(shù)器11控制器質(zhì)量式油耗儀有一個系統(tǒng)誤差，即測量時油面高度發(fā)生變化，伸入油杯中的油管浮力的反作用力也在變化，造成稱量時的系統(tǒng)誤差。此項系統(tǒng)誤差必須根據(jù)汽車油耗量及油杯高度變化進行修正。此外以L/100km作為油耗計量單位時，在換算必須考慮燃油密度與溫度之間的關(guān)系。在測量消耗一定質(zhì)量的燃油所需時間后，即可利用以下公式計算出單位時間內(nèi)發(fā)動機燃油消耗量：（3.3）上式中：G——燃油質(zhì)量，g；t——測量時間，s；Q——燃油消耗量，kg/h。重量傳感器的選擇.1重量傳感器分類重量傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類，以電阻應變式使用最廣[22]。

（1）光電式傳感器：包括光柵式和碼盤式兩種。光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角\o"位移"位移轉(zhuǎn)換成光電信號。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物\o"質(zhì)量"質(zhì)量。碼盤式傳感器的碼盤(符號板)是一塊裝在表盤軸上的透明\o"玻璃"玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，最后在\o"顯示器"顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結(jié)合秤上。（2）\o"液壓式傳感器"液壓式傳感器：在受被測物重力P作用時，液壓油的\o"壓力"壓力增大，增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值,即可確定被測物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大,但準確度一般不超過1/100。（3）電磁力式傳感器：它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。當承重臺上放有被測物時，\o"杠桿"杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測出傾斜度信號，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復至\o"平衡"平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物\o"質(zhì)量"質(zhì)量。電磁力式傳感器準確度高，可達1/2000～1/60000,但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。（4）電容式傳感器：它利用\o"電容器"電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d的正比例關(guān)系工作。極板有兩塊，一塊固定不動,另一塊可移動。在承重臺加載被測物時，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，\o"電路"電路的振蕩頻率也隨之變化。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗\o"電量"電量少，造價低，準確度為1/200～1/500。（5）\o"磁極變形式傳感器"磁極變形式傳感器：鐵磁元件在被測物\o"重力"重力作用下發(fā)生機械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級線圈的感應\o"電壓"電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進而確定被測物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準確度不高，一般為1/100，適用于大噸位稱量工作，稱量范圍為幾十至幾萬千\o"克"克。（6）\o"振動式傳感器"振動式傳感器：彈性元件受力后，其固有振動\o"頻率"頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進而求出其質(zhì)量。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩種。\o"振弦式傳感器"振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點被拉向下，且左弦的\o"拉力"拉力增大,右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變化。求出兩根弦的頻率之差，即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準確度較高,可達1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復雜,加工難度大，造價高。（7）陀螺儀式傳感器：轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，并可繞水平軸Y傾斜轉(zhuǎn)動。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸(X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z轉(zhuǎn)動(進動)。進動角速度ω與外力P/2成正比,通過檢測頻率的方法測出ω，即可求出外力大小，進而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。陀螺儀式傳感器響應時間快(5秒),無滯后現(xiàn)象，溫度特性好(3ppm)，振動影響小，頻率測量準確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準確度(1/30000～1/60000)。

（8）電阻應變式傳感器：利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性\o"元件"元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。\o"電阻"電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的\o"電信號"電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此\o"傳感器"傳感器。.2重量傳感器主要功能及選擇原則1.重量傳感器主要功能對被測對象狀態(tài)的檢測，一般都離不開傳感器，這是因為被測對象的狀態(tài)參數(shù)往往是一種非電物理量，而單片機只能識別和處理電信號。因此利用傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號才能完成測量和控制任務，而重量傳感器的主要功能就是將燃油的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斔椭羻纹瑱C，完成對被測對象狀態(tài)的檢測。2.選擇原則傳感器是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。選擇傳感器的總的原則是在滿足傳感器所有技術(shù)要求情況下，成本低廉，工作可靠和維修容易，在選擇傳感器時，最重要的是滿足其主要功能要求，一般來說傳感器的性能指標主要包括：（1）靈敏度系數(shù)，是指在穩(wěn)定狀態(tài)下工作時輸出變化和引起次變化的輸入變化的比值，一般傳感器靈敏度系數(shù)越大，則測量范圍就越窄。（2）最小測量量，它是表征傳感器能檢測被測量的最低極限值，他通常與傳感器的噪聲、靈敏度和電源的穩(wěn)定度等因素有關(guān)。（3）線形度，傳感器的校準曲線（標定曲線）與其理論擬合直線（刻度直線）之間的偏差。（4）遲滯性，在傳感器的輸入量連續(xù)增加時所對應的輸入量連續(xù)減少時對應的輸出量不相重合的現(xiàn)象。（5）穩(wěn)定性，是指在傳感器的所有工作條件保持不變的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)其輸出保持不變的能力。.3重量傳感器的選擇在本檢測系統(tǒng)中，重量傳感器是至關(guān)重要的部件，它的精度直接影響油耗檢測儀器的精度，所以，根據(jù)傳感器選擇原則，本檢測系統(tǒng)選擇由佛山市順德區(qū)泰昱傳感器生產(chǎn)的TYC601平行梁式稱重傳感器，采用合金鋼材質(zhì)，無色陽極化處理,封膠。主要技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：表3.1TYC601平行梁式稱重傳感器技術(shù)參數(shù)綜合誤差:C3絕緣電阻:≥5000MΩ(100VDC)激勵電壓:9~12VDC非線性:0.017(%F.S)溫度補償范圍:-10~+40滯后:0.02(%F.S)使用溫度范圍:-20~+55重要性:0.01(%F.S)零點溫度影響:.S/10℃蠕變：0.02(%F.S/30min)

10℃安全過載范圍:150%輸入阻抗:380±5Ω極限過載范圍:200%輸出阻抗:360±3Ω防護等級:IP65電纜線：四芯屏蔽電纜Φ4接線方法：紅色(電源)+,黑色(電源)-,綠色(信號)+,白色(信號)–

外形尺寸如圖所示：圖重量傳感器外形尺寸3.2.4重量檢測數(shù)學模型的建立根據(jù)失重法原理，重量傳感器輸出的電壓信號與密封油箱和箱內(nèi)燃油重量之和成正比，有：U=kmg=kg(mc+mf)（3.4）式中：U——電壓信號；mc——密封油箱的質(zhì)量；mf——燃油的質(zhì)量；m——總質(zhì)量；k——測量常數(shù)；g——重力加速度。把測量常數(shù)k預先存儲到單片機中，單片機可以根據(jù)重量傳感器檢測到的電壓信號U和測量常數(shù)k求的此時的燃油質(zhì)量mf（3.5）因此重量檢測數(shù)學模型可以用上式表示。3.3單片機的選擇.1單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計原則一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設(shè)計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。

系統(tǒng)的擴展和配置應遵循以下原則：

1.盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。

2.系統(tǒng)擴展與外圍設(shè)備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)。

3.硬件結(jié)構(gòu)應結(jié)合應用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應時間比硬件實現(xiàn)長，且占用CPU時間。

4.系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。

5.可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

6.單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。

.2單片機選擇原則單片機的選擇是一件重要而費心的事情,如果單片機型號選擇得合適,單片機應用系統(tǒng)就會得經(jīng)濟,工作可靠;如果選擇得不合適,就會造成經(jīng)濟浪費,影響單片機應用系統(tǒng)的正常運行,甚至根本就達不到預先設(shè)計的功能。對于一個已經(jīng)設(shè)計好的單片機應用系統(tǒng)來說,它的技術(shù)要求和系統(tǒng)功能都應當十分明確.如果選擇功能過于少的單片機,這個單片機應用系統(tǒng)就無法完成控制任務;但是如果選擇的單片機功能過于強大,這不但沒有必要,還會造成資源浪費,降低性價比。只要掌握和運用單片機正確選擇的原則,就可以選擇出最能適用于應用系統(tǒng)的單片機,保證單片機應用系統(tǒng)有最高的可靠性,最優(yōu)的性能價格比,最長的使用壽命和最好的升級換代可能。對單片機選擇,主要應用從單片機應用系統(tǒng)的技術(shù)性,實用性和開發(fā)性三方面來考慮：1.技術(shù)性:要從單片機的技術(shù)指標角度,對單片機芯片進行選擇,以保證單片機應用系統(tǒng)在一定的技術(shù)指標下可靠運行；2.實用性:要從單片機的供貨渠道、信譽程度等角度，對單片機的生產(chǎn)廠家進行選擇以保證單片機應用系統(tǒng)能長期、可靠運行；3.可開發(fā)性：選用的單片機要有可靠的可以開發(fā)手段，如程序開發(fā)工具、仿真調(diào)試手段等。.3單片機型號的匹配1．AT89S52主要性能(1)與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容(2)8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器(3)1000次擦寫周期(4)全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz(5)三級加密程序存儲器(6)32個可編程I/O口線(7)三個16位定時器/計數(shù)器(8)八個中斷源(9)全雙工UART串行通道(10)低功耗空閑和掉電模式(11)掉電后中斷可喚醒(12)看門狗定時器(13)雙數(shù)據(jù)指針(14)掉電標識符2．AT89S52功能特性描述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其引腳圖如圖所示：（a）（b）圖3.4AT89S52引腳圖3.AT89S52引腳功能描述：VCC:電源。GND:地。P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，和分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。RST:復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.4顯示器的選擇與匹配.1顯示器的選擇單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD），前者價格便宜，功能簡單，只能顯示數(shù)字。后者可進行圖形顯示，具有功耗低，抗干擾能力強等特點，目前已被廣泛應用在儀器儀表和控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用1602字符型LCD。具體選擇為長沙金太陽電子生產(chǎn)的SMC1602LCM(液晶顯示模塊)。主要技術(shù)參數(shù)：液晶顯示器主要技術(shù)參數(shù)顯示容量：16×2字符芯片工作電壓：—工作電流：2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓：字符尺寸：×引腳說明：表3.3液晶顯示器引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DataI/02VDD電源正極10D3DataI/03VL液晶顯示偏壓信號11D4DataI/04RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D5DataI/05R/W讀/寫選擇端13D6DataI/06E使能信號14D7DataI/07D0DataI/015BLA背光源正極8D1DataI/016BLK背光源負極外形尺寸如圖3.6所示：圖3.6顯示器外形尺寸.2.接口電路：如圖所示：圖3.7單片機與顯示模塊的接口電路3.5打印機的選擇與匹配3.5.1．打印機的選擇為了能使顯示器顯示的數(shù)據(jù)進行保留，便于以后的分析處理，我們需要選擇打印機實現(xiàn)智能油耗儀的打印功能，而在打印機選擇時，一種是選擇外接打印機，另一種是選擇嵌入式微型打印機，前者體積較大，外接的連接線降低了儀器的便攜性，而后者相對體積較小，微型打印機為內(nèi)嵌式，能和油耗檢測系統(tǒng)安裝在一個外殼里，更適合儀器儀表的使用功能要求，所以本次設(shè)計選擇微型打印機來實現(xiàn)智能油耗儀的打印功能。目前市場上微型打印機種類較多，綜合分析，選擇由北京斯普瑞特科技發(fā)展生產(chǎn)的SP-DVII微型打印機。該打印機具有以下特點：1.大紙卷打印機；2.PUSH開門更方便，裝紙、換色帶更容易；3.安裝方便、可靠；4.抗干擾能力強。.2接口電路微型打印機與單片機采用并行接口方式，如圖3.8所示：圖單片機與微型打印機接口電路控制面板設(shè)計控制面板在單片機控制系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人機交互的主要手段。常用的控制面板接口分為獨立式按鍵接口和矩陣式控制面板接口。獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，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)。獨立式按鍵電路的優(yōu)點是配置靈活、軟件簡單。缺點是每個按鍵都需要占用一根輸入端口線，所以在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入端13線且電路結(jié)構(gòu)復雜，故此種控制面板適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。矩陣式控制面板接13適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。例如，一個3×3的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個有9個按鍵的控制面板，同理，一個4×4行的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個16個按鍵的控制面板等。顯然，在按鍵較多的場合，矩陣式控制面板與獨立式控制面板相比，要節(jié)省很多的I/O線。針對設(shè)計的智能油耗儀，需要8個按鍵，包括“↑”、“↓”、“←”、“→”、“開始”、“結(jié)束”、“打印”、“發(fā)送”。選擇測試項目用“↑”、“↓”、“←”、“→”光標鍵；準備好后，按“開始”鍵開始測試，等達到測試值后，測試結(jié)束，儀器顯示測試的結(jié)果；按“結(jié)束”鍵，結(jié)束測試，也可以進行下一次測試；按“打印”鍵，打印測試結(jié)果；按“發(fā)送”鍵，將測試結(jié)果由RS-232發(fā)送出去。3.7其它主要元器件的選擇與匹配.1程序存儲器的選擇與匹配27512是INTEL公司產(chǎn)品，是一種512k8位紫外線擦除電可編程只讀EPROM，不同的一點是它采用NMOS工藝制成，其讀寫訪問時間從170ns～450ns，采用單一+5V電源供電，三態(tài)輸出，與TTL電平兼容，工作溫度范圍從0℃～+70℃工作電流最大125mA，維持電流40nA，讀出時間最大為250us。基于以上原因，并考慮到與80C196KC兼容匹配性和性價比，初選27512為擴展程序存儲器。27512為28腳雙列直插式封裝，其管腳排列如圖所示.2數(shù)據(jù)存儲器的選擇與匹配62256是一種采用CMOS工藝制成的32K8位28引腳的靜態(tài)讀寫存儲器，其讀寫訪問時間根據(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。當未選通時，芯片處于低功耗狀態(tài)，這時可減少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，這個性能用于電池供電的數(shù)據(jù)斷電保護操作。工作溫度范圍：0℃～+70℃。基于以上原因，并考慮到其性價比，基于以上原因，選擇62256作為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器。其管腳排列如圖0所示.3片外擴展I/O口選擇與匹配8155是一個有40引腳的塑封芯片，功能較強，廣泛的應用在計算機電路中。256字節(jié)的靜態(tài)RAM,存取時間為400ns，它有兩個8位口A、B和一個6位口C，總共可以擴展出22條接線。它含一個可預置的計數(shù)器，計數(shù)范圍從2～16383，可用于延時、計數(shù)或分頻。它內(nèi)部還有256字節(jié)的RAM，可以補充CPU內(nèi)存的不足。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)部還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。基于以上的特點和性價比，初選芯片8155。圖1為8155的引腳圖[19]。圖3.92751