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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(guó)2009年中國(guó)石油表觀消費(fèi)量為40,837.5萬噸，僅次于美國(guó)，預(yù)計(jì)2010年將達(dá)到4.27億噸。2009年中國(guó)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(guó)，2010年的汽車保有總量已達(dá)到7619萬輛，由汽車消耗的燃料占我國(guó)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(guó)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(zhǎng)的石油消耗造成的能源等問題己經(jīng)出現(xiàn)。短缺的石油供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)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(dòng)車消耗了全國(guó)石油總產(chǎn)量的85%，柴油總產(chǎn)量的42%。預(yù)計(jì)到2010年底達(dá)到2.7—3.1億噸。而國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量?jī)H能達(dá)到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)發(fā)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(zhǎng)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(jí)評(píng)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(dòng)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(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測(cè)是十分重要和必要的。
對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)，一般是通過汽車燃油消耗量測(cè)量來確定的，它是用以評(píng)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(duì)汽車燃油消耗量進(jìn)行檢測(cè)并作出評(píng)價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)定使用的是油耗計(jì)測(cè)定方法。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對(duì)于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測(cè)量較為簡(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)量的對(duì)象已全部變成了電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問題，使其對(duì)油耗的測(cè)量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測(cè)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(cè)儀，提高油耗檢測(cè)精度，擴(kuò)大儀器測(cè)量范圍，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)日益發(fā)展的需要。基于容積法的汽車油耗檢測(cè)儀器能精確檢測(cè)汽車油耗，可以對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性有一個(gè)正確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛油耗檢測(cè)評(píng)價(jià)，可為其維護(hù)、維修提供依據(jù)；對(duì)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)行其工作規(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)的發(fā)展和應(yīng)用。由此研制能快速、準(zhǔn)確測(cè)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(guó)內(nèi)外的油耗儀研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究狀況
1、國(guó)外汽車油耗儀的研究狀況
國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，比較重視環(huán)保與節(jié)能。其車輛油耗檢測(cè)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(cè)裝置，其功能、測(cè)試項(xiàng)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。目前，國(guó)外有關(guān)燃油消耗測(cè)量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。
燃油消耗量是評(píng)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(cè)量參數(shù)之一。因此，燃油消耗量的測(cè)量是內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)的重要組成部分，其測(cè)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)確定和主要附件的選配及調(diào)整等。目前，內(nèi)燃機(jī)臺(tái)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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量。隨著汽車技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)其測(cè)試的手段也應(yīng)同步發(fā)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?jī)x具有瞬時(shí)測(cè)量和累計(jì)功能，得到廣泛應(yīng)用，可測(cè)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(guó)內(nèi)研制出不同大小的渦輪以滿足汽油機(jī)小流測(cè)量的需要。以上兩種流量?jī)x均用于汽車道路試驗(yàn)，只能測(cè)量體積流量。美國(guó)Pierburg儀器司的流量計(jì)為渦輪流量?jī)x的改進(jìn)型，流量范圍可從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(tái)架試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的精確測(cè)量?jī)x，在油量25g 時(shí)精度較高，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量范圍為0～150kg/h，盡管該油耗儀可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試， 但由于仍是靜態(tài)燃油測(cè)量秤的改進(jìn)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于200ms。目前，國(guó)外有關(guān)燃油消耗測(cè)量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。
美國(guó)、日本和歐洲各國(guó)汽車油耗、C02排放的測(cè)試循環(huán)和測(cè)量設(shè)備各不相同，測(cè)試范圍也不全一致，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(cè)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(cè)試方法，且近十多年來不斷變化。早期是分別測(cè)量低速城市工況(即ECE15工況)油耗和90、120km/h的等速油耗;93年開始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(cè)量;2000年開始采用冷啟動(dòng)而不是原來的熱啟動(dòng)狀態(tài)下的工況法來測(cè)量油耗，以求更真實(shí)測(cè)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(dòng)后工況法測(cè)試循環(huán))為185 g/km，2000年降低至169 g/km，2008年將進(jìn)一步降低至140 g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為5.9L，也是在1995年的基礎(chǔ)上減低了約25%);美國(guó)是分別測(cè)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(cè)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(guó)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(cè)試油耗，確認(rèn)汽車廠的申報(bào)值并向社會(huì)公布。
2、國(guó)內(nèi)汽車油耗檢測(cè)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(huì)中，研究與開發(fā)新型智能油耗軟件是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)油耗產(chǎn)品升級(jí)換代的要求，是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要。以前我國(guó)主要采用普通式汽車油耗計(jì)檢測(cè)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、適用范圍較窄、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(guó)內(nèi)，由于技術(shù)上的落后，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測(cè)重視較晚，直到1991年10月1日交通部才頒布實(shí)施了涉及車輛燃油消耗檢測(cè)的法規(guī)—《汽車運(yùn)輸業(yè)綜合性能檢測(cè)站管理辦法》，規(guī)定采用的測(cè)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(guó)外引進(jìn)了一些相關(guān)的設(shè)備，但主要使用在測(cè)量汽車的尾氣排放，用碳平衡法原理測(cè)油耗，但是由于碳平衡法精確計(jì)量排氣流量比較困難，快速可靠的密封連接也十分困難很難，而且將測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)。所以國(guó)內(nèi)沒有達(dá)到實(shí)用階段，還沒有引起重視。
目前我國(guó)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(guó)產(chǎn)在用車，我國(guó)城市的燃油消耗/C02排放水平應(yīng)該更高。我國(guó)急需借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)制實(shí)施汽車多工況法油耗測(cè)試方法，作為汽車廠公布油耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一測(cè)試基準(zhǔn)，并在每輛汽車上標(biāo)明其名義油耗，引導(dǎo)用戶比較選擇。另外，針對(duì)我國(guó)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(lì)經(jīng)濟(jì)型汽車的發(fā)展，另一方面這也是我國(guó)汽車進(jìn)入家庭和汽車工業(yè)快速健康發(fā)展的必然要求。
油耗儀器多為體積式的。應(yīng)用的比較早的是車用油耗計(jì)，如國(guó)產(chǎn)的GD-30型車用油耗計(jì)，由傳感器和電磁計(jì)數(shù)器兩部分組成，其傳感器為容積膜片式，適用于汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。但是，使用中膜片不可避免地產(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(cè)帶來不便。
國(guó)內(nèi)研制的FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)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(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，同時(shí)它可以與國(guó)內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測(cè)功機(jī)配套，用于控制和測(cè)量發(fā)動(dòng)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(cè)量各種汽油機(jī)，柴油機(jī)、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。油耗儀采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，油耗測(cè)量和顯示儀表集于一體，可獨(dú)立完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測(cè)量。FC系列智能油耗儀采用先進(jìn)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)特性，使多臺(tái)測(cè)試儀器可以聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)保留了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口。能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會(huì)溢出，保證使用的安全，特別適用一大回油量的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。儀器測(cè)量時(shí)間范圍是1～200S,測(cè)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)行單次測(cè)量、循環(huán)測(cè)量、超量程測(cè)量。每次測(cè)完油耗后，數(shù)據(jù)輸出到CAN總線上。測(cè)量精度0.4%F.S。這種儀器主要用于臺(tái)架試驗(yàn)[5]。
AM-2018燃油消耗測(cè)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(guó)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(cè)定各類發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的消耗量、瞬時(shí)流量；可進(jìn)行定容積、定重量、定時(shí)間等參數(shù)的測(cè)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(cè)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(dòng)情況下，具有測(cè)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(tái)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?jī)x是動(dòng)態(tài)測(cè)試并顯示汽車行駛中的瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗測(cè)量?jī)x器，由油耗儀主機(jī)和CPU顯示器兩部分組成，為公交車輛、客運(yùn)車輛、貨運(yùn)車輛及工程車輛等進(jìn)行精確的油耗統(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(guó)家推動(dòng)節(jié)能減排戰(zhàn)略，提供了一個(gè)有效的油耗測(cè)試手段，使節(jié)能減排有據(jù)可依。
1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)的汽油汽車發(fā)動(dòng)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(cè)出燃油消耗量，方法較為簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度比較低，而且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量、不能記錄數(shù)值等很多弊端。
由于電控噴射發(fā)動(dòng)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(cè)技術(shù)，并且能通過顯示器和打印機(jī)對(duì)外輸出。
基于容積法的汽車智能油耗檢測(cè)儀器能對(duì)汽車進(jìn)行不同工況的油耗數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)量，尤其是瞬時(shí)油耗的測(cè)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(cè)與顯示，集機(jī)、電、液于一體，提高檢測(cè)與顯示精度和檢測(cè)的自動(dòng)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)的迅猛發(fā)展，加上傳感器的微型化、多功能化、集成化和智能化的發(fā)展，控制功能的不斷完善，因而目前國(guó)內(nèi)外各國(guó)都在研究與開發(fā)微電腦油耗儀，并進(jìn)一步向智能化方向發(fā)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(duì)汽車燃油消耗量進(jìn)行檢測(cè)并作出評(píng)價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)定使用的是油耗計(jì)測(cè)定方法。目前國(guó)內(nèi)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)量方法還是油耗儀測(cè)量方法，這些油耗測(cè)量?jī)x表種類繁多，使用方法和測(cè)量精度也各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對(duì)于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測(cè)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(zhǎng)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(cè)量的對(duì)象已全部變成了電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問題，使其對(duì)油耗的測(cè)量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測(cè)量方法和儀器的研究受到了更多的關(guān)注。
目前測(cè)定燃料消耗率(簡(jiǎn)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(cè)量精度較高,但不能測(cè)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(cè)定。流量計(jì)法和流速計(jì)法可以測(cè)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(cè)量精度較低。測(cè)量?jī)?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(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)功能強(qiáng)、測(cè)量精度高、使用方便, 而且能夠?qū)δ壳按蠖鄶?shù)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，并且能夠直觀的反映出瞬時(shí)油耗情況，從而為檢測(cè)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(cè)儀器，能夠提高油耗檢測(cè)的精度，降低檢測(cè)儀器的使用功耗，提高儀器的抗干擾能力，擴(kuò)大儀器的測(cè)量范圍。對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車的油耗性能，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對(duì)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(cè)軟件也是實(shí)現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品升級(jí)換代的要求，也是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要。
基于容積法的油耗檢測(cè)裝置可以精確檢測(cè)汽車油耗，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛油耗檢測(cè)評(píng)價(jià)，可為其維護(hù)、維修提供依據(jù)；對(duì)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)行其工作規(guī)律研究。采用汽車油耗智能檢測(cè)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(cè)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(cè)量范圍。對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車的油耗性能，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對(duì)環(huán)境的污染等有重要的意義。是油耗產(chǎn)品升級(jí)換代的要求，是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)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(dòng)機(jī)的動(dòng)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(cè)及維護(hù)的重要儀器。
(1)總體方案的確定；
介紹基于容積法的汽車油耗檢測(cè)技術(shù)理論；分析汽車油耗不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)，廣泛查閱各種文獻(xiàn)，了解目前國(guó)內(nèi)外油耗測(cè)量方法的現(xiàn)狀，分析其長(zhǎng)處和不足；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(cè)的控制原理；建立汽車油耗檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型；
（3）硬件部分設(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)行對(duì)比分析，確定采用的元件的具體型號(hào)，并給出相應(yīng)的接口電路，相互之間進(jìn)行合理的匹配。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(cè)數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行軟件系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，選擇語言編寫控制程序。完成對(duì)油耗的智能化測(cè)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(cè)試模塊等。同時(shí)進(jìn)行程序的調(diào)試工作，以對(duì)編寫的程序進(jìn)行運(yùn)行檢查，驗(yàn)證運(yùn)行邏輯、運(yùn)行流程等。軟件部分配合硬件控制系統(tǒng)，共同完成對(duì)油耗的智能化測(cè)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(cè)試模塊。同時(shí)進(jìn)行程序的調(diào)試工作，以對(duì)編寫的程序進(jìn)行運(yùn)行檢查，驗(yàn)證運(yùn)行邏輯、運(yùn)行流程等；
（5）儀器機(jī)械部分的設(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)、芯片安裝方式的確定。
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(cè)。采用容積式傳感器檢測(cè)燃油流量信號(hào)，通過單片機(jī)在相應(yīng)軟件的支持下進(jìn)行處理，在通過顯示器或打印機(jī)對(duì)外輸出。同時(shí)，要采用監(jiān)視器對(duì)成個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(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(tái)架試驗(yàn)臺(tái)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(cè)試、平均油耗和瞬時(shí)油耗。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)定容積測(cè)試、定質(zhì)量測(cè)試、定時(shí)間測(cè)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(duì)自身的標(biāo)定和對(duì)傳感器的標(biāo)定；
（4）該項(xiàng)技術(shù)完成后測(cè)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(jiǎn)單，可操控性要強(qiáng)，該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品化之后，同比之下成本要低、精度要高。
2.2總體設(shè)計(jì)方案的確定
2.2.1儀器總體方案的確定
根據(jù)車輛的油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)功能的要求，針對(duì)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(cè)系統(tǒng)的硬件部分。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(duì)系統(tǒng)的控制電路的設(shè)計(jì)。
根據(jù)汽車的發(fā)動(dòng)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(cè)方法，建立油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，配合硬件部分控制電路選擇或編寫控制軟件，共同完成對(duì)基于容積法的油耗儀器的智能化測(cè)試。
針對(duì)油耗檢測(cè)系統(tǒng)工作過程中遇到的干擾，分析原因，采取相應(yīng)辦法，提高容積法油耗檢測(cè)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(duì)理論模型進(jìn)行修正，提供其檢測(cè)精度。
進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)誤差分析，為了更合理的選用測(cè)試裝置和測(cè)試方法，對(duì)產(chǎn)生的誤差應(yīng)進(jìn)行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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(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(cè)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(hào)采集與處理（放大、整形）；模—數(shù)轉(zhuǎn)換；具有人機(jī)對(duì)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(chǔ)器(EPROM)；數(shù)—模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)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
PIC單片機(jī)
液晶顯示模塊
EPROM
RS232
打印機(jī)
RAM
信號(hào)調(diào)節(jié)電路
鍵盤
驅(qū)動(dòng)器
執(zhí)行裝置
圖2.2 檢測(cè)系統(tǒng)組成關(guān)系
流量傳感器用于檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量，將信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。
單片機(jī)是汽車油耗檢測(cè)控制系統(tǒng)的核心，用于接收流量傳感器的信號(hào)，并調(diào)用內(nèi)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和相關(guān)程序，進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果送給打印機(jī)或顯示器對(duì)外輸出。
顯示器用于適時(shí)顯示汽車油耗的檢測(cè)數(shù)據(jù)。打印機(jī)用于打印汽車油耗的檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的監(jiān)控程序固化在程序存貯器EPROM中，被測(cè)參量通過傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R(shí)別的數(shù)字信號(hào)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(chǔ)器RAM中。
油耗測(cè)量系統(tǒng)采用流量傳感器的流量信號(hào)，并將信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)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)行數(shù)據(jù)傳輸，通過控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)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(cè)量系統(tǒng)采用流量傳感器檢測(cè)燃油流量信號(hào)，并將信號(hào)送給單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)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)行數(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(duì)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(dòng)機(jī)進(jìn)油管路中，以檢測(cè)進(jìn)油管路的燃油流量，流量信號(hào)傳給單片機(jī)，進(jìn)行相關(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
油泵
濾清器
流量傳感器
發(fā)動(dòng)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(duì)氣缸供油。
流量傳感器的連接方式如圖2.4所示。
圖2.4 1一油箱；2一回油管；3-傳感器信號(hào)線；4一供油管：5一流量傳感器；
6一電動(dòng)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?
單流量傳感器的安裝方式(汽油車)
對(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)出供油量-測(cè)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
油泵
濾清器
流量傳感器1
發(fā)動(dòng)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(cè)儀采用傳感器檢測(cè)燃油流量信號(hào)，通過單片機(jī)在相應(yīng)軟件的支持下進(jìn)行處理，在通過顯示器或打印機(jī)對(duì)外輸出。同時(shí)，要采用監(jiān)視器對(duì)成個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(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(cè)試。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)定容積測(cè)試、定質(zhì)量測(cè)試、定時(shí)間測(cè)試的功能。在此基礎(chǔ)上確定了基于容積法的汽車油耗檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案。
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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)`
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(dòng)機(jī)的進(jìn)油和回油管路中，用來檢測(cè)燃油流量，檢測(cè)到的脈沖信號(hào)被送到微處理器中處理。考慮到連接到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油路中，傳感器工作時(shí)受到的影響因素比較多，流量傳感器的反應(yīng)速度要快，動(dòng)作時(shí)間要短。即能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)量又能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)機(jī)的進(jìn)油和回油管路中，用來檢測(cè)燃油流量，檢測(cè)到的脈沖信號(hào)被送到單片機(jī)進(jìn)行處理?？紤]連接到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油路中，傳感器工作時(shí)受到的影響因素比較多，流量傳感器的反應(yīng)速度要快，動(dòng)作時(shí)間要短。即能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)量又能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量精度不受汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響。與單片機(jī)等電子元件相匹配，使系統(tǒng)達(dá)到理想的測(cè)量精度，有一定的抗干擾能力。
3.1.2 類型及檢測(cè)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(dòng)機(jī)工作中所消耗的燃料總?cè)萘?，用時(shí)間和里程來計(jì)算油耗量。它可以連續(xù)測(cè)量，其結(jié)構(gòu)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(cè)裝置是由流量變換機(jī)構(gòu)及信號(hào)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(dòng)，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(cè)方法：
容積式傳感器采用行星活塞式流量傳感器在底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)或道路上進(jìn)行油耗檢測(cè)，測(cè)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(hào)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，再由活塞運(yùn)動(dòng)推動(dòng)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(dòng)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；
— 代表某一活塞截面積，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(zhǎng)期使用后，其活塞、曲軸、連桿會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，對(duì)其測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響，且脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和發(fā)送需要一定的時(shí)間，在測(cè)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(cè)出微弱信號(hào)量值，又要噪聲小。
（2）頻率響應(yīng)特性。必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真測(cè)量條件，并且傳感器的延遲時(shí)間越短越好。
（3）穩(wěn)定性。實(shí)際工作環(huán)境中，長(zhǎng)期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的特性。
（4）精確度。一般希望傳感器的精度要高，指?jìng)鞲衅鬏敵雠c被測(cè)量真值的符合程度。
（5）測(cè)量方式。盡可能考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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密磨合的，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(cè)量?jī)x器，經(jīng)整形倍頻、可逆計(jì)數(shù)、量綱換算等處理，達(dá)到直接讀取顯示油耗。
基于以上的要求，初步選定容積式流量傳感器，型號(hào)為YH-2。其技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：
表3.1 YH-2型流量傳感器的技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目
參數(shù)
電源/V
DC，+5
輸出信號(hào)/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/kg
1.9
使用溫度/℃
0～40
應(yīng)用特點(diǎn)
有兩路脈沖信號(hào)輸出，需通過程序判斷正反轉(zhuǎn)，直接輸出數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)
3.1.4 流量檢測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立
根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)確定的容積式型號(hào)為YH-2的流量傳感器，在測(cè)量范圍內(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(hào)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(chǔ)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(cè)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)展部分設(shè)計(jì)(包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展)和各功能模塊設(shè)計(jì)(測(cè)量功能模塊、信號(hào)控制功能模塊和人機(jī)對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)指令集(RISC)。采用CISC結(jié)構(gòu)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)行，速度受限，價(jià)格也高。采用RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分離，這種結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(duì)于控制方式較簡(jiǎn)單的家電，可以采用RISC型單片機(jī)；對(duì)于控制關(guān)系較復(fù)雜的場(chǎng)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(duì)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(gòu)買性。單片機(jī)是否可以直接買到；是否有足夠的供應(yīng)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行選擇，可選擇出較合適的單片機(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(jí)換代性。
3.2.2 MCS196單片機(jī)的特點(diǎn)
MCS196系列單片機(jī)是Intel公司繼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進(jìn)，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(chǎng)合。MCS196單片機(jī)有多種型號(hào)，不同型號(hào)配置有不同的功能部件，且具有不同存儲(chǔ)器空間和尋址能力，可滿足不同場(chǎng)合的要求。
MCS196系列單片機(jī)都有1個(gè)基于寄存器到寄存器結(jié)構(gòu)的內(nèi)核。這種結(jié)構(gòu)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(hào)中進(jìn)行不同配置。這些功能部件除包括在8X9X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)服務(wù)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（High Speed Inputs and Outputs）：其中HSI用于記錄某一外部事件相對(duì)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(cè)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(hào)的時(shí)間參數(shù)測(cè)量。HSO則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件（如置位/清零口線、啟動(dòng)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(hào)波形。
EPA（Event Processor Array）：實(shí)質(zhì)上是捕捉/比較模塊。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(duì)于時(shí)基定時(shí)器發(fā)生的時(shí)刻；“比較”則是和預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間作比較，預(yù)定時(shí)間一到就去執(zhí)行某種輸出功能（比如輸出置為高、輸出置為低、輸出翻轉(zhuǎn)、啟動(dòng)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較。
PTS（Peripheral Transaction Server）：實(shí)質(zhì)上是中斷服務(wù)機(jī)制的改進(jìn)。對(duì)正常的中斷服務(wù)，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，完成中斷服務(wù)，這樣CPU的開銷比一般的中斷響應(yīng)要少得多。
WG（Waveform Generator）：可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的3對(duì)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(chǎng)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(dòng)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：① HSI/O系列，這類芯片具有高速輸入、輸出口；② EPA系列，這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列；③ Motor Control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(duì)的，往往在同一個(gè)型號(hào)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8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD
8XC196KB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)的寄存器RAM。它采用高速輸入/輸出口進(jìn)行事件處理。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）。
8XC196KC的性能比8XC196KB要更進(jìn)一步。它的片內(nèi)有16KB的程序空間，488個(gè)字節(jié)的寄存器RAM，最高工作頻率可達(dá)20MHz。除了具有8XC196KB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(duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器PTS，可大大減輕CPU在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。
8XC196KD除具有8XC196KC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)的寄存器RAM。由于片內(nèi)存儲(chǔ)空間的增大，所以，更適合于使用高級(jí)語言編程。這種芯片的最高頻率也可達(dá)20MHz。
表3.2 HIS/O和EPA分辨能力的比較
部件名稱
時(shí)鐘頻率/MHz
單位
16
20
25
50
HSI
1125
900
750
600
ns
HSO
1000
800
600
400
ns
EPA
250
200
160
80
ns
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)的寄存器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(duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)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)行事件處理。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(chǔ)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(chǔ)器連接。
如下圖所示：
控制總線
地址總線
存儲(chǔ)器
CPU
數(shù)據(jù)總線
地址總線為地址信號(hào)，用來指明選中的存儲(chǔ)單元地址。
數(shù)據(jù)總線為數(shù)據(jù)信號(hào)，它是微處理器送往存儲(chǔ)器的信息或存儲(chǔ)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(chǔ)器讀寫信號(hào)，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：
6264
A0～12 VCC
I/O0～7
WR
OE
CS2 GND
CS1
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(hào)端。其工作方式見下表：
控制信號(hào)
CS1
CS2
OE
WR
數(shù)據(jù)線
讀
L
H
L
H
輸出
寫
L
H
╳
L
輸入
非選
H
╳
╳
╳
高阻態(tài)
非選
╳
L
╳
╳
高阻態(tài)
輸出禁止
L
H
H
H
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(chǔ)器，其讀寫訪問時(shí)間根據(jù)不同型號(hào)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。工作溫度范圍：0℃～+70℃。基于以上原因，并考慮到其性價(jià)比，選擇6264作為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
其管腳排列如圖3.2所示[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
圖3.2 6264管腳排列圖
3.3.2.片外擴(kuò)展I/O口選擇
型號(hào)為8255（改進(jìn)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, C 3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)范圍從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?；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]。
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
RD WR
CS RESET
GND D0
A1 D1
A0 D2
PC7 D3
PC6 D4
PC5 D5
PC4 D6
PC0 D7
PC1 Vcc
PC2 PB7
PC3 PB6
PB0 PB5
PB1 PB4
PB2 PB3
圖3.3 8255A引腳圖
3.3.3程序存儲(chǔ)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，其讀寫訪問時(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，工作溫度范圍從0℃～+70℃工作電流最大125mA，維持電流40nA，讀出時(shí)間最大為250us?；谝陨显颍⒖紤]到與80C196KC兼容匹配性和性價(jià)比，初選27512為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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3.4 27512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)的發(fā)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，已發(fā)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)行顯示是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。顯示器價(jià)格比較便宜，但功能比較單一，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)容的圖形部分直接用命令輸入，用戶編程非常簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)器為核心,集行列驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出和61個(gè)列驅(qū)動(dòng)輸出;(在MGLS-12032中用到了全部16個(gè)行驅(qū)動(dòng)口和其中60個(gè)列驅(qū)動(dòng)口);
③可直接與微處理器相連,時(shí)鐘信號(hào)由SED1520內(nèi)部產(chǎn)生;
④驅(qū)動(dòng)占空比為1/16或1/32;
⑤可以與SED1520級(jí)聯(lián)使用,以便擴(kuò)展行、列的驅(qū)動(dòng)能力。
SED1520功能特點(diǎn)
SED1520是集行、列驅(qū)動(dòng)器和控制器于一體的液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)器，可廣泛用于小規(guī)模液晶顯示模塊，例如香港精電公司的MGLS-12032、MGLS10032等。
SED1520液晶顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)口和61個(gè)列驅(qū)動(dòng)口。
●可直接與80系列或68系列微處理器相連。
●驅(qū)動(dòng)占空比為1/16或1/32。
●可以與SED1520配合使用，以便擴(kuò)展列驅(qū)動(dòng)口數(shù)目。
對(duì)于液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器以及管理電路只要了解就足夠,但是對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分和接口部分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(jí)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(dòng)的工作原理是:在兩片SED1520級(jí)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(dòng)和左半屏顯示的列驅(qū)動(dòng)輸出;處于從工作方式的SED1520則承擔(dān)第7行至第32行的行驅(qū)動(dòng)和右半屏顯示的列驅(qū)動(dòng)輸出。驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖一所示。這要求我們?cè)诰幊痰臅r(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的接口部分包括I/O緩沖器,復(fù)位電路,指令譯碼和狀態(tài)字寄存器等。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模塊分直接訪問方式和間接訪問方式,如圖3.5所示。從原理圖中可以看到直接訪問方式不占用系統(tǒng)地址/數(shù)據(jù)總線以外的資源,但是外部邏輯電路相對(duì)復(fù)雜。間接控制方式的連接電路簡(jiǎn)單,但是需要占用196額外的I/O端口。考慮到196豐富的接口資源和系統(tǒng)調(diào)試的方便,本設(shè)計(jì)以間接訪問方式為基礎(chǔ)。
圖3.5 196KC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)被保留、便于隨時(shí)隨地進(jìn)行對(duì)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(cè)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，達(dá)到便于攜帶的目的。選擇原則：
（1）換紙方便，最好能前端換紙；
（2）體積要小、操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊；
（3）能滿足大部分非標(biāo)準(zhǔn)儀器、儀表面板的使用要求；
（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)特的面板嵌入結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)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(jiǎn)單、連接方便、結(jié)構(gòu)緊湊、面板尺寸符合儀器儀表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（80mm160mm），并滿足大部分非標(biāo)準(zhǔn)儀器、儀表面板的使用要求，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