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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
基于失重法的汽車油耗檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程07-1班
學(xué)生姓名： 王 聰
指導(dǎo)教師： 付百學(xué)
職 稱： 教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Automobile Oil Consumption Instrumentation Based on Weightlessness
Candidate：Wang Cong
Specialty：Vehicle Engineering
Class：07-1
Supervisor：Prof. Fu Baixue
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國(guó)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(hù)意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，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(lái)越強(qiáng)。研制能快速、準(zhǔn)確測(cè)量汽車在各種工況下油耗的儀器，已成為一項(xiàng)重要的課題。
文中研制的智能型汽車油耗檢測(cè)儀器，利用失重法原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)油耗智能測(cè)試技術(shù)的研究水平和發(fā)展趨勢(shì)，采用傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和顯示技術(shù)。
主要內(nèi)容包括：根據(jù)油耗測(cè)試系統(tǒng)的功能要求，進(jìn)行油耗檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與選擇，建立了汽車油耗檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了油耗檢測(cè)系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)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(cè)系統(tǒng)所采用的理論的可行性，并進(jìn)行了油耗檢測(cè)系統(tǒng)的誤差分析。
智能油耗儀在單片機(jī)的控制下，通過(guò)傳感器送來(lái)的信號(hào)，在控制軟件的支持下，能對(duì)汽油機(jī)、柴油機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)油耗測(cè)試，能測(cè)量汽車的平均油耗和瞬時(shí)油耗。解決了國(guó)內(nèi)油耗檢測(cè)產(chǎn)品與國(guó)外相比測(cè)試精度相對(duì)較低、成本較高等問(wèn)題。能對(duì)新生產(chǎn)車、營(yíng)運(yùn)車輛進(jìn)行燃料經(jīng)濟(jì)性檢測(cè)和評(píng)價(jià)，能滿足科研院所、車輛制造、使用和維修單位、大專院校試驗(yàn)教學(xué)等需要，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：油耗；智能；單片機(jī)；檢測(cè)；傳感器
ABSTRACT
With the increasing of the automobile quantity people own, the unproducing resources such as gasoline, dieal have decreased gradually. Together with people’s envioroment protection consciousness that strengthens gradually, more attention is focused on the vehicle fuel consuming, calling about limiting vehicle fuel consuming becomes more and more fierce. research the equipments that call quick and accurate measuring gas-consuming under all working conditions，which becomes a very important topic．
The research on monitoring indtruments, on the basis of the weightlessness principle, combining with the domestic and foreign research level and development trend, adoping sensing technology, single chip microcomputer control technology and display technology. The main content includes gas-consuming detecting system’s hardware design and selection．Automobile gas-consuming detecting system mathematics model were included, gas consuming detecting system software's design. Diagnose the practicing performance of the theory that gas-consuming detecting system Was adopted and the theory models on the base of practice conditions were modified．
Vehicle intelligent gas consuming instruments were controlled by the single chip computer’s，and by means of calclllating the gasoline flowing pulse signal that flowing amount measuring sensor bring，together with the support of controlling software，it call turn the automobile’s quiet condition and moving condition into reality and measure the automobiles average gas consuming and instant gas consuming also．It settles that comparing to exotic gas consuming system，domestic gas consuming products testing accuracy is relatively lower．The volume is big and high cost and so on questions．It call detect and evaluate the fuel economic performance of new produced automobiles and operating automobiles．It can also satisfy the science research institute，vehicle producing，using，and repairing departments，college and university experiments teaching ，which has a widely application future．
Key words: oil consumption；intelligent；singlechip；check；sensor
II
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國(guó)內(nèi)外智能油耗檢測(cè)儀研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.1 國(guó)內(nèi)外智能油耗檢測(cè)儀研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 智能油耗檢測(cè)儀發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 智能油耗檢測(cè)儀研究目的和意義 3
1.4 汽車油耗檢測(cè)技術(shù) 5
1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容 5
第2章 檢測(cè)系統(tǒng)總體分析 6
2.1 系統(tǒng)主要功能要求 6
2.2 測(cè)量原理 6
2.3 元件在油路中的布置 7
2.4 油耗測(cè)量部分組成 8
2.5 本章小結(jié) 8
第3章 智能油耗檢測(cè)儀中硬件的選擇與匹配 9
3.1 目前常用油耗檢測(cè)方法分析 9
3.1.1 常用油耗檢測(cè)方法分類 9
3.1.2 常用油耗測(cè)量原理介紹 11
3.2 重量傳感器的選擇 13
3.2.1 重量傳感器分類 13
3.2.2 重量傳感器主要功能及選擇原則 15
3.2.3 重量傳感器的選擇 16
3.2.4 重量檢測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立 17
3.3 單片機(jī)的選擇 17
3.3.1 單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 17
3.3.2 單片機(jī)的選擇原則 18
3.3.3 單片機(jī)型號(hào)的匹配 18
3.4顯示器的選擇與匹配 21
3.4.1 顯示器的選擇 21
3.4.2接口電路 22
3.5 打印機(jī)的選擇與匹配 22
3.5.1 打印機(jī)的選擇 23
3.5.2 接口電路 23
3.6 控制面板的設(shè)計(jì) 23
3.7 其他主要元器件的原則與匹配 24
3.7.1 程序存儲(chǔ)器的選擇 24
3.7.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇 24
3.7.3 片外擴(kuò)展I/O芯片的選擇 24
3.7.4 通訊接口的選擇 25
3.7.5 日歷與時(shí)鐘芯片的選擇 27
3.7.6 監(jiān)控芯片的選擇 29
3.7.7 AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇 30
3.7.8 電源的選擇 30
3.7.9 電磁閥的選擇 31
3.8 本章小結(jié) 32
第4章 智能油耗檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 33
4.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 33
4.1.1 單片機(jī)的C語(yǔ)言 33
4.1.2 keil C51開發(fā)工具 34
4.1.3 軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 34
4.1.4 軟件系統(tǒng)主程序流程圖 36
4.1.5 初始化模塊 36
4.1.6 信號(hào)采集模塊 37
4.1.7 數(shù)據(jù)處理模塊 37
4.1.8 監(jiān)控程序模塊 38
4.2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 39
4.2.1 可靠性概述 39
4.2.2 硬件抗干擾技術(shù) 40
4.2.3 軟件抗干擾技術(shù) 41
4.3 本章小結(jié) 42
第5章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 44
5.1 油耗儀外部的設(shè)計(jì) 44
5.1.1 殼體材料的選擇 44
5.1.2 外形尺寸的確定 45
5.1.3 接口設(shè)計(jì) 46
5.2 內(nèi)部主要部件的安裝 46
5.3 本章小結(jié) 47
第6章 試驗(yàn)驗(yàn)證與誤差分析 49
6.1 試驗(yàn)和數(shù)據(jù) 49
6.1.1 試驗(yàn)的目的和意義 49
6.1.2 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備 49
6.1.3 試驗(yàn)步驟 50
6.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 50
6.2 誤差分析 50
6.2.1 概述 50
6.2.2 誤差的來(lái)源 51
6.2.3 誤差的分類 51
6.2.4 汽車油耗智能檢測(cè)系統(tǒng)的誤差分析 51
6.3 本章小結(jié) 52
結(jié)論 53
參考文獻(xiàn) 54
致謝 57
第1章 緒論
1.1引言
據(jù)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司有關(guān)專家推算，我國(guó)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(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2020年中國(guó)能源展望報(bào)告預(yù)測(cè)中國(guó)石油需求將以年均4.6% 的速度增長(zhǎng)，到 2020年市場(chǎng)份額將大幅增加，年消費(fèi)量可達(dá)5億噸以上。國(guó)家計(jì)委產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所預(yù)測(cè)，到2050年，中國(guó)石油需求量將達(dá)到4.5億噸，是目前1.6多億噸消費(fèi)量的2.8倍。
目前全國(guó)可供開采的石油資源量預(yù)測(cè)為 160億噸 ，2003年全國(guó)石油年產(chǎn)量1.6億噸計(jì)算，若每年增長(zhǎng)5% 以上，2005年可達(dá)1.85億噸，隨后達(dá)到2億噸至2.5億噸的峰值穩(wěn)產(chǎn)，據(jù)此估算，中國(guó)石油儲(chǔ)量可持續(xù)開采60到65年。據(jù)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司對(duì)我國(guó)石油供需平衡的預(yù)測(cè)分析，國(guó)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(dá)到1.3億噸。另?yè)?jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）預(yù)測(cè)，中國(guó)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(jìn)口將達(dá)到約4.04億噸／年以上，成為世界石油市場(chǎng)的主要進(jìn)口國(guó)。
從當(dāng)前我國(guó)的科技水平來(lái)看，汽車燃料的主要來(lái)源還要依靠石油能源中的提取物:汽油和柴油。我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及汽車進(jìn)入家庭速度的加快，我國(guó)能源供求矛盾將更加突出。中國(guó)對(duì)石油需求急劇上升的最重要原因是運(yùn)輸業(yè)的需求，目前運(yùn)輸業(yè)對(duì)石油的消耗量已經(jīng)攀升到40%。在汽車運(yùn)輸成本中，燃油消耗費(fèi)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(guó)己經(jīng)制定征收汽車燃油稅的方案，并將擇機(jī)在全國(guó)公布推行。所以汽車燃油經(jīng)濟(jì)性就和汽車運(yùn)輸成本和經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。因此，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性好，不但可以節(jié)省石油資源，減少國(guó)家對(duì)進(jìn)口石油的依賴;同時(shí)也降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳(溫室效應(yīng)主要?dú)怏w)的排放量，起到防止地球變暖的作用;對(duì)汽車用戶而言也降低了汽車的使用費(fèi)用。石油能源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)以及它給人們生活帶來(lái)的各種影響，迫使人們開始關(guān)注汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，因而對(duì)汽車進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測(cè)評(píng)價(jià)具有重要意義。
另一方面隨著汽車制造和檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，汽車檢測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)汽車技術(shù)狀況方面發(fā)揮著重要作用。國(guó)家質(zhì)檢總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委于2005年11月聯(lián)合頒布的我國(guó)第一個(gè)強(qiáng)制性汽車產(chǎn)品油耗國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——《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(jìn)行劃定的等級(jí)范圍內(nèi)，各類車輛都必須達(dá)到相應(yīng)的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國(guó)汽車保有量的逐年增加，石油消耗日益增長(zhǎng)，石油能源短缺迫使人們關(guān)注汽車燃料經(jīng)濟(jì)性及檢測(cè)手段的準(zhǔn)確性。汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性一般是用汽車燃油消耗量來(lái)評(píng)價(jià)。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(shí)也對(duì)汽車的設(shè)計(jì)制造具有重要的意義。
1.2國(guó)內(nèi)外智能油耗檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)內(nèi)外智能油耗檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀
1.國(guó)內(nèi)智能汽車油耗檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)技術(shù)落后，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測(cè)重視較晚，到1991年10月1日交通部才頒布實(shí)施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。汽車油耗檢測(cè)可通過(guò)汽車道路試驗(yàn)，也可在室內(nèi)底盤測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)上模擬路試來(lái)檢測(cè)。在汽車道路試驗(yàn)中，一般汽油車常用容積法測(cè)量油耗，柴油車常用質(zhì)量法測(cè)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?jī)x、數(shù)字式油耗—轉(zhuǎn)速自動(dòng)測(cè)量及四活塞式流量計(jì)儀等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件性能的不斷提高，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)也開始用來(lái)進(jìn)行車輛經(jīng)濟(jì)性方面的研究。虛擬實(shí)驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)仿真，它把實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象全部抽象為數(shù)學(xué)模型。其重點(diǎn)在于抽象的數(shù)學(xué)模型和軟件技術(shù)；硬件在環(huán)型系統(tǒng)是指將實(shí)物硬件嵌入仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，其強(qiáng)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(hào)由真實(shí)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(cè)儀既要能用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況時(shí)的油耗數(shù)據(jù)的測(cè)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(cè)試，尤其是瞬時(shí)油耗測(cè)試的智能型快速檢測(cè)儀器；同時(shí)還要將先進(jìn)的智能傳感器技術(shù)和智能儀表技術(shù)應(yīng)用于液體流量檢測(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)實(shí)際的需要。目前逐步投入市場(chǎng)的代表性的產(chǎn)品有以下幾種：國(guó)產(chǎn)CTM—8A汽車綜合測(cè)試儀是以微型計(jì)算機(jī)為核心，用于汽車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的測(cè)試，采用兩個(gè)流量傳感器，可進(jìn)行電噴車的等速油耗、加速油耗、六工況油耗、百公里油耗測(cè)試；淄博無(wú)線電廠生產(chǎn)的WYH—B型微電腦多功能油耗儀，用于檢測(cè)汽車、拖拉機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、操縱性能及拖拉機(jī)牽引性能。測(cè)試項(xiàng)目采用菜單操作，系統(tǒng)內(nèi)置40列微型打印機(jī)，可將測(cè)試結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)打印出來(lái)；EPF—A型發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗綜合測(cè)試儀。該產(chǎn)品采用無(wú)外載測(cè)功法，配接轉(zhuǎn)速和油耗傳感器，用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)功率、比油率、百公里油耗、怠速轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、異響．控制軟件在Windows下運(yùn)行，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲(chǔ)和打印，并具有聯(lián)機(jī)通訊功能。
2.國(guó)外智能汽車油耗檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀
國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，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)，正在大力研發(fā)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。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在70年代中期就對(duì)基于碳平衡法理論的汽車油耗檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該方法測(cè)汽車油耗完全可行，并且可以在檢測(cè)汽車尾氣排放的同時(shí)進(jìn)行，但該檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備龐大、復(fù)雜，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。采用這種檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行油耗量檢測(cè)僅局限于實(shí)驗(yàn)室中，難以在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。
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0.1s，最小油量分辨率為lml，傳感器量程為0.3～120L／h；美國(guó)Pier burg儀器公司的流量計(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)±0．1％；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O～150kg／h，盡管該油耗儀可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，但仍是靜態(tài)燃油測(cè)量秤的改進(jìn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于200ms[11]。
1.2.2智能油耗檢測(cè)儀發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)外都在研究虛擬技術(shù)應(yīng)用于汽車油耗檢測(cè)，可克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，提高儀器的功能和檢測(cè)效率，大幅度降低儀器成本，是實(shí)現(xiàn)汽車油耗高精度、低成本檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[7]。
1.3 智能油耗檢測(cè)儀研究的目的和意義
1．我國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)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(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010年國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)1826萬(wàn)和1806萬(wàn)輛，汽車保有量突破7000萬(wàn)輛，隨著汽車走進(jìn)千家萬(wàn)戶，一系列問(wèn)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(lái)源的石油，其儲(chǔ)量是有限的，2010年，我國(guó)石油產(chǎn)量為20301萬(wàn)噸，而全國(guó)石油消耗量為4.07億噸，占全年石油消耗量的45%，當(dāng)年我國(guó)石油對(duì)外依存度為55%。隨著我國(guó)汽車保有量的逐年增加，石油消耗日益增長(zhǎng)，石油能源短缺迫使人們關(guān)注汽車燃料經(jīng)濟(jì)性及檢測(cè)手段的準(zhǔn)確性。要達(dá)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(yīng)加強(qiáng)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(jī)后，各國(guó)紛紛制定本國(guó)的汽車油耗法規(guī)，強(qiáng)制性地降低新生產(chǎn)汽車的油耗指標(biāo)。如美國(guó)近十年來(lái)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8.5L/100km ， 1995 年生產(chǎn)的要低于5.73L/100km。
（2）加強(qiáng)對(duì)在用車的檢查和管理。對(duì)在用車輛進(jìn)行定期的技術(shù)狀況、經(jīng)濟(jì)狀況檢查，以便及時(shí)對(duì)技術(shù)狀況差的車輛進(jìn)行維護(hù)修理。對(duì)于維修后仍不能達(dá)到要求的，強(qiáng)制報(bào)廢。為縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，我國(guó)已經(jīng)制訂了《汽車技術(shù)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》、《汽車技術(shù)等級(jí)評(píng)定的檢測(cè)辦法》，將燃油消耗列為評(píng)定汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)；1991 年10 月頒布的交通部29 號(hào)令《汽車運(yùn)輸車輛綜合性能檢測(cè)站管理辦法》也規(guī)定，所有從事汽車運(yùn)輸車輛綜合性能檢測(cè)的A、B、C 三級(jí)檢測(cè)站，都應(yīng)具備燃油消耗量檢測(cè)的能力，這更加體現(xiàn)了對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的重視。
2.隨著油價(jià)不斷上漲和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，汽車經(jīng)濟(jì)性備受關(guān)注。
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(wèn)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。
因此，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?；谑е胤ǖ钠囉秃臋z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)，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。
1.4汽車油耗檢測(cè)技術(shù)
目前，在汽車道路試驗(yàn)中，測(cè)量汽車油耗的方法，可歸納為兩大類。
(1)直接測(cè)量法，指拆開汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油路，接人流量測(cè)量設(shè)備，直接測(cè)得燃料消耗量。具體可分為兩種：容積法：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗燃油體積；重量法：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗燃油重量。它們的共同特點(diǎn)是：①測(cè)量精度較高；②操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)；③破壞車輛原有油路結(jié)構(gòu)。
(2)間接測(cè)量法，即碳平衡法，不拆解發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)出單位時(shí)間內(nèi)尾氣含碳量與汽油中含碳量相比，即可計(jì)算得到燃油消耗量。這類測(cè)量方法的特點(diǎn)是：①不需拆解被測(cè)車輛，適應(yīng)汽車不解體檢測(cè)的發(fā)展方向；②可以和汽車排放檢測(cè)相結(jié)合；③油耗測(cè)量精度沒(méi)有直接測(cè)量法高。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)設(shè)備，由于所需設(shè)備龐大、昂貴而復(fù)雜、不可攜帶，還沒(méi)有引起重視。
1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)目前常用的汽車油耗測(cè)試方法及原理進(jìn)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(cè)儀的設(shè)計(jì)，該檢測(cè)儀能實(shí)現(xiàn)智能化油耗檢測(cè)，同時(shí)滿足汽油車和柴油車及各種工況下的檢測(cè)要求，具有較高的測(cè)量精度，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)直觀可視等特點(diǎn)。
主要內(nèi)容包括：
（1）介紹基于失重法的汽車油耗檢測(cè)技術(shù)理論；分析汽車油耗不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)；
（2）確定基于失重法的汽車油耗檢測(cè)的控制原理；建立汽車油耗檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型；
（3）確定總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行汽車油耗檢測(cè)儀器的硬件選擇與設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和機(jī)械部分設(shè)計(jì)；
（4）繪制裝配圖、控制電路圖、零件圖；
（5）試驗(yàn)驗(yàn)證與誤差分析。
第2章 檢測(cè)系統(tǒng)總體分析
2.1 系統(tǒng)的功能要求
（1）本系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)油耗的智能檢測(cè)，應(yīng)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，將采集到的信號(hào)輸送到單片機(jī)，在軟件系統(tǒng)的支持下，單片機(jī)完成對(duì)油耗的分析與處理，并通過(guò)顯示器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀性和可視化，采用控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，自帶微型打印機(jī)打印檢測(cè)結(jié)果。
（2）能對(duì)汽油機(jī)、柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。
（3）具有較高的測(cè)量精度和可靠性。
（4）該系統(tǒng)所采用的理論應(yīng)具有可行性，通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
（5）具有較低成本。
2.2測(cè)量原理
本設(shè)計(jì)主要是基于失重法原理，采用數(shù)字信號(hào)處理手段，設(shè)計(jì)出一種新型的智能油耗檢測(cè)儀，既能同時(shí)滿足汽油車和柴油車的檢測(cè)，又能適應(yīng)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(cè)量原理
1-密封油箱 2-重量傳感器 3-信號(hào)處理
4-電路電磁閥 5-供油管 6-出油管 7-旁通管
測(cè)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(cè)量時(shí)，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(cè)量常數(shù)； g——重力加速度。
為了提高測(cè)量精度，油箱的自重不能太大，并且貯油量要合適。
在測(cè)量過(guò)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(shí)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(hào)的變化成正比。用上式除以時(shí)間，當(dāng)足夠小時(shí)，只要測(cè)得傳感器在各個(gè)時(shí)刻的輸出電壓，就能計(jì)算出平均油耗率和瞬時(shí)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(dòng)機(jī)
高位油箱
充油電磁閥
進(jìn)油管
出油管
圖2.1 油耗檢測(cè)系統(tǒng)的布置圖
該系統(tǒng)采用定時(shí)稱重方式，一次加油多次測(cè)量，其工作過(guò)程如下：發(fā)動(dòng)機(jī)不斷消耗密封油箱內(nèi)的燃油，當(dāng)消耗到密封油箱最低油位時(shí)，控制裝置發(fā)出加油指令，充油電磁閥打開，充油指示燈點(diǎn)亮，高位油箱內(nèi)的燃油通過(guò)充油電磁閥不斷像發(fā)動(dòng)機(jī)供油（保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)）同時(shí)對(duì)密封油箱加油，加油過(guò)程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)耗油速度小于加油速度，因此密封油箱內(nèi)燃油油位逐級(jí)升高。當(dāng)密封油箱內(nèi)的燃油油位達(dá)到最高油位時(shí)，控制裝置立即關(guān)閉充油電磁閥，充油指示燈熄滅，發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量部分的組成
總線
油耗測(cè)量系統(tǒng)主要由重量傳感器、單片機(jī)、顯示器、控制面板等組成，其控制關(guān)系如下圖2.2所示：
ROM ROM率
接口率
標(biāo)準(zhǔn)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(jī)率
控制面板率
圖2.2 油耗測(cè)量部分模塊連接圖
重量傳感器主要用于檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗量，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)能夠接收實(shí)現(xiàn)控制。
單片機(jī)是油耗測(cè)試系統(tǒng)的核心，用于接受來(lái)自重量傳感器的信號(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，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送給顯示器或者打印機(jī)對(duì)外輸出。
顯示器的功能便是顯示輸出處理結(jié)果數(shù)據(jù)。
控制面板的功能是用于系統(tǒng)功能的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。
打印機(jī)的功能是打印檢測(cè)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(cè)儀的主要功能要求，并確定總體設(shè)計(jì)方案包括本系統(tǒng)的檢測(cè)原理，元件在油路中的布置，油耗測(cè)量部分的組成及其各部分應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能。
第3章 智能油耗檢測(cè)儀中硬件的設(shè)計(jì)與選擇
3.1目前常用的油耗檢測(cè)方法分析
3.1.1常用油耗檢測(cè)方法分類
發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性檢測(cè)試驗(yàn)分為兩大類，一種是汽車道路試驗(yàn)，另一種是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)[20]。
1.汽車道路試驗(yàn)
根據(jù)各種使用因素控制的程度，道路試驗(yàn)大致分為以下三種：無(wú)控制道路試驗(yàn)，有控制道路試驗(yàn)和道路循環(huán)試驗(yàn)。
無(wú)控制道路試 驗(yàn)是車輛使用變量不加約束的一種試驗(yàn)，與車輛平時(shí)在道路上運(yùn)行的情況相同。如果試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，得出的油耗值與實(shí)際運(yùn)行油耗一樣。但是這種試驗(yàn)的重復(fù)性較差，不同的道路條件和操作習(xí)慣都會(huì)試驗(yàn)結(jié)果不一樣。而且如果不結(jié)合運(yùn)輸生產(chǎn)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)很難承受。
有控制道路試驗(yàn)是指對(duì)道路條件、環(huán)境條件、駕駛習(xí)慣等條件中的一個(gè)或者幾個(gè)變量實(shí)行控制的一種試驗(yàn)。比如道路可以選擇同樣的等級(jí)、同樣長(zhǎng)短；環(huán)境可以加以適當(dāng)控制；操作方法可以統(tǒng)一規(guī)范等?？刂频臈l件越多，越嚴(yán)格，油耗測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性越好。
道路循環(huán)試驗(yàn)與有控制道路試驗(yàn)沒(méi)有明顯界限，所不同的是這種試驗(yàn)對(duì)循環(huán)行駛里程，行駛中的換擋、制動(dòng)次數(shù)、加速時(shí)間及穩(wěn)定車速都有嚴(yán)格規(guī)定。這種實(shí)驗(yàn)方法在國(guó)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(yàn)路和特定的道路循環(huán)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。等速行駛油耗試?yàn)和怠速油耗試驗(yàn)是這類試驗(yàn)中兩種最簡(jiǎn)單的循環(huán)試驗(yàn)方法。等速行駛百公里油耗試驗(yàn)是一種正在采用的最廣泛的最簡(jiǎn)單的循環(huán)試驗(yàn)方法，它不能全面反映汽車燃料經(jīng)濟(jì)性，只能作為一種比較性的相對(duì)指標(biāo)。等速燃料經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)缺乏有關(guān)動(dòng)力性要求的檢驗(yàn)指標(biāo)，容易造成試驗(yàn)汽車動(dòng)力性要求與燃料經(jīng)濟(jì)性匹配不合理的現(xiàn)象，它也不能反映汽車實(shí)際行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速等工況。
2.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)
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(yàn)方法》的要求評(píng)價(jià)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，便于汽車綜合性能檢測(cè)站開展車輛技術(shù)等級(jí)評(píng)定工作，可通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)方法來(lái)模擬道路試驗(yàn)，即在試驗(yàn)臺(tái)架上模擬發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況油耗測(cè)試的方法。
檢測(cè)燃料消耗量時(shí)，可以采用測(cè)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(yīng)用更為廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)容積法和質(zhì)量法的做法，是測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)消耗一定燃料質(zhì)量時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，然后由燃料量和時(shí)間計(jì)算單位時(shí)間的燃料消耗量。汽車道路試驗(yàn)或整車在底盤測(cè)功機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)燃料消耗量時(shí)，則是測(cè)定汽車通過(guò)一定路程時(shí)消耗的燃料量和通過(guò)的時(shí)間，然后由燃料量、路程和時(shí)間，計(jì)算試驗(yàn)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(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量油耗，相比道路試驗(yàn)有很多有勢(shì)：一是試驗(yàn)條件可以人為控制，能夠最大條件地克服外界環(huán)境對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；二是經(jīng)濟(jì)方便，燃油消耗量可以用容積法、重量法等多種方法測(cè)量，并且可以同時(shí)完成如測(cè)定排放物等其它試驗(yàn)內(nèi)容；三是試驗(yàn)可以在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，因此測(cè)量的結(jié)果相對(duì)誤差小，數(shù)據(jù)的重復(fù)性好；四是相比道路試驗(yàn)不需要很高的場(chǎng)地要求。但是臺(tái)架試驗(yàn)也存在著一些問(wèn)題，如臺(tái)架試驗(yàn)的條件和道路試驗(yàn)的條件相差很大，無(wú)法與汽車實(shí)際運(yùn)行情況一致。因此，臺(tái)架試驗(yàn)所測(cè)得的燃油消耗量，并不能完全反映汽車實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)的油耗量。
在臺(tái)架試驗(yàn)中用底盤測(cè)功機(jī)循環(huán)試驗(yàn)測(cè)量汽車整車燃油消耗量也越來(lái)越受到重視。汽車在道路上行駛時(shí)受到的道路阻力、滾動(dòng)阻力、慣性阻力、負(fù)載特性等，可以利用底盤測(cè)功機(jī)來(lái)進(jìn)行模擬。
在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行油耗試驗(yàn)時(shí)，可以采用負(fù)荷法和滑行法。負(fù)荷法一般適用于汽油車的負(fù)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(cè)功機(jī)上和試驗(yàn)場(chǎng)跑道上的節(jié)氣門開度一樣，則說(shuō)明兩者阻力相同，可利用其中一個(gè)原理確定測(cè)功機(jī)的設(shè)定負(fù)荷，從而達(dá)到模擬道路阻力的目的。柴油車不能用負(fù)荷法，需采用滑行法來(lái)設(shè)定負(fù)荷。當(dāng)汽車從某一車速脫檔滑行時(shí)，由于行駛阻力特性不同，速度變化的時(shí)間也就不一樣，利用這一原理，便可使底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)和道路試驗(yàn)負(fù)荷相同，從而控制測(cè)功機(jī)的制動(dòng)力矩。利用底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行油耗測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)確定等速百公里油耗測(cè)試模擬加載量、汽車多工況燃油消耗測(cè)試加載量來(lái)進(jìn)行工況模擬循環(huán)試驗(yàn)。
底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量油耗的優(yōu)點(diǎn)：
(1)在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)不受外界氣候條件限制和場(chǎng)地道路的限制，且油耗測(cè)量值重復(fù)性好；
(2)由于能夠控制實(shí)驗(yàn)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(jìn)行復(fù)雜工況循環(huán)試驗(yàn)；
(4)能夠采用多種油耗測(cè)量方法；
(5)可以同時(shí)進(jìn)行廢氣排放物的試驗(yàn)。
同時(shí)底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量油耗也存在著缺點(diǎn)：
(1)不易準(zhǔn)確模擬道路行駛中的滾動(dòng)阻力和空氣阻力；
(2)測(cè)功機(jī)的可變慣量間隔較大，會(huì)產(chǎn)生不正確的車輛慣性力，影響車輛負(fù)荷模擬的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，不太符合燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)的要求；
(3)室內(nèi)冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的冷卻氣流與道路上行駛時(shí)的實(shí)際情況不一致。
3.1.2常用油耗測(cè)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(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行油耗檢測(cè)，測(cè)定一定體積燃油的消耗時(shí)間。容積式油耗傳感器通過(guò)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(lái)計(jì)算油耗量。容積式油耗傳感器的流量檢測(cè)裝置由流量變換機(jī)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成。
。
圖3.1 行星活塞式油耗傳感器的流量轉(zhuǎn)換機(jī)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(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。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(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)裝在曲軸的另一端，由主動(dòng)磁鐵、從動(dòng)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(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于一對(duì)永久磁鐵的吸引作用，轉(zhuǎn)軸及其上的轉(zhuǎn)動(dòng)光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)光二極管和光敏管，把曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變成電脈沖信號(hào)送入計(jì)量顯示儀，經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)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(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行油耗檢測(cè)，是測(cè)定消耗一定質(zhì)量燃油所需的時(shí)間。質(zhì)量式油耗傳感器由稱量裝置、計(jì)數(shù)裝置和控制裝置組成，如圖3.2所示,在測(cè)量消耗一定質(zhì)量的燃油所需的時(shí)間后，可按下式計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量[1]。
（3.2）
式中：w——燃油質(zhì)量，g；
t——測(cè)量時(shí)間，s；
G——燃油消耗量，kg/h。
稱量裝置通常利用臺(tái)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(guò)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(dòng)兩個(gè)微型限位器開關(guān)來(lái)控制。光電傳感器給出油耗終點(diǎn)和始點(diǎn)，它有兩個(gè)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(dòng)滑塊上，滑塊通過(guò)齒輪齒條移動(dòng)，齒輪軸與鼓輪相連，計(jì)量的燃油量通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪從刻度盤上讀出。計(jì)量開始時(shí)，光源的光束射在光電二極管5上，光電二極管發(fā)出信號(hào)，使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，隨著油杯中燃油的消耗，指針移動(dòng)。當(dāng)光束射到光電二極管8上時(shí)，光電二極管發(fā)出信號(hào)，計(jì)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(jì)數(shù)器 11控制器
質(zhì)量式油耗儀有一個(gè)系統(tǒng)誤差，即測(cè)量時(shí)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(shí)的系統(tǒng)誤差。此項(xiàng)系統(tǒng)誤差必須根據(jù)汽車油耗量及油杯高度變化進(jìn)行修正。此外以L/100km作為油耗計(jì)量單位時(shí)，在換算必須考慮燃油密度與溫度之間的關(guān)系。
在測(cè)量消耗一定質(zhì)量的燃油所需時(shí)間后，即可利用以下公式計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量：
（3.3）
上式中：G——燃油質(zhì)量，g；
t——測(cè)量時(shí)間， s；
Q——燃油消耗量，kg / h。
3.2 重量傳感器的選擇
3.2.1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(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)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位移轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動(dòng)光柵。加在承重臺(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)移動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使莫爾條紋也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計(jì)算出移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量，測(cè)出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小，從而確定和讀出被測(cè)物質(zhì)量。 碼盤式傳感器的碼盤(符號(hào)板)是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，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(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。光電池將透過(guò)碼盤接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由電路進(jìn)行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測(cè)質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上。
（2）液壓式傳感器：在受被測(cè)物重力P作用時(shí)，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測(cè)出壓力的增大值,即可確定被測(cè)物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大,但準(zhǔn)確度一般不超過(guò)1/100。
（3）電磁力式傳感器：它利用承重臺(tái)上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺(tái)上放有被測(cè)物時(shí)，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測(cè)出傾斜度信號(hào)，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對(duì)產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測(cè)物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達(dá)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(dòng),另一塊可移動(dòng)。在承重臺(tái)加載被測(cè)物時(shí)，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也隨之變化。測(cè)出頻率的變化即可求出承重臺(tái)上被測(cè)物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價(jià)低，準(zhǔn)確度為1/200～1/500。
（5）磁極變形式傳感器：鐵磁元件在被測(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(dǎo)磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進(jìn)而確定被測(cè)物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)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(wàn)千克。
（6）振動(dòng)式傳感器：彈性元件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出被測(cè)物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)式傳感器有振弦式和音叉式兩種。振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，V形弦絲的交點(diǎn)被拉向下，且左弦的拉力增大,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(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高,可達(dá)1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大，造價(jià)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(dòng)。外框架經(jīng)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)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(shí)保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時(shí)，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動(dòng)(進(jìn)動(dòng))。進(jìn)動(dòng)角速度ω與外力P/2成正比,通過(guò)檢測(cè)頻率的方法測(cè)出ω，即可求出外力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。 陀螺儀式傳感器響應(yīng)時(shí)間快(5秒),無(wú)滯后現(xiàn)象，溫度特性好(3ppm)， 振動(dòng)影響小， 頻率測(cè)量準(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計(jì)量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。
（8）電阻應(yīng)變式傳感器：利用電阻應(yīng)變片變形時(shí)其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時(shí)，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測(cè)量電路測(cè)出應(yīng)變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號(hào)輸出。電信號(hào)經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測(cè)物的質(zhì)量。 電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。
3.2.2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(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)，一般都離不開傳感器，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)往往是一種非電物理量，而單片機(jī)只能識(shí)別和處理電信號(hào)。因此利用傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能完成測(cè)量和控制任務(wù)，而重量傳感器的主要功能就是將燃油的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸送至單片機(jī)，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)。
2.選擇原則
傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)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(shí)，最重要的是滿足其主要功能要求，一般來(lái)說(shuō)傳感器的性能指標(biāo)主要包括：
（1）靈敏度系數(shù)，是指在穩(wěn)定狀態(tài)下工作時(shí)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(cè)量范圍就越窄。
（2）最小測(cè)量量，它是表征傳感器能檢測(cè)被測(cè)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(zhǔn)曲線（標(biāo)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(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入量連續(xù)減少時(shí)對(duì)應(yīng)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(shí)間內(nèi)其輸出保持不變的能力。
3.2.3重量傳感器的選擇
在本檢測(cè)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(cè)儀器的精度，所以，根據(jù)傳感器選擇原則，本檢測(cè)系統(tǒng)選擇由佛山市順德區(qū)泰昱傳感器有限公司生產(chǎn)的TYC601 平行梁式稱重傳感器，采用合金鋼材質(zhì)，無(wú)色陽(yáng)極化處理,封膠。
主要技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：
表3.1 TYC601 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)
靈敏度: 2±0.01mv/v
激勵(lì)電壓: 9~12VDC
非線性: 0.017(%F.S)
溫度補(bǔ)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(diǎn)溫度影響: 0.03F.S/10℃
蠕變：0.02(%F.S/30min)?
靈敏度溫度影響:0.014(%F.S/10℃)
零點(diǎn)輸出: ±1%F.S
安全過(guò)載范圍: 150%
輸入阻抗: 380±5Ω
極限過(guò)載范圍: 200%
輸出阻抗: 360±3Ω
防護(hù)等級(jí): IP65
電纜線：四芯屏蔽電纜Φ4 0.42m
接線方法：紅色(電源) + , 黑色(電源) - ,綠色(信號(hào)) + ,白色(信號(hào)) –?外形尺寸如圖3.3所示：
圖3.3 重量傳感器外形尺寸
3.2.4重量檢測(cè)數(shù)學(xué)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(hào)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(hào)； mc——密封油箱的質(zhì)量； mf——燃油的質(zhì)量；
m——總質(zhì)量； k——測(cè)量常數(shù)； g——重力加速度。
把測(cè)量常數(shù)k預(yù)先存儲(chǔ)到單片機(jī)中，單片機(jī)可以根據(jù)重量傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)U和測(cè)量常數(shù)k求的此時(shí)的燃油質(zhì)量mf
（3.5）
因此重量檢測(cè)數(shù)學(xué)模型可以用上式表示。
3.3單片機(jī)的選擇
3.3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)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(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。
系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則：
? 1.盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。
? 2.系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。
? 3.硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用CPU時(shí)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(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。
? 5.可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)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(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過(guò)增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來(lái)降低總線負(fù)載。
?3.3.2單片機(jī)選擇原則
單片機(jī)的選擇是一件重要而費(fèi)心的事情,如果單片機(jī)型號(hào)選擇得合適,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就會(huì)得經(jīng)濟(jì),工作可靠;如果選擇得不合適,就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),影響單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行,甚至根本就達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的功能。
對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō),它的技術(shù)要求和系統(tǒng)功能都應(yīng)當(dāng)十分明確.如果選擇功能過(guò)于少的單片機(jī),這個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就無(wú)法完成控制任務(wù);但是如果選擇的單片機(jī)功能過(guò)于強(qiáng)大,這不但沒(méi)有必要,還會(huì)造成資源浪費(fèi),降低性價(jià)比。
只要掌握和運(yùn)用單片機(jī)正確選擇的原則,就可以選擇出最能適用于應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī),保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有最高的可靠性,最優(yōu)的性能價(jià)格比,最長(zhǎng)的使用壽命和最好的升級(jí)換代可能。
對(duì)單片機(jī)選擇,主要應(yīng)用從單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性,實(shí)用性和開發(fā)性三方面來(lái)考慮：
1.技術(shù)性:要從單片機(jī)的技術(shù)指標(biāo)角度,對(duì)單片機(jī)芯片進(jìn)行選擇,以保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在一定的技術(shù)指標(biāo)下可靠運(yùn)行；
2.實(shí)用性:要從單片機(jī)的供貨渠道、信譽(yù)程度等角度，對(duì)單片機(jī)的生產(chǎn)廠家進(jìn)行選擇以保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行；
3.可開發(fā)性：選用的單片機(jī)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。
3.3.3 單片機(jī)型號(hào)的匹配
1．AT89S52主要性能
(1)與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容
(2)8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器
(3)1000次擦寫周期
(4)全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz
(5)三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器
(6)32個(gè)可編程I/O口線
(7)三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
(8)八個(gè)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(shí)器
(13)雙數(shù)據(jù)指針
(14)掉電標(biāo)識(shí)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(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。
AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷