基于容積法的汽車油耗檢測(cè)儀器計(jì)【4張CAD圖紙+PDF圖】
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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2.73.1億噸。而國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量?jī)H能達(dá)到1.652億噸,供需缺口為1.051.1億噸。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0.3120L/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0.051200L/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210ms。中小功率汽油機(jī)燃油流量小,一般在103000mL/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0150kg/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1015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200220g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為8.3L9.2L),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1200S,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?;谌莘e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EPROMRS232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??刂泼姘逵糜谙到y(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氣缸 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。68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??紤]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)萘浚脮r(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/VDC,+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/kg1.9使用溫度/040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: HSI/O系列,這類芯片具有高速輸入、輸出口; EPA系列,這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列; 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8K8位的靜態(tài)RAM。 其邏輯圖如下: 6264A012 VCCI/O07WROECS2 GNDCS1 其中A012為13根地址線,I/O07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)CS1CS2OEWR數(shù)據(jù)線讀LHLH輸出寫LHL輸入非選H高阻態(tài)非選L高阻態(tài)輸出禁止LHHH高阻態(tài)6264是一種采用CMOS工藝制成的8K8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20ns200ns。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?;谝陨显?,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。6264111213141516171810987654324232022225261272119A0 D0A1 D1A2 D2A3 D3A4 D4A5 D5A6 D6A7 D7A8 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216383,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。基于以上的特點(diǎn)和性價(jià)比,初選芯片8255A。圖3.3為8255A的引腳圖19。 8255A40393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920PA3 PA4PA2 PA5 PA1 PA6PA0 PA7RD WRCS RESETGND D0A1 D1A0 D2PC7 D3PC6 D4PC5 D5PC4 D6PC0 D7PC1 VccPC2 PB7PC3 PB6PB0 PB5PB1 PB4PB2 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64k8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170ns450ns,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?,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(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: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;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);可直接與微處理器相連,時(shí)鐘信號(hào)由SED1520內(nèi)部產(chǎn)生;驅(qū)動(dòng)占空比為1/16或1/32;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??梢耘cSED1520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??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
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