基于PIC的汽车油耗智能检测系统设计-副本

辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEI页辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEIII页辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEII页摘要汽车的发明一方面给人们的生活和生产带来了极大的方便，另一方面也给社会带来了环境污染和能源紧缺等严重问题。人类环境保护意识的逐渐加强，人们更加关心车辆油耗，要求限制车辆用油量的呼声越来越强烈。因此，研究汽车的燃油消耗和降低排放污染就成为该研究领域的重点内容之一。对汽车燃油经济性的评价，一般是通过汽车燃油消耗量来确定的，也是诊断和分析汽车故障的重要参考。检测汽车燃油消耗量常通过燃油消耗检测仪测定燃油消耗量的容积或质量来表示。普通式汽车油耗检测装置在测试范围、测试精度、显示、使用维护和可靠性等方面都不是很理想，需要进一步改进。本文在分析和总结目前国内外车辆油耗检测仪器普遍存在的问题的基础上，根据油耗仪现有的技术水平和发展趋势，采用先进的传感技术、单片机技术和显示技术，研制智能型汽车油耗检测仪器。车辆智能油耗仪在单片机的控制下，通过计算流量传感器送来的燃油流量脉冲信号，在控制软件的支撑下，能测量汽车的加速油耗、减速油耗、百公里油耗、累计油耗、平均油耗和瞬时油耗。该系统的开发将会为汽车油耗精确检测技术的发展提供新方向，为我国汽车油耗检测技术发展创造新的平台，为节能型汽车的研发提供更精确可靠的油耗数据。关键词：单片机；传感器；油耗；智能检测AbstractAsatransportvehiclewithonehandtotransportpeople’slifeandproductionbroughtgreatconvenience,theother,italsobringsenvironmentalpollutionandenergyshortages.Togetherwiththeconsciousofenvironmentprotectionincreasegradually.Peaplepaymoreattentiontothegasconsuming.Therefore,thestudyofmotorvehiclestoreducefuelconsumptionandemissionspollutionistheareaofoneofthekeyelement.Vehiclefuleconsumptionisusuallydeterminedbytheautomobilefueleconomyrating,itisalsoanimportantreferencetothecarfaultdiagnosis.Regulartestingvehiclefuelconsumptionwasmeasuredbydetectingthefuelconsumptionvolumeorqualityoffuelconsumptionexpressedin.Ordinarycarfuelconsumptiondetectingdeviceinthetestrange,testingaccuracy,thattheuseofmaintenanceandreliability,notverygood,needsfurtherimprovement.Thisarticlebasedondiagnosingandsummingthepopularquestions.Thedomesticandexoticautomobilegas-consumingequipmentsexistwereconsidered.Thisartclereferredtogas-consuminginstrumentstechnologylevelanddelelopmenttrend,andadvancedsensortechnologywereadopted.Besidessinglechipcomputertechnologyandmanifestingtechnologywereincluded.Themaincontentincludesgas-consumingdetectingsystem’shardwaredesignandselection,andthemeansofinstrumentsstructurewereadopted.Automobilegas-consumingdetectingsystemmathematicsmodelweresetupalso.Theverifyingexperimentswerecarriedup.Diagnosethepracticingperformanceofthetheorythatgas-consumingdetectingsytemwasadoptedandthetheorymodelsonthebaseofpracticeconditionsweremodified.Thesystemwasdevelopedfortheautomotivefuelconsumptionwillbethedevelopmentofaccuratedetectiontechnologytoprovideanewdirection.DetectionofChina’soilconsumptiontocreateanewplatformforthedevelopment.Fortheenergy-savingveheclestoprovidemoreaccurateandreliablefuelconsumptiondata.Keywords:singlechip;transducer;gas-consuing;intellect-detection辽宁科技大学本科毕业生设计第PAGEIII页辽宁科技大学本科生毕业设计第辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEV页辽宁科技大学本科生毕业设计第辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEII页目录1绪论 11．1国内外汽车油耗智能检测技术的研究背景 11．1．1国内背景 11．1．2国外背景 11．1．3研究水平与发展趋势 21．2汽车油耗智能检测技术研究的意义 21．3本文的主要研究内容 32总体方案设计 42．1系统的功能要求 42．2总体技术方案确定 43硬件电路设计 63．1单片机的选择 63．1．1单片机的匹配原则 63．1．2单片机的型号匹配 73．1．3AT89S52晶振连接电路与复位电路 103．2传感器的选择 113．2．1流量传感器的主要功能和类型 113．2．2油耗检测对流量传感器的要求及选型 123．2．3模拟传感脉冲输出信号部分 133．2．4流量检测数学模型的建立 16辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEIV页辽宁科技大学本科生毕业设计第PAGEV页辽宁科技大学本科生毕业设计第58页3．3数据显示部分设计 173.3.1数码管（LED）显示器和液晶（LCD）显示器对比 173.3.2数码管（LED）显示器显示数据的电路原理 173．4控制面板的设计 193．5通讯接口的选择 203．6电源部分 203．7本章小结 214软件的设计与调试 224．1初始化程序 224．2测量油耗逻辑程序设计 244．3数码管显示程序和按键扫描程序设计 254．4软件系统主程序 264．5本章小结 27结论 29致谢 30参考文献 31附录 32原理图 32程序 33辽宁科技大学本科生毕业设计第59页1绪论1．1国内外汽车油耗智能检测技术的研究背景1．1．1国内背景研究与开发新型智能油耗仪是实现油耗仪产品升级换代的要求，是科学技术日益发展的需要。我国主要采用普通式汽车油耗计检测油耗，随着时代的变迁，科技的日新月异，这类油耗计精度低、功耗大、适用范围较窄、可靠性不大、抗干扰性不强等一系列弊端逐渐突显出来，而且急需改善。在国内，由于技术上的落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚，因此我国交通部规定采用的测量方法为容积法和重量法。自动容积式油耗仪主要用于汽油车消耗量的测量。质量法是直接测量一定时间间隔发动机消耗的燃油质量。最简单的油耗测量方法是机械天平质量法，它用机械式天平测量所消耗的燃油质量，手动秒表计时，成本低廉。但需专人操作，无法消除误差，测试精度较低，已逐渐被自动油耗仪所取代。随着计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，虚拟实验技术也开始用来进行车辆经济性方面的研究。车辆动力性和经济性的虚拟实验系统的类型可分为纯软件型和硬件在环型，他们在体系结构、软硬件构成及开发环境、开发方法方面都有各自特点。纯软件型系统仅利用软件完成整个系统仿真，它把实验环境、实验对象全部抽象为数学模型。其重点在于抽象的数学模型和软件技术，可以利用Matlab或一些专用软件开发。目前国内汽车油耗检测主要采用普通式汽车油耗检测装置，其测试范围、测试精度、显示、使用维护和可靠性等方面都不是很理想。一些院校和科研单位研制的电子油耗检测装置，能测试平均油耗、瞬时油耗和累计油耗和图形显示等。在实际使用过程中，一些宣传上的功能和性能与实际还有差距，甚至差距较大。其测试精度尚需进一步提高，装置的成本还需进一步降低[1]。1．1．2国外背景燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，是汽油机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是内燃机性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽油机实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，内燃机台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。美国、日本等发达国家在70年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗检测系统进行了大量的研究，并取得了一些成果及试验数据，结果表明，该方法测汽车油耗是完全可行的，并且可以在检测汽车尾气排放的同时进行，但该检测系统设备庞大、复杂，而且无法实现快速检测。采用这种检测系统进行油耗量检测仅仅局限于实验室中，难以在实际中广泛应用。国外汽车工业发达国家，比较重视环保与节能。其车辆油耗检测技术较先进，投入的人力和财力也较多，并大量采用了传感技术和微电脑技术，正在大力开发研制智能型油耗检测装置，其功能、测试项目、精度、显示方式都在不断发展与完善之中，成本逐渐趋向合理。由于单片机的大规模应用，微电子技术的迅猛发展，加上传感器的微型化、多功能化、集成化和智能化方向发展，控制器功能的不断完善，因而目前国内外各国都在研究与开发微电脑油耗仪，并进一步向智能化方向发展。1．1．3研究水平与发展趋势研究开发汽车油耗智能型快速检测仪器，采用流量传感器和单片机实现油耗智能检测，并通过显示器和打印机对外输出。该仪器可用于汽车发动机在不同工况时的油耗数据的测量，以及车辆行驶的等速油耗、加速油耗、变工况油耗及百公里油耗测试，尤其是瞬时油耗测试的开发。将先进的智能传感器技术和智能仪表技术应用于液体流量检测与显示，集机、电、液于一体，提高检测与显示精度和检测的自动化程度，满足生产实际的需要。由于单片机的大规模应用，微电子技术的迅猛发展，加上传感器的微型化、多功能化、集成化和智能化方向发展，控制器功能的不断完善，因而目前国内外各国都在研究与开发微电脑油耗仪，并进一步向智能化方向发展[2]。1．2汽车油耗智能检测技术研究的意义汽车的油耗检测是衡量汽车燃料经济性及汽车发动机性能的重要手段，而油耗仪是进行油耗检测的专用仪器，它通过测量发动机消耗一定燃料所需时间或者车辆行驶一定里程所需的燃油量来计算燃油消耗率。对于耗油量的参数检测，不仅要保证有足够的精度，而且还要对汽车的正常运转不造成任何的影响。因此，研究与开发新型智能油耗仪也是实现油耗仪产品升级换代的要求，也是科学技术日益发展的需要。智能型油耗检测装置精确检测汽车油耗，可为研制低油耗车提供依据。所以该系统的开发将会为汽车油耗精确检测技术的发展提供新方向，为我国汽车油耗检测技术发展创造新的平台，为节能型汽车的研发提供更精确可靠的油耗数据。1．3本文的主要研究内容（1）总体方案的确定。根据汽车油耗检测系统的功能要求确定总体技术案。（2）硬件部分的设计选择和匹配。对单片机、流量传感器、显示器、键盘、通讯接口等元件。根据系统要求，以及目前上述各种元件的技术状况、性能特点、性价比等，结合调研情况以及相关参考资料进行对比分析，确定采用的元件的具体型号，并给出相应的接口电路，相互之间进行合理匹配。同时给出以单片机为核心的控制系电路原理图，从而为各元件之间建立必要M的联系。（3）软件系统的设计与调试。软件部分配合硬件控制系统电路，共同完成对油耗的智能化测试，而软件功能是通过分程序模块来实现的，主要包括初始化模块、键盘管理模块、二进制和十进制转换程序模块、显示模块和耗油量测试模块等。同时进行程序的调试工作，以对编写的程序进行运行检查，验证运行逻辑、运行流程等。（4）进行油耗检测系统的可行性验证。通过试验分析油耗检测系统所采用的理论的可行性，根据具体情况对理论模型进行修正，以提高其检测精度。2总体方案设计2．1系统的功能要求（1）完成车辆油耗智能检测。采用传感器检测燃油流量信号，通过单片在相应软的支持下进行处理，再通过显示器或打印机对外输出。同时，要采用监视器对整个系统进行监控，采用通讯接口与计算机实时通讯。（2）应能在道路或台架上测量汽油车和柴油车的百公里油耗、累计油耗、加速油耗、减速油耗、平均油耗和瞬时油耗。（3）系统采用的理论应具有可行性。因此，必须通过试验加以验证。（4）该项技术产品化之后，同比之下成本要低、精度要高。2．2总体技术方案确定根据车辆油耗智能检测系统要实现智能化检测功能的要求，针对智能油耗仪的具体应用情况，选择系统组成元件，构成油耗检测系统的硬件部分，进行各组成元件之间的合理匹配，设计系统控制电路，完成硬件部分的设计。根据汽车发动机供油系统工作原理和汽车运行条件，确定油耗检测方法，建立油耗系统检测数学模型，配合硬件部分控制电路编写控制软件，共同完成对油耗的智能化测试。针对油耗检测系统工作过程中会遇到的干扰，分析其原因。采取相应办法，提高油耗检测系统的抗干扰能力。通过试验分析油耗检测系统所采用的理论的可行性，根据具体情况对理论模型进行修正，以提高其检测精度。进行试验误差分析。为了更合理的选用测试装置和测试方法，正确地分析误差产生的原因，减小或消除误差，并恰当地处理试验数据，以便得到理想的试验结果[3]。车辆智能油耗检测系统主要由流量传感器、单片机、显示器、打印机和控制面板等组成，其控制关系如图2.1所示。流量传感器用于检测汽车发动机的耗油量，将信号送给单片机进行处理。单片机是汽车油耗检测控制系统的核心，用于接收流量传感器的信号，并调用内存储器中的数据和相关程序，进行分析处理，并将处理结果送给打印机或显示器对外输出。显示器用于适时显示汽车油耗的检测数据。打印机用于打印汽车油耗的检测结果。控制面板用于系统功能设定，实现人机交互。图2.1智能油耗仪的控制关系示意图3硬件电路设计3．1单片机的选择3．1．1单片机的匹配原则面对市场上琳琅满目的单片机产品，如何选择一种适合设计需要的单片机显得十分重要。对于明确的对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务：选择功能过多的单片机，则会造成资源浪费，使性能价格比下降。因此，实际应用中可根据以下原则来选择单片机：1.了解单片机对控制系统的适用性。单片机对控制系统的适用性是指能否用一个单片机对系统进行控制，或需要增加几个附加的集成电路才能实现对系统的控制。对此，应注意以下几方面；①单片机是否含有所需的I/O端口数目。②单片机是否含有所需的外围端口部件。③单片机的CPU是否含有合适的吞吐量。④单片机的极限性能是否满足要求。2.了解单片机的可购买性。①单片机是否可直接购买到。②单片机是否有足够的供应量。③单片机是否仍在生产之中。④单片机是否在改进之中。3．了解单片机的可开发性。对于被选择的单片机，应考虑下列开发工具：①编译软件。②程序写入工具。③调试工具。④技术支持。⑤语言体系与熟悉程度。根据上述原则对单片机进行选择，即可选择出最适用于控制系统的单片机，从而保证控制系统高可靠性、最优的价格性能比、最长的使用寿命和最好的升级换代性[4]。3．1．2单片机的型号匹配本次设计选用AT89S52型号单片机，下面是其引脚如图3.1结构及功能介绍：（1）主要性能·与MCS-51单片机产品兼容·8K字节在系统可编程Flash存储器·1000次擦写周期·全静态操作：0Hz～33Hz·三级加密程序存储器·32个可编程I/O口线·三个16位定时器/计数器·八个中断源·全双工UART串行通道·低功耗空闲和掉电模式·掉电后中断可唤醒·看门狗定时器·双数据指针·掉电标识符（2）功能特性AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（3）AT89S52的引脚功能介绍图3.1AT89S52引脚分布图AT89S52引脚的功能介绍：VCC:电源。GND:地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PROG)：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PROG)）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PSEN):外部程序存储器选通信号（EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PSEN)）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PSEN)在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(—————),PSEN)将不被激活。EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)必须接GND。为了执行内部程序指令，EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)应该接VCC。在flash编程期间，EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端[5]。3．1．3AT89S52晶振连接电路与复位电路AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，X、、TAL2可以不接，而从XTAL1接入。电路如图3.2所示。图3.2晶振电路连接图与复位电路3．2传感器的选择3．2．1流量传感器的主要功能和类型流量传感器接在汽车发动机进、回油管道上，采集燃油流量信号，以脉冲方式送给单片机。流量传感器应适合测量燃油，反应速度要快，动作时间要短；既能实现静态测量，又能实现动态测量，测量精度不受汽车运动状态影响。与单片机等电子元件相匹配，使系统达到理想的测量精度，又有一定的抗干扰能力。流量传感器按测量方法可以分为容积式、质量式、流量式、流速式传感器。大多数传感器都能连续、累计测量，但测试的流量范围和流量误差各不相同。现在主要应用是质量式流量传感器和容积式流量传感器。在本次设计中我们选择容积式流量传感器。容积式流量传感器的结构如图3.3所示，主要由活塞、曲轴、连杆和信号转换机构组成。燃油在泵油压力作用下推动活塞运动，再由活塞运动推动曲轴旋转，曲轴旋转一周即四个活塞各往复运动一次，完成一个迸、排油循环。活塞在油缸中处于进油行程还是排油行程，取决于活塞相对于进、排油口的位置。在燃油泵泵油压力的作用下，即可完成定容量、连续泵油的作用。信号转换机构装在曲轴的另一端，由主动磁铁、从动磁铁、转轴、光栅板、发光二极管、光敏管、电缆插座及壳体等组成。主动磁铁装在曲轴上，从动磁铁装在转轴上，转轴通过轴承支承在壳体内，转轴的上端固定有转动光橱板，在固定光栅上、下方有发光二极管和光敏管。当曲轴转动时，由于一对永久磁铁的吸引作用，转轴及其上的转动光栅也随之转动，通过发光二极管和光敏管的光电作用，把曲轴的转动变成光电脉冲信号送入计量显示仪，经过内部运算处理后，即可显示出流经的燃油量[6]。3．2．2油耗检测对流量传感器的要求及选型为提高研发仪器的精度，所采用的流量传感器应该适合燃油（汽油和柴油）的介质要求，精度要高，抗干扰能力要强，动态响应要好，便于与汽车发动机燃油系统连接。1、3、6、8-活塞；2-连杆；4-油道；5-排油口；7-曲轴；9-光敏二极管；10-固定光栅；11-磁性联轴节；12-信号端子；13-转动光栅；14-转速/脉冲交换部件；15流量/转速交换部件；16-活塞图3.3容积式流量传感器为了便于使用流量传感器实现单片机自动控制，需要选用输出信号为数字信号的传感器；在流量测试中，存在回油压力波冲击流量传感器，造成数据采集误差问题，因此选取的传感器应输出两路脉冲信号，以便根据正反转判断程序将这一误差消除。由于汽车油耗测量的高精度要求，流量传感器的分辨率应不低于0.1ml。各种流量传感器有各自的优缺点，经过调查与分析，针对汽车油耗测量对传感器的要求，并综合性价比等情况，认为容积式流量传感器在测量精度、性价比、抗干扰能力等方面要比质量式流量传感器优越，同时容积式流量传感器在与发动机油路连接上更加方便[7]。为了达到更好的效果，因此这里选用YH-2型流量传感器，其插座接线如图3.4所示。1-电源（+5V）；2-加计数脉冲输出；3-搭铁；4-减计数脉冲输出图3．4HY-2型流量传感器端插座接线图3．2．3模拟传感脉冲输出信号部分本设计采用了常用的NE555脉冲产生芯片进行设计，‘是一种应用特别广泛、作用强大的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555定时器是一种集模拟、数字于一体的集成电路，应用十分广泛。它不仅可以用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中，例如常见的有555触摸定时开关、相片曝光定时器、单电源变双电源电路、电热毯温控器、信号发生器、定时器、压频转换电路等。定时器有双极型和CMOS两种类型的产品，它们的结构及工作原理基本相同，没有本质的区别。一般来说，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5~16V，最大负载电流可达200mA。而CMOS定时器的电源电源电压范围为3~18V，最大负载电流在4mA以下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点，NE555定时器属于双极型产品。NE555定时器的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555时基电路有两种封装形式有，一是DIP双列直插8脚封装如图3-5所示，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。NE555引脚图介绍如下：

1地GND2触发

3输出4复位

5控制电压6门限(阈值）

7放电8电源电压Vcc图3.5NE555管脚图其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555的内部电路由分压器、电压比较C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组等多组单元电路，特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为比较器C1、C2提供基准电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01uF左右的滤波电容），比较器C1和C2的基准电压分别为2/3V和1/3V，所以称之为555。NE555属于COMS工艺制造，其内部结构图如3.6所示。3.6NE555内部结构框图NE555芯片的应用十分广泛，NE555可装如下几种电路：1.单稳类作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。2.双稳类作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。3.无稳类作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。我们知道，555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变得更加复杂。在本设计中，我们就是利用NE555芯片来设计一个脉冲启动型单稳态电路，以产生我们所需要的脉冲输入的。本设计采用的NE555芯片设计的电路如图3.7所示，该电路可以当作一个脉冲频率发生器，我们就是利用这个电路的脉冲频率产生功能来替代汽车行驶过程中产生油耗的传感器信号，并且可以通过对可调电阻阻值大小的调节，来调节脉冲产生的频率进行对油耗量的模拟。图3.7传感器与单片机的连接电路图（用555芯片的输出替代流量传感器的输出）3．2．4流量检测数学模型的建立根据检测系统确定的容积式YH-2型流量传感器。在测量范围内，传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即体积仪表系数K，其计算公式为：K=3600*f/Q或K=N/V式中：f-流量信号频率，HzQ-体积流量，L/hN-脉冲数V-体积总量，L把仪表系数置预先置入单片机存储器中，单片机即可根据获得的流量脉冲频率厂与仪表系数置之比求得管道燃油流量Q[8]。为此，燃油流量检测数学模型可采用以下数学式：K=3600*f/Q3．3数据显示部分设计3.3.1数码管（LED）显示器和液晶（LCD）显示器对比设计要求显示油耗量的多少，目前在数字显示部分中常用数码管（LED）显示器和液晶（LCD）显示器。LED数码管灯身及灯罩均采用进口PC材料或PMMA材料，采用电脑编程控制数字电路，以高亮度LED作为电源，有红、绿、黄、蓝等基色，通过微电脑控制器多条灯管组合制造。7段LED数码管显示时是分别点亮相应的点划来实现其显示功能。而根据LED的接法不同可分为共阴和共阳两类，他们的发光原来是一样的，只是电源的极性不同。编程时了解不同类型的解法很重要，根据硬件电路的解法不同，编程方法也不一样。将多个共阴极的LED连在一起即为共阴式，多个共阳的LED连在一起即为共阳式的。LED数码管较LCD液晶显示器亮度高，可以在距离屏幕较远的地方仍能清晰看到，而且视角比较大，因此，本设计使用LED数码显示器来完成显示部分数据的显示[9]。3.3.2数码管（LED）显示器显示数据的电路原理常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管如图3-8所示，根据管脚资料，可以判断使用的是何总接口类型。LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～3mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。图3.8LED数码管发光原理其封装引脚图如3-9图所示，要显示7段LED数码管时需要一片或多片芯片进行驱动或作锁存控制，要全部显示本设计的设计时需要多片芯片进行级联才可以完成。图3.9LED封装引脚下面是该系统显示部分的电路原理图：图3.10显示部分原理图3．4控制面板的设计控制面板在单片机控制系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人机交互的主要手段。常用的控制面板接口分为独立式按键接口和矩阵式控制面板接口。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线的状态。独立式按键电路的优点是配置灵活、软件简单。缺点是每个按键都需要占用一根输入端口线，所以在按键数量较多时，需要较多的输入端13线且电路结构复杂，故此种控制面板适用于按键较少或操作速度较高的场合。矩阵式控制面板接13适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。显然，在按键较多的场合，矩阵式控制面板与独立式控制面板相比，要节省很多的I/O线。针对设计的智能油耗仪，需要8个按键，包括“↑”、“↓”、“←”、“→”、“START”、“END”、“PRINT”、“SEND”。选择测试项目用“↑”、“↓”、“←”、“→”光标键；准备好后，按“START”键开始测试，等达到测试值后，测试结束，仪器显示测试的结果；按“END”键，结束测试，也可以进行下一次测试；按“PRINT”键，打印测试结果；按“SEND”键，将测试结果由RS-232发送出去[10]。3．5通讯接口的选择RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS-232C接口。AT89S52单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。RS-232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15米，传输速率最大为20kB/sAT89S52串行口的输入输出均为TTL电平，这种以TTL电平传输数据的方式，抗干扰性差、传输距离短。为了提高串行通讯的可靠性，增大传输距离，工程设计人员一般采用标准串行接RS-232。图3.11通讯接口电路3．6电源部分电源是为系统的工作提供能量的，在电子线路和自动控制装置中，需要电压非常稳定的直流电源，目前广泛采用各种半导体直流电源。半导体直流电源是使用半导体（晶体二极管）和一些电子元件，互联布线制作的一种直流电源。目前市场上有许多可输出3～12V电压的可调整流电源供选用。在测试系统中，流量传感器和单片机供电都需要+5V，单独设计制作每个电源，不仅成本高，而且用起来比较繁琐、不方便。随着稳压电源向集成化方向的发展，即多个电源集中制作在一块绝缘基片上，结构上比较紧密，与分立散装的电源相比，大大减少了体积、质量、引出线和焊接点的数目，提高了电路性能和可靠性，同时降低了成本。电源电压的不稳定会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作，特别是精密电子测量的自动控制系统，要求有稳定的直流电源供电，引起电压不稳定的原因是交流电压的波动和负载电流的变化[11]。图3.12系统电源原理图3．7本章小结本章是汽车油耗智能检测系统硬件部分的设计与匹配，对单片机、流量传感器、显示器、控制面板、通讯接口、电源等六种元件，根据系统要求，以及目前上述各种元件的技术状况、性能特点、性价比等，结合调研情况以及相关参考资料进行了对比分析，确定了采用的元件的具体型号，并给出了相应的接口电路，相互之间做到了很好的匹配。同时给出了以单片机为核心的控制系统电路原理图，使其建立一个完整的系统。4软件的设计与调试软件部分主要是用所编写的语言程序来配合相应的硬件电路，控制所设计电路实现所预期功能的部分。AT89S52单片机的程序可以使用C语言,也可以使用汇编语言，或者是两者的结合，本设计使用C语言编写程序实现汽车油耗检测的功能。软件部分分成几大模块来实现单片机的功能。程序主函数的设计，由于设计中使用了相应的芯片，所以必须首先对相应的芯片进行初始化并对瞬时油耗、平均油耗、百公里油耗和总油耗测量的行初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等准备。程序的详细如附录中的程序部分所示。4．1初始化程序对所有模块进行初始化，例如单片机的初始化、LED数码管显示的初始化等。程序如附录中所示。初始化是为了让系统正常工作，而给一些变量参数赋以初值的程序。初始化程序主要任务是清屏幕。初始化模块，如图4.1所示。系统加电后进行初始化，测量系统进入起始状态，等待控制面板输入。系统检测控制面板输入，根据控制面板输入进入相应测量程序。开始开始对单片机以及各接口的芯片初始化显示开机界面0显示主界面执行油耗测量逻辑程序扫描按键逻辑程序显示界面更新图4.1主程序流程图汽车油耗智能检测系统的应用软件根据系统功能要求而设计，以可靠地实现系统功能。设计时，将控制面板管理程序模块设计成主程序模块，其他模块在该模块的控制下进行。应用的子程序实行标志化管理，即在需调用的程序模块之前，都设置了程序实现的功能名称，调用时可直接转向该模块程序，这样既便于调试、链接，又便于移植、修改：程序的调试工作是采用仿真器检验在计算机上编写的程序运行是否正常、有无语法错误等，查看运行结果是否符合设计目的，再通过仿真器挂接硬件电路，模拟现场测试，检查硬件的电路连接和软件程序流程。在测试中由于存在干扰，软件程序设计中需要编写抗干扰程序，以提高采集数据的准确度[12]。4.2测量油耗逻辑程序设计测量油耗逻辑程序是通过软件程序的编写，来对汽车油耗量计算的部分，可以通过对软件的查询和中断服务程序的检测来实现测量的，以达到测量油耗的准确性。在测量范围内，传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即体积仪表系数Ｋ，计算公式为K＝3600*f/Q。将仪表系数K预先置入单片机存储器中，单片机即可根据获得的流量脉冲频率f与仪表系数K之比求得管道燃油流量Q。4．3数码管显示程序和按键扫描程序设计本设计有4个显示界面来提供用户需要显示的信息，其中第一个界面是开机界面，每一个界面显示不同的内容，通过程序来对需要显示的项目进行设置显示。数据显示程序的流程图如图4.2所示。系统的测试功能是在控制面板的控制下完成的，因此，控制面板管理和控制显得非常重要。在设计测试程序时，把控制面板管理程序模块设计成主程序模块，其他模块都是在该模块的控制下进行的[13]。图4.2数据显示程序框图4.4软件系统主程序通过主程序，能够控制整个硬件系统的功能实现。软件系统的设计流程，如图4.3所示。图4.3主程序流程图4.5本章小结测试系统中软件是配合控制硬件电路，共同完成对油耗的智能化测试，其功能通过分程序模块实现，本章介绍了系统主程序，初始化模块、控制面板管理模块、数据显示模块和耗油量测试模块等。同时介绍了程序的调试工作，以对编写的程序进行运行检查验证。结论本文研究的车辆智能油耗仪在单片机的控制下，通过计算流量传感器送来的燃油流量脉冲信号，在控制软件的支撑下，能实现车辆的静态和动态测试，能测量汽车的加速油耗、减速油耗、百公里油耗、累计油耗、平均油耗和瞬时油耗。解决了国内油耗检测产品与国外相比测试精度相对较低、测试功能不全面、体积略大和成本较高等问题。该项技术的产品化，将极大地推进汽车油耗规范化、提高油耗检测精度，对于新生产车、营运车辆可进行燃料经济性的精确检测、评价。能很好地满足科研院所、车辆制造、使用和维修单位、汽车用户等需要，应用前景广阔。主要研究工作：（1）确定了汽车油耗智能检测系统总体技术方案。汽车油耗智能检测系统应能完成汽车油耗的智能检测，主要解决目前汽车油耗检测产品存在的精度不高、测试项目少、成本较高等问题，为此从燃油流量信号的检测、处理与输出等方面入手进行相关研究，建立检测系统数学模型、构建仪器结构，在软件的支撑下，满足上述要求。并将理论在实践中进行验证。（2）进行了油耗检测系统硬件的设计与选择，构建了仪器结构。根据车辆油耗智能检测系统要实现智能化检测功能的要求，针对智能油耗仪的具体应用情况，选择系统组成元件，主要有流量传感器、单片机、显示器、打印机、时钟和日历、监控芯片、键盘、通讯接口和电源等，构成油耗检测系统的硬件部分，进行各组成元件之间的合理匹配，设计系统控制电路，完成硬件部分的设计。（3）建立了汽车油耗检测系统数学模型。根据汽车发动机供油系统工作原理和汽车运行条件，确定油耗检测方法，建立油耗系统检测数学模型。（4）进行了油耗检测系统软件的设计与调试，同时提出了系统抗干扰的相关措施。配合硬件部分控制电路编写控制软件，共同完成对油耗的智能化测试。针对油耗检测系统工作过程中会遇到的干扰，分析其原因，采取相应办法，提高油耗检测系统的抗干扰能力。（5）进行了验证性试验。试验数据分析说明，试验系统实际油耗与油耗仪测量油耗具有很好的一致性，试验结果重复性好，数据可信，可作为建模的基础。致谢岁月如歌，光阴似箭，回首求学历程，对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中充满了感激。在论文完成过程之中，除了我自己的潜心学习和研究之外，也凝聚了很多人的心血。所以在这里，我要对帮助我完成论文的所有人表示感谢。

首先，我要对我的导师——电子与信息工程学院的张立松老师，表示我最由衷的感谢，感谢张老师在毕业设计过程中给与的指导。张老师自始至终关心督促毕业设计进程和进度，帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。能师从张老师，我为自己感到庆幸！希望我的老师能永远的身体健康、永远年轻、永远幸福！同时，身边的同学也给了我许多的帮助，特别是自动化专业09级4班的各位同学，在我硬件及软件遇到无法解决的困难的时候给予我最真诚的鼓励和帮助，尤其是在汇编语言编程的问题上给了我很多的指点，让我有信心完成课题的设计。在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的谢意！另外，电信学院里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向院和年级的领导们表示衷心的感谢！最后感谢母校辽宁科技大学，电信学院多年来对我的教育与培养。感谢每一位给过我帮助的老师与同学。正是他们使我的知识体系不断的完善，使我的各方面得以进步和发展。同时感谢各位在百忙之中审阅和评议本论文的老师。参考文献[1]龙立刚.智能传感器系统技术与应用[M]．北京：机械工业出版社[2]刘晓燕.智能仪器仪表技术与开发应用[M]．北京：北京化工出版社[3]高继东.轻型汽车燃油经济性测试方法的相关性研究汽车工程[4]赵杨冬.新编传感器技术[M].北京：北京理工大学出版社[5]谢克明.单片机技术及应用系统设计[M]．北京：兵器工业出版社[6]苏新国.流量计的测量原理与应用．武汉：武汉大学出版社[7]王幸之.单片机应用系统抗干扰技术．北京：北京航空航天大学出版社[8]曾恒春.新编流量测量原理与方案选择．北京：北京科技出版社[9]郑贺悦，陆红雨，戴春蓓等．试验室内车辆油耗测量影响因素研究．汽车工程[10]王幸之，钟爱琴，王雷，王闪．AT89单片机接口设计与原理．北京：北京航空航天大学出版社[11]杨永友．车辆油耗仪的设计．三湘科技[12]江玮．宁智．发动机试验台的智能控制研究及应用．中国仪器仪表[13]Acves,SalvadorM,FlowersDanielLandMartinz.AnalysisandExperiments.SAEPaper.附录原理图：程序：#include<reg52.h>//端口定义sbitGATE=P3^3; //脉冲输入开关sbitDIS=P3^2;//显示开关sbitKEY=P2^0;//按键1sbitKG=P2^1;//按键2//全局变量定义bitDISflag;//显示标识bitT0OUT=0; //溢出标识unsignedcharOUT=0;unsignedcharST=0;//显示功能切换标识1为显示瞬时油耗2为平均油耗3为百公里油耗4为总油耗unsignedlongT1COUNT=0;//定时器0，1累加参数floatHUN=0; //百公里总油耗floatTEMP=0; //临时参数doubleSUM=0; //总油耗floatDISpara;//显示参数//子函数声明voiddelay(unsignedint);//延时程序voidKEYFORMAT(void); //按键处理voidcepin(void); //精确测频voiddisplay(float); //显示程序unsignedchartable(unsignedcharx) //软件查表输出{unsignedcharcoden[20]={0x03,// 0代码 0x9f, // 1代码 0x25, // 2代码 0x0d, // 3代码 0x99, // 4代码 0x49, // 5代码 0x41, // 6代码 0x1f, // 7代码 0x01, // 8代码 0x09, // 9代码 0x02, // 0.代码 0x9e, // 1.代码 0x24, // 2.代码 0x0c, // 3.代码 0x98, // 4.代码 0x48, // 5.代码 0x40, // 6.代码 0x1e, // 7.代码 0xff, // 8.代码 0x08, // 9.代码 };return(n[x]);}//**********显示程序*********voiddisplay(floatf) //以测出的频率串行输出{ unsignedlongx;unsignedchara[5]={0,0,0,0,0},i=0,j; if(f!=0){if((f>=0.000001)&&(f<0.00001))//显示数在0.0001到0.001之间 { x=f*10000000;a[4]=(int)x/10; x=x%10;a[3]=x%10; a[3]=table(a[3]);a[0]=0x41; //显示6 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E” a[4]=table(a[4]+10);} if((f>=0.00001)&&(f<0.0001));//显示数在0.0001到0.001之间 { x=f*1000000;a[4]=(int)x/10; x=x%10;a[3]=x%10; a[3]=table(a[3]);a[0]=0x49; //显示5 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E” a[4]=table(a[4]+10);} if((f>=0.0001)&&(f<0.001)) //显示数在0.001到0.01之间 { x=f*100000;a[4]=(int)x/10; x=x%10;a[3]=x%10; a[3]=table(a[3]);a[0]=0x99; //显示4 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E” a[4]=table(a[4]+10);} if((f>=0.001)&&(f<0.01)) //显示数在0.01到0.1之间 { x=f*10000;a[4]=(int)x/10; x=x%10;a[3]=x%10; a[3]=table(a[3]);a[0]=0x0d; //显示3 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E” a[4]=table(a[4]+10);} if((f>=0.01)&&(f<0.1)) //显示数在0.01到0.1之间 { x=f*1000;x=x%10;a[3]=x; for(j=0;j<5;j++)//显示对应到八位数码管代码 {a[j]=table(a[j]);}a[0]=0x25; //显示2 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E” a[4]=f*1000/10; a[4]=table(a[4]+10);} if((f>=0.1)&&(f<1)) //显示数在0.1到1之间 { x=f*100; a[4]=x/10; a[4]=table(a[4]+10); a[3]=x%10; a[3]=table(a[3]); a[0]=0x9f; //显示1 a[1]=0xfd; //显示负号 a[2]=0x61;//显示“E”} if((f<100000)&&(f>=1)) //显示数在1到100k之间 { x=f; a[4]=x/10000; //第五位显示 x=x%10000; a[3]=x/1000; //第四位显示x=x%1000; a[2]=x/100; //第三位显示 x=x%100; a[1]=x/10; //第二位显示 x=x%10; a[0]=x; //第一位显示 for(j=0;j<5;j++)//显示对应到八位数码管代码 {a[j]=table(a[j]);}}if((f>=100000)&&(f<1000000))//显示数在100k到1M之间 { x=f; x=x%100000; a[3]=x/10000; //第四位显示x=x%10000; a[2]=x/1000; //第三位显示 a[0]=5; //显示5 for(j=0;j<5;j++) {a[j]=table(a[j]);}//显示对应到八位数码管代码 a[4]=f/100000; //第五位显示 a[4]=table(a[4]+10); a[1]=0x61;//显示“E”} if((f>=1000000)&&(f<10000000))//显示数在1M以上 { x=f; x=x%1000000; a[3]=x/100000; //第四位显示x=x%100000; a[2]=x/10000; //第三位显示 a[0]=6; //显示6 for(j=0;j<5;j++) {a[j]=table(a[j]);} a[4]=f/1000000; //第五位显示 a[4]=table(a[4]+10);a[1]=0x61;//显示“E”} if((f>=10000000)&&(f<100000000))//显示数在1M以上 { x=f; x=x%10000000; a[3]=x/1000000; //第四位显示x=x%1000000; a[2]=x/100000; //第三位显示 a[0]=7; //显示7 for(j=0;j<5;j++) {a[j]=table(a[j]);} a[4]=f/10000000; //第五位显示 a[4]=table(a[4]+10);a[1]=0x61;//显示“E”