基于单片机的数字化汽车燃油量测量系统

基于单片机的数字化汽车燃油量测量系统

现在，汽车通常使用汽油表来指示汽油盒中的存油量。电热式燃油表由带稳压器的燃油面指示表和油面高度传感器组成。电流自蓄电池经稳压器的双金属片、燃油面指示表的电阻丝、油面高度传感器的可变电阻和滑动接触片触头,回到蓄电池而组成闭合回路。当燃油箱中的油面高度为零时,油面上的浮子位置最低,其滑动接触片触头位于可变电阻的右端,这时传感器输出阻值最大而回路的电流最小,指示表的电阻丝只散发出微少的热量,使得双金属片产生少量的热变形,燃油表指针相应地指在“0”刻度线上。随着油面高度的增加,滑动接触片触头逐渐左移,致使传感器输出阻值随之减小,而回路电流随之增大,燃油表指针也因双金属片的热变形增大而逐渐向右偏转,指示出相应的读数。当燃油充满油箱时,回路的电流达到最大,指针指到最右边的刻度线上。这种油量表由于结构和原理上的限制,仅能反映燃油量从低位到高位区间的大致变化,线性差而不能指示精确的燃油量数值,而且线绕电阻与滑动触点容易磨损和被油污阻隔,可靠性差。在实践中,需要准确掌握汽车燃油量的消耗变化,以便了解汽车的性能变化;在行驶途中,汽车驾驶员需要根据燃油量和里程确定加油时间,在加注燃油时,汽车驾驶员也需要准确地反映出加入燃油量的数值。本文介绍了采用磁敏油位传感器及以单片机为核心的汽车燃油量测量系统。1a/d转换电路本文设计的燃油量测量系统,是用无触点磁敏油位传感器,替代原来的有机械触点的电位器式油位传感器,从而获取反映油位的电信号,通过信号放大器,将微弱的信号进行放大,然后送入A/D转换器中,将模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号,再通过软件编程对信号进行处理,将燃油量输出到LED显示屏上,对油箱中的油量进行精确指示。采用此方法设计的燃油表的显示精度,可以达到0.1L。系统结构如图1所示,由传感器信号输出电路、信号放大器、A/D转换、单片机系统、LED显示等部分组成。2硬件设计2.1磁敏电阻桥路的设计(1)磁敏油位传感器的原理。磁敏油位传感器,是利用霍尔效应制成的磁敏元件。霍尔效应的产生,是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。磁敏传感器原理图如图2所示,两个半圆环形磁敏电阻组成环形桥路结构,半圆形永磁体形成的半圆形磁场垂直通过磁敏电阻所在的平面。在磁敏电阻桥路的1、3端加直流电压Vin,永磁体以环形磁敏电阻的轴心每旋转一周,2端将输出一个周期的类三角波(或正弦波)信号——如果永磁体固定而磁敏电阻旋转会达到同样的效果,其有效线性范围为90°,超出此范围线性变差。在汽车油箱的油位测量中,其转角不会超过90°,在整个测量过程中,信号处于线性变化之中,完全能满足油位测量的要求。(2)磁敏油位传感器的结构。磁敏油位传感器的结构如图3所示。图中,1为无触点油位传感器机构的安装支架,与原电位器式油位传感器基本相同;2为油位传感器机构的的转子,其有效转角小于90°;3为磁敏元件,用于信号检测;4为前置放大器,用于对信号进行初步放大;5为浮子,与原油位传感器的浮子类似;6为强力磁体,与磁敏元件一起组成信号检测机构;7为转动臂,与浮子、转子一起构成转动机构。此传感器制作简单,成本低,寿命长,易于安装。2.2硬件电路设计单片机系统是燃油量测量系统中进行信号处理的核心,主要由单片机、A/D转换器、八进位计数器及低压基准芯片等组成。本设计采用Atmel公司生产的单片机AT89S52,其为一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8k可编程Flash存储器。AT89S52采用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。A/D转换器每变换一次数据后,其BUSY引脚输出变为高电平,下降沿触发外部中断进行采样,将电位按照与燃油量的对应关系转换并存入RAM中。硬件电路如图4所示。(1)A/D转换器。本设计采用比较常用的美国MAXIN公司生产为ICL7135,其具有抗干扰能力强、价格低廉等优势。ICL7135每次转换需要40000个时钟脉冲,因此时钟频率应大于20kHz,单片机AT89S52的时钟采用6Mz晶振,在不访问外部数据存贮器时,即在不执行movx指令的情况下,单片机AT89S52的ALE脚是稳定的1Mz频率,在本系统的整个软件编制过程中,不涉及movx指令,所以为了节省成本,采用AT89S52的ALE脚提供的1Mz频率,经八进位计数器CD4022进行八分频后,变成125kHz频率提供给ICL7135,作为A/D转换的时钟,转换速率为3次/s。STR为选通脉冲输出端,一次A/D转换结束后,在该端连续输出5个负脉冲,分别对应5组BCD码数据。低压基准芯片MC1403的输出电压为稳定的2.5V,经分压后得到1V的电压,提供给ICL7135作为A/D转换的基准电压。硬件电路如图4所示。(2)八进位计数器。CD4022是八进位Johnson计数器,具有8个译码输出端,CP,CR,INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时,计数器清零,Johnson计数器提供了快速操作,2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通,保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平,只有在对应时钟周期内保持高电平。在每8个时钟输入周期CO信号完成一次进位,从而实现八分频,用作A/D转换器ICL7135的时钟。2.3led的位选择过程图5为LED动态显示电路,根据控制系统的要求,选用3位共阳LED显示,此电路中,采用动态扫描方式。3根位选线分别与3个三极管驱动电路的输出端相连,驱动电路输入端与AT89S52的P3口相连,通过编程实现LED的位的选择;LED的8位段码“a”—“g”分别与AT89S52的P2口连在一起,同样通过编程确定LED的段码。当选通某一位LED时,位选线为高电平,对应的段为低电平,从而相应的段被点亮,实现数字显示。动态扫描的频率有一定的要求,若频率太低,LED将出现闪烁现象;若频率太高,由于每个LED点亮的时间太短,LED的亮度太低,肉眼无法看清,会认为没有显示。所以为了能清楚显示并无闪烁,一般保持时间取数个ms左右为宜。采用这样的电路,既可以缩小体积,又可以节省成本。3相对独立的模块系统软件设计采用模块式结构,流程图如图6所示,根据系统功能,将软件划分成若干个功能相对独立的模块,分为主程序和中断服务程序。主程序中包含系统和数码管初始化、数据转换、结果计算等模块;中断服务程序主要用于数据采集、数码管显示。由于不同车型的油箱,其形状和大小都不同,所以要采用不同的处理程序,此设计适用于油箱体积小于100L的车型。4汽车实际运用数字线性化进行数据处理图7是实际试验的体积—电压曲线,试验采用长安星卡SC1026S1所用的40L油箱。为了消除不安全因素,在试验中用水替代汽油或柴油(对试验结果没有影响),其试验结果如图7所示,从图中可以看出,体积和电压并非成完全的线性关系,磁敏油位传感器在0～90°范围内是成线性关系的,为什么实际试验又不成线性关系呢?这是因为油箱是不规则的原因。这就要求对数据进行线性化处理,本设计采用数字线性化,然后通过编程对其进行处理。具体做法是:将相邻两个测试数据写入单片机程序,然后采用两点式公式,通过编程对其进行逐段线性化,达到体积和电压成线性关系的目的。由于测试点数据是准确的,两点之间的数据通过公式计算也是准确的,从而达到准确显示油量的目的,测试的点越多,其精度就越高。在实际装车试验中,汽车在较陡的上下坡时,读数与在平路时读数进行比较,有一定的差距。这是因为在较陡的上下坡时,油箱中油位发生了变化,从而使磁敏油位传感器的角度发生了微小的变化所致,但变化是有限的,一般在0.5L以内,而在平路读数是比较准确的,只要驾驶员在平路或接近平路时读数就行。通过大量的装车试验,都能比较准确地显示油箱中的存油量,其