作者:廖東南,朱善君,孫新亞,吉吟東
介紹了一種由C51單片機控制的便攜式汽油標號檢測儀,對該系統(tǒng)的測量原理和控制器的硬件結(jié)構(gòu)進行了說明,介紹了軟件主流程結(jié)構(gòu)及其模塊化設(shè)計?通過與傳統(tǒng)油介質(zhì)檢測方法的比較,說明了該系統(tǒng)各項性能的優(yōu)越性及其廣泛的應用價值?
隨著近年來我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,汽車逐漸走入普通家庭,人們對汽油的消費也多了起來?由于汽車發(fā)動機對汽油的指標有嚴格的限制,使用指標不合格的汽油會損壞發(fā)動機;于是,對汽油標號的檢測就變得重要起來?為此,設(shè)計了一種便攜式油介質(zhì)檢測儀,用它可以實現(xiàn)對汽油標號的實時檢測,從而滿足了市場上實際應用的需要?
1 測量方案的實現(xiàn)
1.1 設(shè)計原理
1.1.1 背景知識
汽油的標號是由其辛烷值確定的?辛烷值是測定汽油抗震性能的一種指標,辛烷值越大,汽油的抗震性能越好?由于異辛烷的抗爆性最好,所以將它的抗爆性定為100,也就是辛烷值為100?其它燃料的辛烷值是通過與異辛烷比較來確定的,如93號汽油的抗爆性是異辛烷的93%,這種汽油的辛烷值就定為93?
1.1.2 模型的建立
現(xiàn)采用電容電測的方法,以電容為傳感器,以相對介電常數(shù)為相關(guān)變量,間接測定汽油辛烷值?汽油是具有電氣絕緣性能的液體混合物,粘度低?流動性好?揮發(fā)性強,這些特點為使用電容式傳感器直接測量其相對介電常數(shù)創(chuàng)造了有利條件?
由電工學知識可知,平行板間的電容為:
C=ε0%26;#183;εr%26;#183;S/b
其中?熏ε0=8.85415%26;#215;10-12F/m,為真空的介電常數(shù);εr為相對介電常數(shù)(在空氣中εr0≈1)?
平行板電容式傳感器在空氣中的電容為:
C0=ε0%26;#183;εr0%26;#183;S/b
式中,S為平行板的面積;b為平行板的間距?
同一傳感器在汽油中的電容為:
C=ε0%26;#183;εrn%26;#183;S/b
于是有:
C/C0=εrn%26;#183;εr0≈εrn
所以,汽油的相對介電常數(shù)εrn約等于同一傳感器以汽油為介質(zhì)時的電容值C與以空氣為介質(zhì)的電容值C0之比?對同一品質(zhì)的汽油,該比值為一常數(shù)?于是,可以通過測定浸入待測油品中的電容傳感器的電容值C來得到待測汽油的相對介電常數(shù)εrn?
圖2 電路原理圖
通過大量實測數(shù)據(jù),得出汽油的辛烷值Yn與其相對介電常數(shù)εrn之間存在著函數(shù)關(guān)系,即:
Yn=Y0-k%26;#183;εrn
其中,k為斜率參數(shù);Y0為截距參數(shù)?
這些參數(shù)需要根據(jù)實際環(huán)境在現(xiàn)場由試驗標定設(shè)置?
1.2 硬件設(shè)計
本裝置的測量原理框圖如圖1所示?
這里選用了MAX038高頻精密波形發(fā)生器作為整個電路的核心器件,產(chǎn)生高頻方波?MAX038的工作頻率范圍為0.1Hz~20MHz;輸出波形可以是三角波?正弦波?鋸齒波?方波和脈沖波;頻率和占空比獨立調(diào)節(jié);占空比可變(15%~85%);具有低阻抗(0.1Ω)輸出緩沖器和低失真(0.75%)正弦波?
MAX038的工作電壓為%26;#177;5V,其基本振蕩器是一種通過恒定電流對電容C進行交替充放電的張弛振蕩器,同時產(chǎn)生三角波和方波?充放電電流由流入引腳IIN的電流來控制,由施加在引腳FADJ和引腳DADJ的電壓來調(diào)節(jié)?
輸出波形的占空比可以通過對引腳DADJ施加電壓來控制?在正常情況下,VDADJ=0V,占空比為50%?VDADJ從+2.3V變到-2.3V時,占空比從15%變?yōu)?5%,大概每伏特變化15%?當VDADJ超過%26;#177;2.3V時,將使頻率漂移,并引起不穩(wěn)定?調(diào)節(jié)引腳DADJ上的電壓可以減少正弦波的失真?未調(diào)整時(VDADJ=0V)的占空比為50%%26;#177;2%,若對VDADJ加一個小的調(diào)整電壓(不大于100mV),則可以使波形準確對稱,并使失真減到最小?
MAX038的輸出頻率由輸入IIN引腳的電流?COSC引腳電容和FADJ引腳上的電壓決定?當VFADJ=0V時,輸出頻率F0=IIIN/C,則周期T0=C/IIIN?其中,IIIN為輸入IIN引腳的電流(2μA~750μA),C為COSC所接的電容(10pF~200pF)?當10μA≤IIIN≤400μA時,MAX038達到最佳工作性能?所以,當需要固定頻率時,取IIIN為100μA?電容必須用短引線,盡量減小分布電容的影響?在COSC引腳及其引線周圍用一個接地平面來減小其它雜散信號的耦合?
由于MAX038產(chǎn)生的是高頻信號,很難直接進行計數(shù)和相應的計算,所以必須對MAX038的輸出信號進行分頻?在這里,選用了兩片73HC393進行分頻,從而得到便于處理的方波信號?
具體電路如圖2所示?
1.3 軟件設(shè)計
普通的單片機軟件都是采用一種前后臺的編程方式,后臺采用死循環(huán)輪詢的方式,前臺處于等待中斷的狀態(tài),一旦中斷發(fā)生就會打斷后臺的輪詢?這種方式將各種情況的處理混雜在一起,使得軟件的復雜度大大增加,編寫和維護都很困難,而且任何一個部分出了問題,整個系統(tǒng)就會處于死機狀態(tài)?為此選擇在RTOS(Real Time Operation System)基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的軟件?RTOS的特點就是多任務,可以許多個任務同時存在,根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則,進行任務切換?多任務使得CPU的利用率達到了最大,并且使軟件最大程度地模塊化,便于編寫?
系統(tǒng)軟件可分為兩大模塊:CPU模塊和LCD模塊?
CPU模塊包含以下任務:
(1)CAN管理任務,負責CPU和LCD板的通信,可以發(fā)送/接收一個Modbus的數(shù)據(jù)包?
(2)232管理任務,負責CPU和上位機的通信,可以發(fā)送/接收一個Modbus的數(shù)據(jù)包?
(3)CAN中斷任務,負責發(fā)送或接收一個CAN幀?
(4)232中斷任務,負責發(fā)送或接收一個232幀?
(5)Modbus任務,可以執(zhí)行以下操作?
①接收一個232/CAN的數(shù)據(jù)包?
②發(fā)送一個232/CAN的響應數(shù)據(jù)包,等待232/CAN的發(fā)送狀態(tài)返回信息?
③分析接收到的232/CAN數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容,對實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作,或者搜索操作?
(6)I/O時鐘任務,定時執(zhí)行以下操作(兩次刷新間隔500ms):
①讀取外界模擬量,并寫到實時數(shù)據(jù)庫?
②讀取外界開關(guān)量,并寫到實時數(shù)據(jù)庫?
③讀取實時數(shù)據(jù)庫,并輸出開關(guān)量和模擬量?
④調(diào)整系統(tǒng)的時間?刷新系統(tǒng)的時候要求獨占CPU?
(7)時間任務,定時刷新看門狗(兩次刷新間隔500ms)?
(8)打印任務,接收信箱中的要求,進行打印,每次打印一個字符(兩個字符間隔100ms)?
(9)存盤任務,接收信箱中的要求,進行存盤,每次存儲一個內(nèi)存塊,獨占CPU(兩個內(nèi)存塊間隔100ms)?
(10)自動檢測任務,根據(jù)當前系統(tǒng)的狀態(tài)執(zhí)行自動檢測控制邏輯,調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)庫,達到控制所有I/O的目的(兩次調(diào)節(jié)相差1s)?
ECPU板信號流程如圖3所示?
LCD模塊包含以下任務:
(1)CAN中斷處理任務,負責接收發(fā)送一個CAN幀?
(2)CAN管理任務,負責發(fā)送接收一個Modbus數(shù)據(jù)包,同時負責LCD與CPU的通信?
(3)Modbus任務,負責Modbus命令與需求間的解釋?
(4)刷新任務(間隔500ms),負責從CPU板上的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù),刷新RAM區(qū)中的LCD動態(tài)信息,然后刷新LCD?
(5)鍵盤任務,它可以執(zhí)行以下內(nèi)容(間隔300ms):
①分析鍵盤捕獲的按鍵,改變RAM區(qū)中的LCD控制信息?
②分析鍵盤捕獲的按鍵,根據(jù)RAM區(qū)中的LCD控制信息,從CPU上讀取動態(tài)信息?
③分析鍵盤捕獲的按鍵,根據(jù)RAM區(qū)中的LCD控制信息,刷新CPU上的動態(tài)信息?
④刷新LCD?
ELCD板信號流程如圖4所示?
2 主要性能指標
該系統(tǒng)測量電容范圍在10pF~200pF之間,測量誤差小于5%,一次測量周期小于10分鐘,使用快捷方便?為了消除溫度?濕度?寄生電容的影響,保證測量的精度,仍需采取恒溫?防潮?屏蔽和接地等措施?必要時,還可以考慮采取雙屏蔽,從而實現(xiàn)等電位傳輸技術(shù)?
本裝置不僅適用于無鉛汽油和含鉛汽油,同時也適用于其它多種油介質(zhì)的檢測,并可以進一步應用到其它非油介質(zhì)的絕緣材料的檢測中?
責任編輯:gt
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