基于PIC的汽车油耗智能检测系统设计毕业设计.docx

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基于PIC的汽车油耗智能检测系统设计毕业设计

基于PIC的汽车油耗智能检测系统设计

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

Abstract

Asatransportvehiclewithonehandtotransportpeople’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

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/

：

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（

）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。

:

外部程序存储器选通信号（

）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，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

/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，

必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

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