基于MCS51單機(jī)片的智能油耗和里程計(jì)算器設(shè)計(jì)

1、摘摘 要要 本文介紹了一種新型的電子式汽車電子式油耗和里程計(jì)算器。本文介紹了由 MCS 一 51 系列單片微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的智能油耗和里程計(jì)算器。該儀表以 8031 單片機(jī)為核心，用 8255 設(shè)計(jì)接口和鍵盤電路，用 LED 數(shù)碼管顯示汽車總行駛里 程和本次行駛里程由于 8031 內(nèi)部設(shè)有程序存貯器，本儀表擴(kuò)展一片 2864 外部程 序存貯器。由于引腳有限，8031 單片機(jī)的低八位地址踐與數(shù)據(jù)線是合用的，為 此選用 373 作為地址鎖存器，以將數(shù)據(jù)和外部地址互相分開。8031 內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器，能供存貯數(shù)據(jù)的單元數(shù)目有限，所以還擴(kuò)展了一片。6264 作為外部數(shù)據(jù)存貯器，以供存貯

2、各項(xiàng)油耗和工時(shí)數(shù)據(jù)。 ，以及能計(jì)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 的燃油消耗總量和即時(shí)消耗量 。給出了該儀表的硬件框圖和部分軟件框圖。這 種新型的電子式油耗和里程計(jì)算器適用于交通運(yùn)輸、電站以及廠礦油田，建筑工 地等分散作業(yè)的船舶和車輛管理工作的需要。該汽車電子表較機(jī)械式汽車?yán)锍瘫?具有精度高，誤差小，顯示清楚醒目，工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。 智能化創(chuàng)造了條件。 作者采用 MCS 一 51 系列單片微型計(jì)算機(jī)研制成智能電子式油耗和里程計(jì)算器， 為汽車企業(yè)部門提高管理水平提供了技術(shù)手段，對(duì)企業(yè)節(jié)制能源流失、進(jìn)行成本 核算等具有積極的作用。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機(jī) 里程表 油耗表 數(shù)字方式 傳感器 ABSTRACT Introdu

3、ces an intelligent instrument used for recording the consumption of fuel oil .It also can display the mileage .zhe instrument consists of the MCS-51 series single- chip microcomputers so can automatically mater the fuel consumption and the mileage.This instrument used 8031 chip microcomputers.It can

4、 display fuel consumption and the mileage by using a LED. one-chip processor 8255 can be applied to intelligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/display and printer. It is available for the transportation , eletric, power stations .f

5、actories .mines .oil fields .construction sites and so on. This designing adopts the common component of domestic manufacturers, with low costs, reliable performance, and it is easy to be popularized. Keywords: Single-chip computer；Minimized hardware interface；Flow； Digital model；Sensor. 目目 錄錄 第第 1

6、1 章章 引引 言言.5 5 第第 2 2 章章 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).5 5 2.1 數(shù)據(jù)采集方案的選擇.5 2.1.1 流量信號(hào)的采集方案.6 2.1.2 里程信號(hào)的采集 .8 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).10 2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇.10 2.2.2 系統(tǒng)的工作原理.10 第第 3 3 章章 主電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì).1111 3.1 儀表功能概述.11 3.2 硬件設(shè)計(jì).12 3.2.1 外部存貯器的擴(kuò)展.13 3.2.2 輸入輸出接口的擴(kuò).13 3.2.3 顯示器及按鍵設(shè)計(jì).13 3.2.4 其它功能設(shè)計(jì).13 3.3 軟件設(shè)計(jì).14 3.3.1 主程序.14

7、 3.3.2 顯示功能.14 3.3.3 定時(shí)采集，累積功能.14 3.3.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘.15 第第 4 4 章章 故障檢測(cè)故障檢測(cè).1616 4.1 傳感器的故障檢測(cè).16 4.1.1 流量傳感器的故障檢測(cè).16 4.1.2 里程傳感器的故障檢測(cè).17 4.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè).18 結(jié)束語結(jié)束語.1919 謝辭謝辭.2020 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).2121 第第 1 1 章章 引引 言言 電子式里程和油耗表具有結(jié)構(gòu)簡單，新穎美觀，精度高，誤差小等優(yōu)點(diǎn)。近 年來在各種汽車市場(chǎng)上越來越多的得到了應(yīng)用，隨著現(xiàn)在單片機(jī)技術(shù)的越來越成 熟，科技的進(jìn)步，許多的汽車產(chǎn)商逐漸采用電子的儀表來取代

8、原有的模擬的模擬 儀表，現(xiàn)在的福特汽車，雪鐵龍汽車，和大眾汽車等廠商已經(jīng)采用了數(shù)字的油耗 和里程表，這種新型的汽車也逐漸的受到市場(chǎng)的青睞，采用了新的單片機(jī)系統(tǒng)后， 汽車的造型更加的美觀別致，已經(jīng)成為市場(chǎng)上的熱銷產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)的一 種新型的電子式的油耗的里程計(jì)算器。 本設(shè)計(jì)所采用的信號(hào)采集設(shè)備是流量傳感器的電磁傳感器，在石油、化工、 汽車等機(jī)械設(shè)備中 ，對(duì)管道內(nèi)液體和氣體的流量進(jìn)行測(cè)量和控制是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過 程自動(dòng)化的重要組成部分。渦街流量計(jì)具有量程寬，無可動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，維 護(hù)簡單，壓力損失小，具有一定的計(jì)量精度等優(yōu)點(diǎn)。特別是在很寬的范圍內(nèi)，它 的測(cè)量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無關(guān)，因而

9、受到普遍歡迎。本文介紹應(yīng)用 MCS 一 51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能渦街流量計(jì)，對(duì)渦街流量計(jì)固有的非線性進(jìn)行修正， 并具有顯示、打印、檢測(cè)參數(shù)的種類以及數(shù)據(jù)處理等功能，從而拓寬了渦街流量 計(jì)的應(yīng)用范圍。 磁電式車速傳感器是一個(gè)模擬交流信號(hào)發(fā)生器，它們產(chǎn)生交變電流信號(hào)，通 常由帶兩個(gè)接線柱的磁芯及線圈組成。這兩個(gè)線圈接線柱是傳感器輸出的端子， 當(dāng)由鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪(有時(shí)稱為磁組輪)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)，線圈里將產(chǎn)生交 流電壓信號(hào)。在汽車上磁電式及光電式傳感器是應(yīng)用最多的兩種車速傳感器，在 歐洲、北美和亞洲的各種汽車上比較廣泛采用磁電式傳感器來進(jìn)行車速(VSS)、 曲軸轉(zhuǎn)角(CKP)和凸輪軸轉(zhuǎn)角(CMP)

10、的控制，同時(shí)還可以用它來感受其它轉(zhuǎn)動(dòng)部 位的速度和位置信號(hào)等，例如壓縮機(jī)離合器等。 隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，因?yàn)閱纹?機(jī)系統(tǒng)有著傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件因?yàn)?溫度,劇烈震蕩等引起的一些故障，而且維修方便。 第第 2 2 章章 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.12.1 數(shù)據(jù)采集方案的選擇數(shù)據(jù)采集方案的選擇 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，通常的機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)難以 解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題，而被電子控制系統(tǒng)代替。傳感器的作用就 是根據(jù)規(guī)定的被測(cè)量的大小，定量提供有用的電輸出信號(hào)的部件，亦即

11、傳感器把 光、時(shí)間、電、溫度、壓力及氣體等的物理、化學(xué)量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的變換器。傳感 器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它直接影響汽車的技術(shù)性能的發(fā)揮。目前，普 通汽車上大約裝有 10-20 只傳感器，高級(jí)豪華轎車則更多，這些傳感器主要分布 在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)中。 本設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)采集方案是流量計(jì)采集的流量信號(hào)和電磁式速度傳感器的 里程信號(hào)，在汽油流量的選擇上，我們直接把流量計(jì)安裝在油箱和汽油泵之間， 這樣的話，得到的油耗的總量是最準(zhǔn)確的。里程信號(hào)的采集選用的是磁電式車速 傳感器，磁電式車速傳感器是一個(gè)模擬交流信號(hào)發(fā)生器，它們產(chǎn)生交變電流信號(hào)， 通常由帶兩個(gè)接線柱的磁芯及線圈

12、組成。這兩個(gè)線圈接線柱是傳感器輸出的端子， 當(dāng)由鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪(有時(shí)稱為磁組輪)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)，線圈里將產(chǎn)生交 流電壓信號(hào)。 2.1.12.1.1 流量信號(hào)的采集方案流量信號(hào)的采集方案 流量傳感器種類也很多，流量表里常用的有孔板差壓式、旋渦式、渦輪式 等。那么，什么是渦輪式流量傳感器呢？其實(shí)它就是一個(gè)小水輪發(fā)電機(jī)，和水力 發(fā)電用的水輪發(fā)電機(jī)是一個(gè)道理。只不過非常小巧而簡單，僅僅是由管道里的一 個(gè)葉輪和管外的線圈所構(gòu)成。葉輪上有一小塊磁鐵，當(dāng)葉輪被水沖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)， 線圈切割磁力線就會(huì)發(fā)出交流信號(hào)來。管道里的水流量越大，當(dāng)然葉輪轉(zhuǎn)得越快， 發(fā)出的交流頻率就越高。用頻率來代表流量，這樣就容易傳

13、到別處去了，所以這 才稱得上是傳感器。雖然和水輪發(fā)電機(jī)原理相同，用途當(dāng)然不是為了提供電力， 僅僅是傳感而已。至于差壓式和旋渦式的道理，確實(shí)有點(diǎn)一言難盡，就不在這里 細(xì)說了。 渦輪流量計(jì):當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時(shí),在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn), 其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比,渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值,檢測(cè)線 圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生周期性的電脈沖信號(hào).在一定的流量(雷諾數(shù))范 圍內(nèi),該電脈沖信號(hào)與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比.渦輪流量計(jì) 的理論流量方程為: 式中 n 為渦輪轉(zhuǎn)速;qv 為體積流量;A 為流體物性(密度,粘度等),渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)(渦 輪傾角,渦輪直徑

14、,流道截面積等)有關(guān)的參數(shù);B 為與渦輪頂隙,流體流速分布有關(guān) 的系數(shù); C 為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù). 流體流經(jīng)傳感器殼體,由于葉輪的葉片與流向有一定的角度,流體的沖力使葉 片具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩克服摩擦力矩和流體阻力矩之后葉片旋轉(zhuǎn),在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn) 定,在一定的條件下,轉(zhuǎn)速與流速成正比,由于葉片有導(dǎo)磁性,它處于信號(hào)檢測(cè)器(由 永久磁鋼和線圈組成)的磁場(chǎng)中,旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線,周期性地改變著線圈的磁 通量,從而使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號(hào),此信號(hào)經(jīng)過放大器的放大整形,形成有一 定幅度的連續(xù)的矩形脈沖波,可遠(yuǎn)傳至顯示儀表,顯示出流體的容積流量或總量.在 一定的流量范圍內(nèi),脈沖頻率 f 與流經(jīng)傳感器的流

15、體的體積流量 Q 成正比,流量方 程式為: 式中: f脈沖頻率Hz k傳感器的儀表系數(shù)1 / L 由校驗(yàn)單給出 Q流體的體積流量(工作狀態(tài)下)m3/ h 3.6換算系數(shù) 本產(chǎn)品采用 LWGY 型的渦輪流量傳感器，基于力矩平衡原理,屬于速度式流 量儀表。具有結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，精確度高，復(fù)現(xiàn)性好，反應(yīng)靈敏,安裝維修使用 方便，輸出脈沖信號(hào)，便于信號(hào)處理和數(shù)字化顯示，易于制成有特殊要求的型式 適應(yīng)各種用戶的需要。渦輪流量傳感器與顯示儀表配套使用,可用來測(cè)量封閉管 道中液體(LWGY 型)，氣體(LWGQ 型)的體積流量或總量。若與具有特殊功能的 顯示儀表配套,還可進(jìn)行定量控制，超量報(bào)警等.選用本產(chǎn)品的

16、防爆型式(dBT3 或 ibCT3)，可在有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中使用。本產(chǎn)品適用于清潔或基本清潔的 單相液體(對(duì) 2Cr13 等材質(zhì)不應(yīng)腐蝕)的流量或總量測(cè)量，也可用作標(biāo)準(zhǔn)儀表來標(biāo) 定其它流量計(jì)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空、冶金及科研部門。 使用環(huán)境條件：環(huán)境溫度 -20+55，相對(duì)濕度 5%95%，大氣壓力 86106Kpa 。 工作條件： 被測(cè)流體溫度 防爆型式： -2070 非防爆型式：-20+55，-20+120 供電方式： 依據(jù)放大器類型的不同,有三種供電方式 +24VDC 兩線制； +24VDC 三線制； -12VDC 三線制 輸出信號(hào)： 在傳感器的規(guī)定流量范圍內(nèi)，輸出信號(hào)的波形是近似

17、的方波，頻率范圍是 203000Hz.在有爆炸性危險(xiǎn)的場(chǎng)所(dBT3 或 ibCT3)，應(yīng)使用相應(yīng)等級(jí)的傳 感器。儀表本身不含危險(xiǎn)因素。 組成： 傳感器由傳感器組件(或稱本體)和渦輪放大器組成,兩者之間的聯(lián)接桿有長短 兩種，短桿流體溫度為-20+55,長桿流體溫度為-20+120,若渦輪放大器為 防爆結(jié)構(gòu)，則為防爆型;若能測(cè)量正,反方向流量,則為雙向式;若帶插入桿,能安裝 在大口徑管道中測(cè)流體流量,則為插入式.組成關(guān)系見表 1,傳感器外形見圖 1,圖 2.對(duì) 于防爆型,除了放大器是防爆放大器,殼體帶防爆底座以外,其余均同一般型.本說明 書僅對(duì)表達(dá) 1 中所列的第一種型式的傳感器加以說明。 2.

18、1.22.1.2 里程信號(hào)的采集里程信號(hào)的采集 磁電式車速傳感器是一個(gè)模擬交流信號(hào)發(fā)生器，它們產(chǎn)生交變電流信號(hào)，通 常由帶兩個(gè)接線柱的磁芯及線圈組成。這兩個(gè)線圈接線柱是傳感器輸出的端子， 當(dāng)由鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪(有時(shí)稱為磁組輪)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)，線圈里將產(chǎn)生交 流電壓信號(hào)。 磁組輪上的逐個(gè)齒輪將產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信 號(hào)的振幅(峰對(duì)峰電壓)與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比(車速)，信號(hào)的頻率大小表現(xiàn)于磁 組輪的轉(zhuǎn)速大小。傳感器磁芯與磁組輪間的氣隙大小對(duì)傳感器的輸入信號(hào)的幅度 影響極大，如果在磁組輪上去掉一個(gè)或多個(gè)齒就可以產(chǎn)生同步脈沖來確定上止點(diǎn) 的位置。這會(huì)引起輸出信號(hào)頻率的改變，

19、而在齒減少時(shí)輸出信號(hào)幅度也會(huì)改變， 發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊正是靠這個(gè)同步脈沖信號(hào)來確定觸發(fā)電火時(shí)間或燃油 噴射時(shí)刻的。磁電式車速傳感器發(fā)出的信號(hào)如圖所示： 圖 2 由于輸出的信號(hào)十分的微弱，只有 0.6V 左右，而且是交流信號(hào)，因此還需 要放大和 AD 轉(zhuǎn)換。放大電路采用雙輸入雙輸出差分式放大電路，這樣就滿足了 流量信號(hào)和里程信號(hào)的同時(shí)處理，基本差分式放大電路如圖 3 所示，然后在把它 們的輸出端分別接到 8031 的 INT0 和 INT1 端。 圖 3 雙輸入雙輸出差分式放大電路 2.22.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.12.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 這種系統(tǒng)介紹了由 M

20、CS 一 51 系列單片微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的智能油耗和里程 計(jì)算器。該儀表以 8031 單片機(jī)為核心，用 8255 設(shè)計(jì)接口和鍵盤電路，用 LED 數(shù)碼管顯示汽車總行駛里程和本次行駛里程由于 8031 內(nèi)部設(shè)有程序存貯器，本 儀表擴(kuò)展一片 2864 外部程序存貯器。由于引腳有限，8031 單片機(jī)的低八位地址 踐與數(shù)據(jù)線是合用的，為此選用 373 作為地址鎖存器，以將數(shù)據(jù)和外部地址互相 分開。8031 內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器，能供存貯數(shù)據(jù)的單元數(shù)目有限， 所以還擴(kuò)展了一片。6264 作為外部數(shù)據(jù)存貯器，以供存貯各項(xiàng)油耗和工時(shí)數(shù)據(jù)。 以及能計(jì)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗總量和即時(shí)消耗量以及能計(jì)量

21、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 油消耗總量和即時(shí)消耗量, 這種新型的電子式油耗和里程計(jì)算器適用于交通運(yùn)輸、 電站以及廠礦油田，建筑工地等分散作業(yè)的船舶和車輛管理工作的需要。該汽車 電子表較機(jī)械式汽車?yán)锍瘫砭哂芯雀?，誤差小，顯示清楚醒目，工藝簡單等優(yōu) 點(diǎn)。文中給出了該儀表的硬件框和部分軟件框圖。最小化系統(tǒng)如圖 4 所示： 圖 4 硬件框圖 2.2.22.2.2 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 在此單片機(jī)控制的電子式油耗和里程計(jì)算器系統(tǒng)中，流量和里程信號(hào)是通過 差分式放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生數(shù) 據(jù)，通過 LED 顯示輸出。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 5 所示： 圖 5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

22、框圖 第第 3 3 章章 主電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì) 我們所研究的電子式汽車?yán)锍瘫硪?8031 為核心，外接程序存貯器 E2PROM 2864，磁電式傳感器接收汽車行駛而送人的脈沖信號(hào)。顯示器件采用六位 LED 數(shù)碼管，顯示汽車從出廠到目前行駛總里程，并且此總行駛里程可以永久記憶， 2864 芯片是一種新型的常用 E2PROM 芯片。在里程表中我們利用其掉電時(shí)信息 不丟失，通電時(shí)又可方便時(shí)改寫數(shù)據(jù)的特點(diǎn)存貯總的行駛里程。 本文介紹了由 MCS 一 51 系列單片微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的智能油耗儀。它能自 動(dòng)計(jì)量車售船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油捎耗量與工作時(shí)數(shù)，計(jì)算和保存按日月年累計(jì)的 數(shù)據(jù)，智能油耗義適用于交通運(yùn)輸、

23、電站以及廠礦油田，建筑工地等分散作業(yè) 的船舶和車輛管理工作的需要。 單片微機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)，工作 可靠，體積小，成本低等特點(diǎn)，為儀器、儀表的智能化創(chuàng)造了條件。2 3.13.1 儀表功能概述儀表功能概述 智能油牦儀與容積式流量傳感器配套使用，可組成檢測(cè)記錄系統(tǒng)。智能油 耗儀由車船上 12V 直流電源供電。儀表具有斷電保護(hù)功能，在更換蓄電池和其 它緣由引起斷電時(shí)，能夠繼續(xù)保存所有儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。智能油耗儀已在江蘇石油勘 探局油田建設(shè)處的四艘小型運(yùn)輸船上安裝運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明該儀表巳達(dá)到原設(shè) 計(jì)要求，工作穩(wěn)定可靠。經(jīng)鎮(zhèn)計(jì)量研究所檢定(檢定證書力流字第 90 置 11 、90112 號(hào))，儀表計(jì)量精度達(dá)

24、到 0.5 級(jí). 儀表由六位數(shù)碼顯示數(shù)據(jù)，即最 大計(jì)量容量為升(也可設(shè)置小數(shù)位)和 9999 小的，59 分。 儀表計(jì)量并積存的油托 量有當(dāng)日的、當(dāng)月的、當(dāng)年的油耗累積量。 儀表計(jì)量并積存的工時(shí)數(shù)有當(dāng)日的、當(dāng)月的、當(dāng)年的工時(shí)累積數(shù)。 儀表處于巡回顯示方式時(shí)，能輪流顯示上列六項(xiàng)內(nèi)容的數(shù)據(jù)。儀表處于固定 顯示方式時(shí)，能選擇某項(xiàng)內(nèi)容固定長期顯示。 儀表還可作日常電子鐘使用，顯示時(shí)，分、秒或年、月，日。 儀表的抗干擾能力與適應(yīng)性能滿足船舶及工程車輛工作環(huán)境條件的要求 o 3.23.2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 為了滿足交通運(yùn)輸、電站設(shè)備以及廠礦、油田、建筑工地等分散作業(yè)的船舶 和車輛(包括工程車船)管理工作的

25、需要，作者采用 MCS 一 51 系列單片微型計(jì)算 機(jī)研制成智能油耗儀，為企業(yè)部門提高管理水平提供了技術(shù)手段，對(duì)企業(yè)節(jié)制能 源流失、進(jìn)行成本核算等具有積極的作用。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示 l，里程表系統(tǒng)選用 8031 單片機(jī)為控制核心，由 8031、74LS373 和 EPROM2764 等器件構(gòu)成最小系統(tǒng)，擴(kuò)展一片 E2PROM2864 作為數(shù)據(jù)存貯器。用 8031 的 PSEN 控制 2864 的 OE 控制端，以選通 2864，用 RD 控制 E2PROM 2864 的 0E 端，用 WR 控制 E2PROM 2864 的 WE 端。 顯示電路部分由一片 CD45ll 和兩片 741

26、S164，兩片 14 且 3 及十位 LED 數(shù) 碼管組成。采用動(dòng)態(tài)顯示方式。8031 送人 BCD 碼，由 CD45ll 譯為七段顯示段 碼，直接驅(qū)動(dòng)十位 LED 數(shù)碼管。為串行轉(zhuǎn)并行移位寄存器，其動(dòng)能是控制各個(gè) 數(shù)碼管的公共端，以便給各個(gè)數(shù)碼管不同的位選信號(hào)，達(dá)到分時(shí)點(diǎn)亮的目的； 1413 是驅(qū)動(dòng)電路。十個(gè)數(shù)碼管分為兩組，第一組為六個(gè)數(shù)碼管，用以顯示總行 駛里程，其最大顯示值為公里，第二組為四個(gè)數(shù)碼管，用以顯示此次行駛公里， 最大顯示為 9999 公里。本里程表只安排了一個(gè)按鍵，由于所用鍵不多，故采 用獨(dú)立式按鍵，采用查詢方式。按鍵的功能是每按此鍵一次，可以將本次行駛公 里顯示清零，以結(jié)束

27、本次行程計(jì)數(shù)。 磁電式傳感器將汽車變速箱轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng) 過 INT0 要求中斷一次，CPU 響應(yīng)中斷后，采用累加的方式記錄總行駐里程和本 次行駛里程。的轉(zhuǎn)數(shù) n2 為： n2=i1i2nl=7.63 X 0.25X343.7=655.6 轉(zhuǎn)。 磁器電式傳感器轉(zhuǎn)輪上均勻安排 m 個(gè)磁片，所以在汽車行駛時(shí)，由磁電式 傳感器得到的每個(gè)脈沖信號(hào)所代表的行駛距離 S 為：s=1000/n2m(米脈沖)我國 目前應(yīng)用的常用數(shù)值有：624，637 等，幾種。 TO 中斷服務(wù)程序所完成的 工作包括顯示子程序和將里程存人 K2PROM 子程序。 顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示方式。定時(shí)器 0 定

28、時(shí)長度設(shè)為 2ma，每中斷一次， 送一位十進(jìn)制數(shù) BCD 碼給 CD45 重直譯為七段顯示碼驅(qū)動(dòng) LED)數(shù)碼管。在送段 碼的同時(shí)，將有關(guān)位碼經(jīng)送給相關(guān)位，以顯示該位。根據(jù)這樣的安排，每個(gè) LED 數(shù)碼管顯示時(shí)間為 2ms，十個(gè)數(shù)碼管顯示一次共需 20mso 寫 2817A 子 程序是在 TO 定時(shí) 2ms 的基礎(chǔ)上再經(jīng)軟件延時(shí) 303 后，將行駛公里數(shù)存人 2817Ac 本里程表在記憶行駛總里程時(shí)需對(duì) 2817A 頻繁改寫數(shù)據(jù)，因此延長 E2PROM 的使用壽命是里程表成功的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)里程表最大顯示和記憶的公里 數(shù)值為公里，即六位 BCD 碼，共需三個(gè)字節(jié)。第一字節(jié)安排為十公里數(shù)和個(gè)位 公里

29、數(shù)，第二字節(jié)安排為千位公里數(shù)和百位公里數(shù)，第三字節(jié)安排為十萬公里數(shù) 和萬位公里數(shù)。這樣安排下，在第一字節(jié)從 0 寫到 99 時(shí)再加重才向第二字節(jié)產(chǎn) 生進(jìn)位，就是說，第一字節(jié)使用擦除寫入 100 次時(shí)，第二字節(jié)才寫入重次。因此 根據(jù) E2PROM 使用次數(shù)約為重萬次的規(guī)定，在安排 100 個(gè)字節(jié)作為第一字節(jié)可 以對(duì)應(yīng)安排重個(gè)字節(jié)作為第二字節(jié)，若安排 20 個(gè)第二字節(jié)，則可安排 2000 個(gè)第 一字節(jié) c 第三字節(jié)寫入的次數(shù)很少，只安排 3 個(gè)字節(jié)就足夠用了。按照這樣的安 排，一片 2817A 可以使用幾十年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過汽車的安全使用年限。數(shù)據(jù)存入 28C17 的程序流程 見圖 3，T0 中斷為了實(shí)

30、現(xiàn)上述功能。本儀表選用 8031 土單片 機(jī)作力核心控制芯片，并進(jìn)行必要的擴(kuò)展，組成最小微機(jī)系統(tǒng)，以求降低成本。 擴(kuò)展系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖重所示。 3.2.13.2.1 外部存貯器的擴(kuò)展外部存貯器的擴(kuò)展 由于 8031 內(nèi)部設(shè)有程序存貯器，本儀表擴(kuò)展一片 2734 外部程序存貯器。 由于引腳有限。 8031 單片機(jī)的低八位地址踐與數(shù)據(jù)線是合用的，為此選用 373 作為地址鎖存器，以將數(shù)據(jù)和外部地址互相分開。8031 內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù) 據(jù)存貯器，能供存貯數(shù)據(jù)的單元數(shù)目有限，所以還擴(kuò)展了一片。6116 作為外部 數(shù)據(jù)存貯器，以供存貯各項(xiàng)油耗和工時(shí)數(shù)據(jù)。 3.2.23.2.2 輸入輸出接口的

31、擴(kuò)輸入輸出接口的擴(kuò) 儀表要顯示各項(xiàng)油耗量和工時(shí)數(shù)，要有相應(yīng)的指示燈，對(duì)時(shí)鐘要進(jìn)行預(yù)置 飛調(diào)整，為此擴(kuò)展了一片 8255 作為輸入輸出接口。 3.2.33.2.3 顯示器及按鍵設(shè)計(jì)顯示器及按鍵設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)顯示功能，用 8255 的 A 口、B 口及兩片 MC1413 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)六 位數(shù)碼顯示器，以顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)之用，還用 8255 的 C 口高四位及一片 MC1413 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)四個(gè)指示燈，以供指示所顯示數(shù)據(jù)的含義(分別代表日期、時(shí)間、油 耗，工時(shí))。為查看儀表中存貯的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，專門 設(shè)計(jì)一個(gè)顯示安鍵。另有 一個(gè)按鍵是儀表的復(fù)位鍵，以使儀喪的程序從頭開始運(yùn)行。 3.2.43.2.4 其它功能設(shè)計(jì)

32、其它功能設(shè)計(jì) 為使本儀表更適用，在 8255 的 C 口低四位上接有四個(gè)微動(dòng)開關(guān) SK1SK4。改變 4 個(gè)開關(guān)的開、合狀態(tài)后，再按復(fù)位鍵，可以將儀表設(shè)置 成油耗和工時(shí)的檢測(cè)計(jì)量，冬令時(shí)與夏時(shí)的計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘的予置和調(diào)整等不同 工作方式。 儀表中專門設(shè)置了掉電保護(hù)措施，以保證儀表在掉電時(shí)儀表中所保存的各 項(xiàng)數(shù)據(jù)不致丟失和儀表內(nèi)時(shí)鐘間斷地正常運(yùn)行。 3.33.3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 在上述硬件配置的基礎(chǔ)上，編制相應(yīng)的軟件，即可實(shí)現(xiàn)儀表的全部功能。 儀表的檢測(cè)計(jì)量工作過程如下，流量傳感器發(fā)送出來的脈沖信號(hào)送到 8031 的- INTo-，端，8031 以中斷方式自動(dòng)累積其輸入脈沖個(gè)數(shù)。單片機(jī)每秒鐘采

33、集一次 數(shù)據(jù)，進(jìn)行查表運(yùn)算，并且依據(jù)流量大小進(jìn)行數(shù)據(jù)修正(對(duì)流量計(jì)特性進(jìn)行非線 性補(bǔ)償)。然后進(jìn)行各項(xiàng)油牦量的累計(jì)計(jì)算。與此同時(shí)還進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間(包 括怠轉(zhuǎn)工時(shí))的自動(dòng)累積計(jì)算 o 3.3.13.3.1 主程序主程序 主程序的結(jié)構(gòu)框圖見圖 2。首先它完成系統(tǒng)的初始化，包括棧指針設(shè)置，工 作寄存器區(qū)的選擇，8255 工作方式的設(shè)置等。然后讀取開關(guān)狀態(tài)，判斷是否需 要進(jìn)行時(shí)鐘的予置、調(diào)整。若調(diào)整開關(guān)接通(高電平)，表示要進(jìn)行調(diào)整。再依據(jù) 其它三位開關(guān)的狀態(tài)，判斷具體要進(jìn)行哪一項(xiàng)(加或減 1 分鐘飛加或減 1 小時(shí))操 作。若調(diào)整開關(guān)未接通(低電平)，表示儀表將進(jìn)行檢測(cè)計(jì)量工作。此時(shí)，先判斷 本

34、次開機(jī)是否與上次開機(jī)在同一天，若不在同一天，則將上次的日累積(油耗 工時(shí))數(shù)據(jù)清零，若在同一天，則在原先的日累積數(shù)上繼續(xù)進(jìn)行累積。其次判斷 本次開機(jī)是否與上次開機(jī)在同一個(gè)月份，同一年份，其過程與上述日累稠的處理 類同。之后，進(jìn)行各中斷源和定時(shí)器的初始化，打開各中斷源，本儀表即開始進(jìn) 入檢測(cè)計(jì)量工作，并依據(jù)顯示字的內(nèi)容而顯示某一數(shù)據(jù)。 3.3.23.3.2 顯示功能顯示功能 實(shí)現(xiàn)顯示功能的軟件框圖見圖 3。為防止按鍵受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)造成誤 動(dòng)作， 采取了相應(yīng)的去抖動(dòng)防止誤動(dòng)作的措施。在確認(rèn)是鍵按下后， 再判斷巳按過多 少次?并據(jù)此確定出顯示的內(nèi)容和該項(xiàng)內(nèi)容顯示停留的時(shí)間(由 此可達(dá)到一鍵多用的效 圖

35、 2 主程序流程圖 結(jié)果，操作也簡單方便)。之后，才出棧返回中斷處。 3.3.33.3.3 定時(shí)采集，累積功能定時(shí)采集，累積功能 實(shí)現(xiàn)這一功能的軟件框圖如圖 4。本儀表中基本定時(shí)單位是 100ms.當(dāng) 100ms 到時(shí)，先重置定時(shí)常數(shù)，再進(jìn)行壓棧保護(hù)、工作寄存區(qū)選擇。當(dāng) 1s 到時(shí)，進(jìn)行 時(shí)鐘加 1 判斷處理。此時(shí)若有油耗，則依流量大小查出其流量值，進(jìn)行日、月、 年的油耗累積，同時(shí)還進(jìn)行工時(shí)的累積。若無油耗，則不進(jìn)行各項(xiàng)油耗工時(shí)的 累積。此后再根據(jù)輪換顯示標(biāo)志是否為主來判斷顯示何項(xiàng)內(nèi)容及其顯示時(shí)間。最 后出棧返回中斷處。 3.3.43.3.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘 本儀表的實(shí)時(shí)時(shí)鐘由硬件時(shí)鐘和 8

36、031 內(nèi)部定時(shí)器共同組成。硬件部分結(jié)構(gòu) 見圖 1.4 定時(shí)采集，累積程序流程圖 主要有晶振、一片 CD4060，三片 CD4040 和五片 CD4SOS 組成。32.768 kHZ 的晶振脈沖經(jīng)“位計(jì)數(shù)分頻器后輸出周期為 0.5s 的時(shí)鐘脈沖。此脈沖再輸 入到由三片 12 位計(jì)數(shù)器(CD 4040)串行構(gòu)成的 36 位計(jì)數(shù)器(本儀表的高五位未用)。 讀出此計(jì)數(shù)器的值，即可用軟件判斷出本儀表的當(dāng)前時(shí)鐘值。 儀表在通電或按鍵后，8031 直單片機(jī)先通過時(shí)鐘緩沖器(CD4503)讀 出各時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值，再經(jīng)專用軟件判斷出當(dāng)前時(shí)鐘值(年，日飛時(shí)每分。秒)。 此后 8031 內(nèi)部定時(shí)器(T0)也開始工

37、作。儀表所顯示的時(shí)鐘(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)即其內(nèi)部定 時(shí)器在該時(shí)鐘值的基礎(chǔ)上進(jìn)行加重秒判斷后的數(shù)值。這樣就可隨時(shí)為儀表提供準(zhǔn) 確的時(shí)鐘信息，為各項(xiàng)數(shù)據(jù)的累積打下了基礎(chǔ)。 第第 4 章章 故障檢測(cè)故障檢測(cè) 4.14.1 傳感器的故障檢測(cè)傳感器的故障檢測(cè) 4.1.14.1.1 流量傳感器的故障檢測(cè)流量傳感器的故障檢測(cè) 1 維修和常見的故障排除維修和常見的故障排除： 傳感器工作時(shí)葉輪要做高速旋轉(zhuǎn),軸和軸承容易磨損,在使用一段時(shí)間后,由 于磨損而導(dǎo)致傳感器不能正常工作,就應(yīng)及時(shí)更換軸承(或軸)并經(jīng)重新標(biāo)定后才能 使用。 2 常見故障與排除方法常見故障與排除方法: 故障現(xiàn)象故障現(xiàn)象 1顯示儀表無指示可能的原因是

38、1. 從信號(hào)檢測(cè)器到顯示儀表之間的連線斷路或接觸不良. 2. 信號(hào)檢測(cè)器內(nèi)部斷線. 3. 傳感器葉輪被雜質(zhì)阻擋或軸承, 4. 顯示儀表本身故障 排除方法排除方法 1. 檢查線路,使之正常. 2. 更換信號(hào)檢測(cè)器. 3. 拆開傳感器檢查葉輪,對(duì)癥處理. 4. 按顯示儀表說明書排除故障. 2顯示儀表指示值不穩(wěn)定或不符合流量變化的規(guī)律顯示儀表指示值不穩(wěn)定或不符合流量變化的規(guī)律 可能的原因是： 1.有較強(qiáng)的電干擾. 2. 有較強(qiáng)的電磁干擾. 3. 葉輪上掛有臟物或信號(hào)檢測(cè)器下 方殼體內(nèi)壁處有鐵磁性物質(zhì). 4. 軸承磨損嚴(yán)重,葉輪與殼體內(nèi)壁相碰. 5. 流量太小,以至信號(hào)太弱指示值不穩(wěn)定. 排除方法排除

39、方法 1. 采用屏蔽線良好接地,并使信號(hào)線遠(yuǎn)離電力線. 2. 遠(yuǎn)離電磁干擾源. 3. 清除雜物. 4. 更換軸承或軸,修理葉輪. 5. 按傳感器的正常流量工范圍 使用. 3 檢修傳感器時(shí)，要注意內(nèi)部零件的裝配方向，分清流體流入方向，再次裝入時(shí)檢修傳感器時(shí)，要注意內(nèi)部零件的裝配方向，分清流體流入方向，再次裝入時(shí) 不得裝反。不得裝反。 4.1.24.1.2 里程傳感器的故障檢測(cè)里程傳感器的故障檢測(cè) 磁電式車速傳感器是一個(gè)模擬交流信號(hào)發(fā)生器，它們產(chǎn)生交變電流信號(hào)，通常由 帶兩個(gè)接線柱的磁芯及線圈組成。這兩個(gè)線圈接線柱是傳感器輸出的端子，當(dāng)由 鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪(有時(shí)稱為磁組輪)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)，線圈

40、里將產(chǎn)生交流電 壓信號(hào)。 磁組輪上的逐個(gè)齒輪將產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信 號(hào)的振幅(峰對(duì)峰電壓)與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比(車速)，信號(hào)的頻率大小表現(xiàn)于磁 組輪的轉(zhuǎn)速大小。傳感器磁芯與磁組輪間的氣隙大小對(duì)傳感器的輸入信號(hào)的幅度 影響極大，如果在磁組輪上去掉一個(gè)或多個(gè)齒就可以產(chǎn)生同步脈沖來確定上止點(diǎn) 的位置。這會(huì)引起輸出信號(hào)頻率的改變，而在齒減少時(shí)輸出信號(hào)幅度也會(huì)改變， 發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊正是靠這個(gè)同步脈沖信號(hào)來確定觸發(fā)電火時(shí)間或燃油 噴射時(shí)刻的。 測(cè)試步驟測(cè)試步驟 可以將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪頂起，來模擬行駛時(shí)的條件，也可以將汽車示波器的測(cè)試 線加長，在行駛中進(jìn)行測(cè)試。 波形結(jié)果波形結(jié)

41、果 車輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，波形信號(hào)在示波器顯示中心處的零伏平線上開始上下跳動(dòng)，并 隨著車速的提高跳動(dòng)越來越高。波形顯示與例子十分相似，這個(gè)波形是在大約 30 英里/小時(shí)的速度下記錄的，它又不像交流信號(hào)波形，車速傳感器產(chǎn)生的波形 與曲軸和凸輪軸傳感器的波形的形狀特征十分相似的。 通常，波形在零伏線上下的跳變是非常對(duì)稱的，車速傳感器的信號(hào)的振幅隨 車速增加。速度越快波形幅值就越高，而且車速增加，波形頻率也將增加，示波 器將顯示有較多的波形震蕩。 確定振幅、頻率和形狀等關(guān)鍵的尺度是正確的、可重復(fù)的、有規(guī)則的、可預(yù) 測(cè)的。這是指波峰的幅值正常，兩脈沖間的時(shí)間不變，形狀是不變的且可預(yù)測(cè)的， 尖峰高低不平是因傳感器

42、的磁芯與磁組輪相碰所引起的，這可能是有傳感器的軸 襯或傳動(dòng)部件不圓造成的，尖峰丟失是損壞缺點(diǎn)的磁組輪造成的。 不同型式的傳感器，其波形的峰值電壓和形狀有輕微的差異，另外由于傳感 器內(nèi)部是一個(gè)線圈，所以故障是與溫度有關(guān)的，在大多數(shù)情況下波形會(huì)變得短很 多，變形也很大，同時(shí)還可能設(shè)定故障碼(DTC)，故障在示波器上顯示的搖動(dòng)線 束，這可以更進(jìn)一步確定磁電式傳感器是造成故障的根本原因，車速傳感器信號(hào) 輸出最常見的故障是根本不產(chǎn)生信號(hào)，但如果駕駛汽車時(shí)波形是齊直的直線，那 么應(yīng)該先檢查示波器和傳感器的連線，確定電路有沒有對(duì)地搭鐵，確認(rèn)零部件能 否轉(zhuǎn)動(dòng)(塑料齒輪有沒有咬死等)確認(rèn)傳感器氣隙是否正常，然后

43、再斷定傳感器。 4.1.34.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè)單片機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè) 單片機(jī)的抗干擾性問題單片機(jī)的抗干擾性問題 防止干擾最有效的方法是去除干擾源、隔斷干擾路徑，但往往很難做到，所 以只能看單片機(jī)抗干擾能力夠不夠強(qiáng)了。單片機(jī)干擾最常見的現(xiàn)象就是復(fù)位；至 于程序跑飛，其實(shí)也可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)；所以單片 機(jī)軟件抗干擾最重要的是處理好復(fù)位狀態(tài)。 一般單片機(jī)都會(huì)有一些標(biāo)志寄存器，可以用來判斷復(fù)位原因；另外你也可以 自己在 RAM 中埋一些標(biāo)志。在每次程序復(fù)位時(shí)，通過判斷這些標(biāo)志，可以判斷出 不同的復(fù)位原因；還可以根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序 運(yùn)行有連續(xù)性，用戶在使用時(shí)也不會(huì)察覺到程序被重新復(fù)位過。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性 有讀者希望了解用用什么方法來測(cè)試單片機(jī)系