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一種便攜式汽油標號檢測儀的設(shè)計
摘要：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(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：電容CAN總線RTOS面向?qū)ο?br />
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(yīng)用的需要。
�。睖y量方案的實現(xiàn)
１.１設(shè)計原理
�。�.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。
�。�.１.２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(xué)知識可知，平行板間的電容為：
�。茫溅牛啊う牛颉ぃ樱�
其中?熏ε０＝８．８５４１５×１０－１２Ｆ／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：
�。茫埃溅牛啊う牛颍啊ぃ樱�
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：
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于是有：
Ｃ／Ｃ０＝εｒｎ·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：
�。伲睿剑伲埃搿う牛颍�
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。
�。保灿布O(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±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
�。保担プ�?yōu)椋福担�，大概每伏特變化１５％。當ＶＤＡＤＪ超過±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％±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。
�。停粒兀埃常傅妮敵鲱l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?xí)r，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(yīng)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。
�。保耻浖O(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(fù)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（ＲｅａｌＴｉｍｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的軟件。ＲＴＯＳ的特點就是多任務(wù)，可以許多個任務(wù)同時存在，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，進行任務(wù)切換。多任務(wù)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。
�。茫校漳K包含以下任務(wù)：
(１)ＣＡＮ管理任務(wù)，負責(zé)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(wù)，負責(zé)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(wù)，負責(zé)發(fā)送或接收一個ＣＡＮ幀。
(４)２３２中斷任務(wù)，負責(zé)發(fā)送或接收一個２３２幀。
(５)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，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(yīng)數(shù)據(jù)包，等待２３２／ＣＡＮ的發(fā)送狀態(tài)返回信息。
�、鄯治鼋邮盏降模玻常玻茫粒螖�(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(wù)，定時執(zhí)行以下操作（兩次刷新間隔５００ｍｓ）：
�、僮x取外界模擬量，并寫到實時數(shù)據(jù)庫。
�、谧x取外界開關(guān)量，并寫到實時數(shù)據(jù)庫。
�、圩x取實時數(shù)據(jù)庫，并輸出開關(guān)量和模擬量。
�、苷{(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(wù)，定時刷新看門狗（兩次刷新間隔５００ｍｓ）。
(８)打印任務(wù)，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(wù)，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）。
�。ǎ保埃┳詣訖z測任務(wù)，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）。
�。牛茫校瞻逍盘柫鞒倘鐖D３所示。
ＬＣＤ模塊包含以下任務(wù)：
(１)ＣＡＮ中斷處理任務(wù)，負責(zé)接收發(fā)送一個ＣＡＮ幀。
(２)ＣＡＮ管理任務(wù)，負責(zé)發(fā)送接收一個Ｍｏｄｂｕｓ數(shù)據(jù)包，同時負責(zé)ＬＣＤ與ＣＰＵ的通信。
(３)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，負責(zé)Ｍｏｄｂｕｓ命令與需求間的解釋。
(４)刷新任務(wù)（間隔５００ｍｓ），負責(zé)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(wù)，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。
�、诜治鲦I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。
�、鄯治鲦I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。
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�。牛蹋茫陌逍盘柫鞒倘鐖D４所示。
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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(yīng)用到其它非油介質(zhì)的絕緣材料的檢測中。
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