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一種便攜式汽油標(biāo)號(hào)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種由C51單片機(jī)控制的便攜式汽油標(biāo)號(hào)檢測(cè)儀，對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)量原理和控制器的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，介紹了軟件主流程結(jié)構(gòu)及其模塊化設(shè)計(jì)。通過(guò)與傳統(tǒng)油介質(zhì)檢測(cè)方法的比較，說(shuō)明了該系統(tǒng)各項(xiàng)性能的優(yōu)越性及其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：電容CAN總線(xiàn)RTOS面向?qū)ο?br />
隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)逐漸走入普通家庭，人們對(duì)汽油的消費(fèi)也多了起來(lái)。由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽油的指標(biāo)有嚴(yán)格的限制，使用指標(biāo)不合格的汽油會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)；于是，對(duì)汽油標(biāo)號(hào)的檢測(cè)就變得重要起來(lái)。為此，設(shè)計(jì)了一種便攜式油介質(zhì)檢測(cè)儀，用它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油標(biāo)號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而滿(mǎn)足了市場(chǎng)上實(shí)際應(yīng)用的需要。
�。睖y(cè)量方案的實(shí)現(xiàn)
�。�.１設(shè)計(jì)原理
�。�.１.１背景知識(shí)
汽油的標(biāo)號(hào)是由其辛烷值確定的。辛烷值是測(cè)定汽油抗震性能的一種指標(biāo)，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(guò)與異辛烷比較來(lái)確定的，如９３號(hào)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(cè)的方法，以電容為傳感器，以相對(duì)介電常數(shù)為相關(guān)變量，間接測(cè)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(dòng)性好、揮發(fā)性強(qiáng)，這些特點(diǎn)為使用電容式傳感器直接測(cè)量其相對(duì)介電常數(shù)創(chuàng)造了有利條件。
由電工學(xué)知識(shí)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?yàn)橄鄬?duì)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：
�。茫溅牛啊う牛颍睢ぃ樱�
于是有：
�。茫茫埃溅牛颍睢う牛颍啊枝牛颍�
所以，汽油的相對(duì)介電常數(shù)εｒｎ約等于同一傳感器以汽油為介質(zhì)時(shí)的電容值Ｃ與以空氣為介質(zhì)的電容值Ｃ０之比。對(duì)同一品質(zhì)的汽油，該比值為一常數(shù)。于是，可以通過(guò)測(cè)定浸入待測(cè)油品中的電容傳感器的電容值Ｃ來(lái)得到待測(cè)汽油的相對(duì)介電常數(shù)εｒｎ。
圖2電路原理圖
通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出汽油的辛烷值Ｙｎ與其相對(duì)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(shí)際環(huán)境在現(xiàn)場(chǎng)由試驗(yàn)標(biāo)定設(shè)置。
�。保灿布O(shè)計(jì)
本裝置的測(cè)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(gè)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(dú)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。
�。停粒兀埃常傅墓ぷ麟妷簽椤溃担�，其基本振蕩器是一種通過(guò)恒定電流對(duì)電容Ｃ進(jìn)行交替充放電的張弛振蕩器，同時(shí)產(chǎn)生三角波和方波。充放電電流由流入引腳ＩＩＮ的電流來(lái)控制，由施加在引腳ＦＡＤＪ和引腳ＤＡＤＪ的電壓來(lái)調(diào)節(jié)。
輸出波形的占空比可以通過(guò)對(duì)引腳ＤＡＤＪ施加電壓來(lái)控制。在正常情況下，ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ，占空比為５０％。ＶＤＡＤＪ從＋２．３Ｖ變到－２．３Ｖ時(shí)，占空比從
�。保担プ�?yōu)椋福担�，大概每伏特變化１５％。�?dāng)ＶＤＡＤＪ超過(guò)±２．３Ｖ時(shí)，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(shí)（ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ）的占空比為５０％±２％，若對(duì)ＶＤＡＤＪ加一個(gè)小的調(diào)整電壓（不大于１００ｍＶ），則可以使波形準(zhǔn)確對(duì)稱(chēng)，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(dāng)ＶＦＡＤＪ＝０Ｖ時(shí)，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(dāng)１０μＡ≤ＩＩＩＮ≤４００μＡ?xí)r，ＭＡＸ０３８達(dá)到最佳工作性能。所以，當(dāng)需要固定頻率時(shí)，�。桑桑桑螢椋保埃唉蹋�。電容必須用短引線(xiàn)，盡量減小分布電容的影響。在ＣＯＳＣ引腳及其引線(xiàn)周?chē)靡粋�(gè)接地平面來(lái)減小其它雜散信號(hào)的耦合。
由于ＭＡＸ０３８產(chǎn)生的是高頻信號(hào)，很難直接進(jìn)行計(jì)數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算，所以必須對(duì)ＭＡＸ０３８的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。在這里，選用了兩片７３ＨＣ３９３進(jìn)行分頻，從而得到便于處理的方波信號(hào)。
具體電路如圖２所示。
�。保耻浖O(shè)計(jì)
普通的單片機(jī)軟件都是采用一種前后臺(tái)的編程方式，后臺(tái)采用死循環(huán)輪詢(xún)的方式，前臺(tái)處于等待中斷的狀態(tài)，一旦中斷發(fā)生就會(huì)打斷后臺(tái)的輪詢(xún)。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(xiě)和維護(hù)都很困難，而且任何一個(gè)部分出了問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)處于死機(jī)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(diǎn)就是多任務(wù)，可以許多個(gè)任務(wù)同時(shí)存在，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行任務(wù)切換。多任務(wù)使得ＣＰＵ的利用率達(dá)到了最大，并且使軟件最大程度地模塊化，便于編寫(xiě)。
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(fù)責(zé)ＣＰＵ和ＬＣＤ板的通信，可以發(fā)送／接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。
(２)２３２管理任務(wù)，負(fù)責(zé)ＣＰＵ和上位機(jī)的通信，可以發(fā)送／接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。
(３)ＣＡＮ中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個(gè)ＣＡＮ幀。
(４)２３２中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個(gè)２３２幀。
(５)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，可以執(zhí)行以下操作。
�、俳邮找粋�(gè)２３２／ＣＡＮ的數(shù)據(jù)包。
�、诎l(fā)送一個(gè)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(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，或者搜索操作。
(６)Ｉ／Ｏ時(shí)鐘任務(wù)，定時(shí)執(zhí)行以下操作（兩次刷新間隔５００ｍｓ）：
�、僮x取外界模擬量，并寫(xiě)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。
�、谧x取外界開(kāi)關(guān)量，并寫(xiě)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。
�、圩x取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸出開(kāi)關(guān)量和模擬量。
�、苷{(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間。刷新系統(tǒng)的時(shí)候要求獨(dú)占ＣＰＵ。
(７)時(shí)間任務(wù)，定時(shí)刷新看門(mén)狗（兩次刷新間隔５００ｍｓ）。
(８)打印任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行打印，每次打印一個(gè)字符（兩個(gè)字符間隔１００ｍｓ）。
(９)存盤(pán)任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行存盤(pán)，每次存儲(chǔ)一個(gè)內(nèi)存塊，獨(dú)占ＣＰＵ（兩個(gè)內(nèi)存塊間隔１００ｍｓ）。
�。ǎ保埃┳詣�(dòng)檢測(cè)任務(wù)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)控制邏輯，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)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�(hào)流程如圖３所示。
�。蹋茫哪K包含以下任務(wù)：
(１)ＣＡＮ中斷處理任務(wù)，負(fù)責(zé)接收發(fā)送一個(gè)ＣＡＮ幀。
(２)ＣＡＮ管理任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ數(shù)據(jù)包，同時(shí)負(fù)責(zé)ＬＣＤ與ＣＰＵ的通信。
(３)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，負(fù)責(zé)Ｍｏｄｂｕｓ命令與需求間的解釋。
(４)刷新任務(wù)（間隔５００ｍｓ），負(fù)責(zé)從ＣＰＵ板上的數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，刷新ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ動(dòng)態(tài)信息，然后刷新ＬＣＤ。
(５)鍵盤(pán)任務(wù)，它可以執(zhí)行以下內(nèi)容（間隔３００ｍｓ）：
�、俜治鲦I盤(pán)捕獲的按鍵，改變ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息。
�、诜治鲦I盤(pán)捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，從ＣＰＵ上讀取動(dòng)態(tài)信息。
�、鄯治鲦I盤(pán)捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，刷新ＣＰＵ上的動(dòng)態(tài)信息。
�、芩⑿拢蹋茫�。
�。牛蹋茫陌逍盘�(hào)流程如圖４所示。
�。仓饕阅苤笜�(biāo)
該系統(tǒng)測(cè)量電容范圍在１０ｐＦ～２００ｐＦ之間，測(cè)量誤差小于５％，一次測(cè)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(cè)量的精度，仍需采取恒溫、防潮、屏蔽和接地等措施。必要時(shí)，還可以考慮采取雙屏蔽，從而實(shí)現(xiàn)等電位傳輸技術(shù)。
本裝置不僅適用于無(wú)鉛汽油和含鉛汽油，同時(shí)也適用于其它多種油介質(zhì)的檢測(cè)，并可以進(jìn)一步應(yīng)用到其它非油介質(zhì)的絕緣材料的檢測(cè)中。
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