??? 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" title="檢測儀">檢測儀,對該系統的測量原理和控制器的硬件結構進行了說明,介紹了軟件主流程結構及其模塊化設計。通過與傳統油介質檢測方法的比較,說明了該系統各項性能的優越性及其廣泛的應用價值。?

??? 關鍵詞: 電容? CAN總線? RTOS? 面向對象

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??? 隨著近年來我國經濟的快速發展,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動機;于是,對汽油標號的檢測就變得重要起來。為此,設計了一種便攜式油介質檢測儀,用它可以實現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?

1.1 設計原理?

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?

??? 現采用電容電測的方法,以電容為傳感器,以相對介電常數" title="介電常數">介電常數為相關變量,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創造了有利條件。?

??? 由電工學知識可知,平行板間的電容為:?

??? C=ε₀·ε_r·S/b?

??? 其中,ε₀=8.85415×10^-12F/m,為真空的介電常數;ε_r為相對介電常數(在空氣中ε_r0≈1)。?

??? 平行板電容式傳感器在空氣中的電容為:?

??? C₀=ε₀·ε_r0·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·ε_rn·S/b?

??? 于是有:?

??? C/C₀=ε_rn·ε_r0≈ε_rn?

??? 所以,汽油的相對介電常數ε_rn約等于同一傳感器以汽油為介質時的電容值C與以空氣為介質的電容值C₀之比。對同一品質的汽油,該比值為一常數。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ε_rn。?

??? 通過大量實測數據,得出汽油的辛烷值Y_n與其相對介電常數ε_rn之間存在著函數關系,即:?

??? Y_n=Y₀-k·ε_rn?

??? 其中,k為斜率參數;Y₀為截距參數。?

??? 這些參數需要根據實際環境在現場由試驗標定設置。?

1.2 硬件設計?

??? 本裝置的測量原理框圖如圖1所示。?

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??? 這里選用了MAX038高頻精密波形發生器作為整個電路的核心器件,產生高頻方波。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" title="正弦波">正弦波、鋸齒波、方波和脈沖波;頻率和占空比" title="占空比">占空比獨立調節;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的電壓來調節。?

??? 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,V_DADJ=0V,占空比為50%。V_DADJ從+2.3V變到-2.3V時,占空比從15%變為85%,大概每伏特變化15%。當V_DADJ超過±2.3V時,將使頻率漂移,并引起不穩定。調節引腳DADJ上的電壓可以減少正弦波的失真。未調整時(V_DADJ=0V)的占空比為50%±2%,若對V_DADJ加一個小的調整電壓(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V_FADJ=0V時,輸出頻率F₀=I_IIN/C,則周期T₀=C/I_IIN。其中,I_IIN為輸入IIN引腳的電流(2μA～750μA),C為COSC所接的電容(10pF～200pF)。當10μA≤I_IIN≤400μA時,MAX038達到最佳工作性能。所以,當需要固定頻率時,取I_IIN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產生的是高頻信號,很難直接進行計數和相應的計算,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。?

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1.3 軟件設計?

??? 普通的單片機軟件都是采用一種前后臺的編程方式,后臺采用死循環輪詢的方式,前臺處于等待中斷的狀態,一旦中斷發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,整個系統就會處于死機狀態。為此選擇在RTOS(Real Time Operation System)基礎上構建系統的軟件。RTOS的特點就是多任務,可以許多個任務同時存在,根據一定的調度規則,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,可以發送/接收一個Modbus的數據包。?

??? (2)232管理任務,負責CPU和上位機的通信,可以發送/接收一個Modbus的數據包。?

??? (3)CAN中斷任務,負責發送或接收一個CAN幀。?

??? (4)232中斷任務,負責發送或接收一個232幀。?

??? (5)Modbus任務,可以執行以下操作。?

??? ①接收一個232/CAN的數據包。?

??? ②發送一個232/CAN的響應數據包,等待232/CAN的發送狀態返回信息。?

??? ③分析接收到的232/CAN數據包中的內容,對實時數據庫" title="實時數據庫">實時數據庫和歷史數據庫進行讀寫操作,或者搜索操作。?

??? (6)I/O時鐘任務,定時執行以下操作(兩次刷新間隔500ms):?

??? ①讀取外界模擬量,并寫到實時數據庫。?

??? ②讀取外界開關量,并寫到實時數據庫。?

??? ③讀取實時數據庫,并輸出開關量和模擬量。?

??? ④調整系統的時間。刷新系統的時候要求獨占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,每次存儲一個內存塊,獨占CPU(兩個內存塊間隔100ms)。?

??? (10)自動檢測任務,根據當前系統的狀態執行自動檢測控制邏輯,調節數據庫,達到控制所有I/O的目的(兩次調節相差1s)。?

??? ECPU板信號流程如圖3所示。?

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??? LCD模塊包含以下任務:?

??? (1)CAN中斷處理任務,負責接收發送一個CAN幀。?

??? (2)CAN管理任務,負責發送接收一個Modbus數據包,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板上的數據庫讀取數據,刷新RAM區中的LCD動態信息,然后刷新LCD。?

??? (5)鍵盤任務,它可以執行以下內容(間隔300ms):?

??? ①分析鍵盤捕獲的按鍵,改變RAM區中的LCD控制信息。?

??? ②分析鍵盤捕獲的按鍵,根據RAM區中的LCD控制信息,從CPU上讀取動態信息。?

??? ③分析鍵盤捕獲的按鍵,根據RAM區中的LCD控制信息,刷新CPU上的動態信息。?

??? ④刷新LCD。?

??? ELCD板信號流程如圖4所示。?

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2 主要性能指標?

??? 該系統測量電容范圍在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,從而實現等電位傳輸技術。?

??? 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的檢測,并可以進一步應用到其它非油介質的絕緣材料的檢測中。?

參考文獻?

1 孫凱英.汽油辛烷值測試方法的研究.化學與粘合,2000(1)?

2 江太輝.高頻波形發生器MAX038的特性及應用.電子技術,1999(7)