毕业设计(论文)-基于MCS-51单机片的智能油耗和里程计算器设计.doc
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1、摘摘 要要 本文介绍了一种新型的电子式汽车电子式油耗和里程计算器。本文介绍了由 MCS 一 51 系列单片微型计算机构成的智能油耗和里程计算器。该仪表以 8031 单片机为核心,用 8255 设计接口和键盘电路,用 LED 数码管显示汽车总行驶里 程和本次行驶里程由于 8031 内部设有程序存贮器,本仪表扩展一片 2864 外部程 序存贮器。由于引脚有限,8031 单片机的低八位地址践与数据线是合用的,为 此选用 373 作为地址锁存器,以将数据和外部地址互相分开。8031 内部只有 128 字节的数据存贮器,能供存贮数据的单元数目有限,所以还扩展了一片。6264 作为外部数据存贮器,以供存贮
2、各项油耗和工时数据。 ,以及能计量汽车发动机 的燃油消耗总量和即时消耗量 。给出了该仪表的硬件框图和部分软件框图。这 种新型的电子式油耗和里程计算器适用于交通运输、电站以及厂矿油田,建筑工 地等分散作业的船舶和车辆管理工作的需要。该汽车电子表较机械式汽车里程表 具有精度高,误差小,显示清楚醒目,工艺简单等优点。 智能化创造了条件。 作者采用 MCS 一 51 系列单片微型计算机研制成智能电子式油耗和里程计算器, 为汽车企业部门提高管理水平提供了技术手段,对企业节制能源流失、进行成本 核算等具有积极的作用。 关键词关键词:单片机 里程表 油耗表 数字方式 传感器 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 录录 第第 1
6、1 章章 引引 言言5 5 第第 2 2 章章 系统方案选择和总体结构设计系统方案选择和总体结构设计5 5 2.1 数据采集方案的选择.5 2.1.1 流量信号的采集方案.6 2.1.2 里程信号的采集 8 2.2 总体结构设计10 2.2.1 系统结构选择10 2.2.2 系统的工作原理10 第第 3 3 章章 主电路设计主电路设计1111 3.1 仪表功能概述11 3.2 硬件设计12 3.2.1 外部存贮器的扩展13 3.2.2 输入输出接口的扩13 3.2.3 显示器及按键设计13 3.2.4 其它功能设计13 3.3 软件设计14 3.3.1 主程序14 3.3.2 显示功能14 3
7、.3.3 定时采集,累积功能14 3.3.4 实时时钟15 第第 4 4 章章 故障检测故障检测1616 4.1 传感器的故障检测16 4.1.1 流量传感器的故障检测16 4.1.2 里程传感器的故障检测17 4.1.3 单片机系统的故障检测18 结束语结束语1919 谢辞谢辞2020 参参 考考 文文 献献2121 第第 1 1 章章 引引 言言 电子式里程和油耗表具有结构简单,新颖美观,精度高,误差小等优点。近 年来在各种汽车市场上越来越多的得到了应用,随着现在单片机技术的越来越成 熟,科技的进步,许多的汽车产商逐渐采用电子的仪表来取代原有的模拟的模拟 仪表,现在的福特汽车,雪铁龙汽车,
8、和大众汽车等厂商已经采用了数字的油耗 和里程表,这种新型的汽车也逐渐的受到市场的青睐,采用了新的单片机系统后, 汽车的造型更加的美观别致,已经成为市场上的热销产品,本设计就是设计的一 种新型的电子式的油耗的里程计算器。 本设计所采用的信号采集设备是流量传感器的电磁传感器,在石油、化工、 汽车等机械设备中 ,对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过 程自动化的重要组成部分。涡街流量计具有量程宽,无可动部件,运行可靠,维 护简单,压力损失小,具有一定的计量精度等优点。特别是在很宽的范围内,它 的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关,因而受到普遍欢迎。本文介绍应用 MCS 一 51 单片机
9、设计的智能涡街流量计,对涡街流量计固有的非线性进行修正, 并具有显示、打印、检测参数的种类以及数据处理等功能,从而拓宽了涡街流量 计的应用范围。 磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器,它们产生交变电流信号,通 常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子, 当由铁质制成的环状翼轮(有时称为磁组轮)转动经过传感器时,线圈里将产生交 流电压信号。在汽车上磁电式及光电式传感器是应用最多的两种车速传感器,在 欧洲、北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用磁电式传感器来进行车速(VSS)、 曲轴转角(CKP)和凸轮轴转角(CMP)的控制,同时还可以用它来感受其它转动部 位的速度和位
10、置信号等,例如压缩机离合器等。 随着科技的不断发展,数字化的直流调速系统的应用越来越广泛,因为单片 机系统有着传统系统无法比拟的优势,从而简化系统结构,减少了电子元件因为 温度,剧烈震荡等引起的一些故障,而且维修方便。 第第 2 2 章章 系统方案选择和总体结构设计系统方案选择和总体结构设计 2.12.1 数据采集方案的选择数据采集方案的选择 随着电子技术的发展,汽车电子化程度不断提高,通常的机械系统已经难以 解决某些与汽车功能要求有关的问题,而被电子控制系统代替。传感器的作用就 是根据规定的被测量的大小,定量提供有用的电输出信号的部件,亦即传感器把 光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化
11、学量转换成信号的变换器。传感 器作为汽车电控系统的关键部件,它直接影响汽车的技术性能的发挥。目前,普 通汽车上大约装有 10-20 只传感器,高级豪华轿车则更多,这些传感器主要分布 在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。 本设计采用的数据采集方案是流量计采集的流量信号和电磁式速度传感器的 里程信号,在汽油流量的选择上,我们直接把流量计安装在油箱和汽油泵之间, 这样的话,得到的油耗的总量是最准确的。里程信号的采集选用的是磁电式车速 传感器,磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器,它们产生交变电流信号, 通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子, 当由铁质
12、制成的环状翼轮(有时称为磁组轮)转动经过传感器时,线圈里将产生交 流电压信号。 2.1.12.1.1 流量信号的采集方案流量信号的采集方案 流量传感器种类也很多,流量表里常用的有孔板差压式、旋涡式、涡轮式 等。那么,什么是涡轮式流量传感器呢?其实它就是一个小水轮发电机,和水力 发电用的水轮发电机是一个道理。只不过非常小巧而简单,仅仅是由管道里的一 个叶轮和管外的线圈所构成。叶轮上有一小块磁铁,当叶轮被水冲动而旋转时, 线圈切割磁力线就会发出交流信号来。管道里的水流量越大,当然叶轮转得越快, 发出的交流频率就越高。用频率来代表流量,这样就容易传到别处去了,所以这 才称得上是传感器。虽然和水轮发电
13、机原理相同,用途当然不是为了提供电力, 仅仅是传感而已。至于差压式和旋涡式的道理,确实有点一言难尽,就不在这里 细说了。 涡轮流量计:当流体流经涡轮流量传感器时,在流体推力作用下涡轮受力旋转, 其转速与管道平均流速成正比,涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值,检测线 圈中的磁通随之发生周期性变化,产生周期性的电脉冲信号.在一定的流量(雷诺数)范 围内,该电脉冲信号与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比.涡轮流量计 的理论流量方程为: 式中 n 为涡轮转速;qv 为体积流量;A 为流体物性(密度,粘度等),涡轮结构参数(涡 轮倾角,涡轮直径,流道截面积等)有关的参数;B 为与涡轮顶隙,流体流
14、速分布有关 的系数; C 为与摩擦力矩有关的系数. 流体流经传感器壳体,由于叶轮的叶片与流向有一定的角度,流体的冲力使叶 片具有转动力矩克服摩擦力矩和流体阻力矩之后叶片旋转,在力矩平衡后转速稳 定,在一定的条件下,转速与流速成正比,由于叶片有导磁性,它处于信号检测器(由 永久磁钢和线圈组成)的磁场中,旋转的叶片切割磁力线,周期性地改变着线圈的磁 通量,从而使线圈两端感应出电脉冲信号,此信号经过放大器的放大整形,形成有一 定幅度的连续的矩形脉冲波,可远传至显示仪表,显示出流体的容积流量或总量.在 一定的流量范围内,脉冲频率 f 与流经传感器的流体的体积流量 Q 成正比,流量方 程式为: 式中:
15、f脉冲频率Hz k传感器的仪表系数1 / L 由“校验单“给出 Q流体的体积流量(工作状态下)m3/ h 3.6换算系数 本产品采用 LWGY 型的涡轮流量传感器,基于力矩平衡原理,属于速度式流 量仪表。具有结构简单,轻巧,精确度高,复现性好,反应灵敏,安装维修使用 方便,输出脉冲信号,便于信号处理和数字化显示,易于制成有特殊要求的型式 适应各种用户的需要。涡轮流量传感器与显示仪表配套使用,可用来测量封闭管 道中液体(LWGY 型),气体(LWGQ 型)的体积流量或总量。若与具有特殊功能的 显示仪表配套,还可进行定量控制,超量报警等.选用本产品的防爆型式(dBT3 或 ibCT3),可在有爆炸
16、危险的环境中使用。本产品适用于清洁或基本清洁的单相 液体(对 2Cr13 等材质不应腐蚀)的流量或总量测量,也可用作标准仪表来标定其 它流量计,广泛应用于石油、化工、航空、冶金及科研部门。 使用环境条件:环境温度 -20+55,相对湿度 5%95%,大气压力 86106Kpa 。 工作条件: 被测流体温度 防爆型式: -2070 非防爆型式:-20+55,-20+120 供电方式: 依据放大器类型的不同,有三种供电方式 +24VDC 两线制; +24VDC 三线制; -12VDC 三线制 输出信号: 在传感器的规定流量范围内,输出信号的波形是近似的方波,频率范围是 203000Hz.在有爆炸性
17、危险的场所(dBT3 或 ibCT3),应使用相应等级的传感 器。仪表本身不含危险因素。 组成: 传感器由传感器组件(或称本体)和涡轮放大器组成,两者之间的联接杆有长短 两种,短杆流体温度为-20+55,长杆流体温度为-20+120,若涡轮放大器为 防爆结构,则为防爆型;若能测量正,反方向流量,则为双向式;若带插入杆,能安装 在大口径管道中测流体流量,则为插入式.组成关系见表 1,传感器外形见图 1,图 2.对 于防爆型,除了放大器是防爆放大器,壳体带防爆底座以外,其余均同一般型.本说明 书仅对表达 1 中所列的第一种型式的传感器加以说明。 2.1.22.1.2 里程信号的采集里程信号的采集
18、磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器,它们产生交变电流信号,通 常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子, 当由铁质制成的环状翼轮(有时称为磁组轮)转动经过传感器时,线圈里将产生交 流电压信号。 磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲,其形状是一样的。输出信 号的振幅(峰对峰电压)与磁组轮的转速成正比(车速),信号的频率大小表现于磁 组轮的转速大小。传感器磁芯与磁组轮间的气隙大小对传感器的输入信号的幅度 影响极大,如果在磁组轮上去掉一个或多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止点 的位置。这会引起输出信号频率的改变,而在齿减少时输出信号幅度也会改变, 发动机控制电
19、脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃油 喷射时刻的。磁电式车速传感器发出的信号如图所示: 图 2 由于输出的信号十分的微弱,只有 0.6V 左右,而且是交流信号,因此还需 要放大和 AD 转换。放大电路采用双输入双输出差分式放大电路,这样就满足了 流量信号和里程信号的同时处理,基本差分式放大电路如图 3 所示,然后在把它 们的输出端分别接到 8031 的 INT0 和 INT1 端。 图 3 双输入双输出差分式放大电路 2.22.2 总体结构设计总体结构设计 2.2.12.2.1 系统结构选择系统结构选择 这种系统介绍了由 MCS 一 51 系列单片微型计算机构成的智能油耗
20、和里程 计算器。该仪表以 8031 单片机为核心,用 8255 设计接口和键盘电路,用 LED 数码管显示汽车总行驶里程和本次行驶里程由于 8031 内部设有程序存贮器,本 仪表扩展一片 2864 外部程序存贮器。由于引脚有限,8031 单片机的低八位地址 践与数据线是合用的,为此选用 373 作为地址锁存器,以将数据和外部地址互相 分开。8031 内部只有 128 字节的数据存贮器,能供存贮数据的单元数目有限, 所以还扩展了一片。6264 作为外部数据存贮器,以供存贮各项油耗和工时数据。 以及能计量汽车发动机的燃油消耗总量和即时消耗量以及能计量汽车发动机的燃 油消耗总量和即时消耗量, 这种新
21、型的电子式油耗和里程计算器适用于交通运输、 电站以及厂矿油田,建筑工地等分散作业的船舶和车辆管理工作的需要。该汽车 电子表较机械式汽车里程表具有精度高,误差小,显示清楚醒目,工艺简单等优 点。文中给出了该仪表的硬件框和部分软件框图。最小化系统如图 4 所示: 图 4 硬件框图 2.2.22.2.2 系统的工作原理系统的工作原理 在此单片机控制的电子式油耗和里程计算器系统中,流量和里程信号是通过 差分式放大器、A/D 转换器送入计算机,计算机按照已定的控制算法计算产生数 据,通过 LED 显示输出。系统的结构框图如图 5 所示: 图 5 系统的结构框图 第第 3 3 章章 主电路设计主电路设计
22、我们所研究的电子式汽车里程表以 8031 为核心,外接程序存贮器 E PROM 2 2864,磁电式传感器接收汽车行驶而送人的脉冲信号。显示器件采用六位 LED 数码管,显示汽车从出厂到目前行驶总里程,并且此总行驶里程可以永久记忆, 2864 芯片是一种新型的常用 E PROM 芯片。在里程表中我们利用其掉电时信息 2 不丢失,通电时又可方便时改写数据的特点存贮总的行驶里程。 本文介绍了由 MCS 一 51 系列单片微型计算机构成的智能油耗仪。它能自 动计量车售船柴油发动机的燃油捎耗量与工作时数,计算和保存按日月年累计的 数据,智能油耗义适用于交通运输、电站以及厂矿油田,建筑工地等分散作业 的
23、船舶和车辆管理工作的需要。 单片微机具有抗干扰能力强,工作 可靠,体积小,成本低等特点,为仪器、仪表的智能化创造了条件。2 3.13.1 仪表功能概述仪表功能概述 智能油牦仪与容积式流量传感器配套使用,可组成检测记录系统。智能油 耗仪由车船上 12V 直流电源供电。仪表具有断电保护功能,在更换蓄电池和其 它缘由引起断电时,能够继续保存所有储存的数据。智能油耗仪已在江苏石油勘 探局油田建设处的四艘小型运输船上安装运行,运行结果表明该仪表巳达到原设 计要求,工作稳定可靠。经镇计量研究所检定(检定证书力流字第 90 置 11 、90112 号),仪表计量精度达到 0.5 级. 仪表由六位数码显示数据
24、,即最 大计量容量为 999999 升(也可设置小数位)和 9999 小的,59 分。 仪表计量并积 存的油托量有当日的、当月的、当年的油耗累积量。 仪表计量并积存的工时数有当日的、当月的、当年的工时累积数。 仪表处于巡回显示方式时,能轮流显示上列六项内容的数据。仪表处于固定 显示方式时,能选择某项内容固定长期显示。 仪表还可作日常电子钟使用,显示时,分、秒或年、月,日。 仪表的抗干扰能力与适应性能满足船舶及工程车辆工作环境条件的要求 o 3.23.2 硬件设计硬件设计 为了满足交通运输、电站设备以及厂矿、油田、建筑工地等分散作业的船舶 和车辆(包括工程车船)管理工作的需要,作者采用 MCS
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