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一種便攜式汽油標號檢測儀的設計
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，對該系統的測量原理和控制器的硬件結構進(jìn)行了說(shuō)明，介紹了軟件主流程結構及其模塊化設計。通過(guò)與傳統油介質(zhì)檢測方法的比較，說(shuō)明了該系統各項性能的優(yōu)越性及其廣泛的應用價(jià)值。隨著(zhù)近年來(lái)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車(chē)逐漸走入普通家庭，人們對汽油的消費也多了起來(lái)。由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機對汽油的指標有嚴格的限制，使用指標不合格的汽油會(huì )損壞發(fā)動(dòng)機；于是，對汽油標號的檢測就變得重要起來(lái)。為此，設計了一種便攜式油介質(zhì)檢測儀，用它可以實(shí)現對汽油標號的實(shí)時(shí)檢測，從而滿(mǎn)足了市場(chǎng)上實(shí)際應用的需要。
１ 測量方案的實(shí)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(guò)與異辛烷比較來(lái)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(dòng)性好、揮發(fā)性強，這些特點(diǎn)為使用電容式傳感器直接測量其相對介電常數創(chuàng )造了有利條件。
由電工學(xué)知識可知，平行板間的電容為：
Ｃ＝ε０·εｒ·Ｓ／ｂ
其中?熏ε０＝８．８５４１５×１０－１２Ｆ／ｍ,為真空的介電常數；εｒ為相對介電常數(在空氣中εｒ０≈１)。
平行板電容式傳感器在空氣中的電容為：
Ｃ０＝ε０·εｒ０·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·εｒｎ·Ｓ／ｂ
于是有：
Ｃ／Ｃ０＝εｒｎ·εｒ０≈εｒｎ
所以，汽油的相對介電常數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。對同一品質(zhì)的汽油，該比值為一常數。于是，可以通過(guò)測定浸入待測油品中的電容傳感器的電容值Ｃ來(lái)得到待測汽油的相對介電常數εｒｎ。
圖2 電路原理圖
通過(guò)大量實(shí)測數據，得出汽油的辛烷值Ｙｎ與其相對介電常數εｒｎ之間存在著(zhù)函數關(guān)系，即：
Ｙｎ＝Ｙ０－ｋ·εｒｎ
其中，ｋ為斜率參數；Ｙ０為截距參數。
這些參數需要根據實(shí)際環(huán)境在現場(chǎng)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。
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(guò)恒定電流對電容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)調節。
輸出波形的占空比可以通過(guò)對引腳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１５％變?yōu)椋福担�，大概每伏特變化１５％。當ＶＤＡＤＪ超過(guò)±２．３Ｖ時(shí)，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(shí)（ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ）的占空比為５０％±２％，若對ＶＤＡＤＪ加一個(gè)小的調整電壓（不大于１００ｍＶ），則可以使波形準確對稱(chēng)，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１０μＡ≤ＩＩＩＮ≤４００μＡ時(shí)，ＭＡＸ０３８達到最佳工作性能。所以，當需要固定頻率時(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)減小其它雜散信號的耦合。
由于ＭＡＸ０３８產(chǎn)生的是高頻信號，很難直接進(jìn)行計數和相應的計算，所以必須對ＭＡＸ０３８的輸出信號進(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。
具體電路如圖２所示。
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(huán)輪詢(xún)的方式，前臺處于等待中斷的狀態(tài)，一旦中斷發(fā)生就會(huì )打斷后臺的輪詢(xún)。這種方式將各種情況的處理混雜在一起，使得軟件的復雜度大大增加，編寫(xiě)和維護都很困難，而且任何一個(gè)部分出了問(wèn)題，整個(gè)系統就會(huì )處于死機狀態(tài)。為此選擇在ＲＴＯＳ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）基礎上構建系統的軟件。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，根據一定的調度規則，進(jìn)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(xiě)。
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(wù)：
(１)ＣＡＮ
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