作者：廖東南，朱善君，孫新亞，吉吟東

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?

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?

1 測量方案的實現(xiàn)

1.1 設(shè)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(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：

C=ε0%26;#183;εr%26;#183;S/b

其中？熏ε0=8.85415%26;#215;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：

C0=ε0%26;#183;εr0%26;#183;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%26;#183;εrn%26;#183;S/b

于是有：

C/C0=εrn%26;#183;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：

Yn=Y0-k%26;#183;εrn

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?

1.2 硬件設(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%26;#177;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15%變?yōu)?5%，大概每伏特變化15%?當(dāng)VDADJ超過%26;#177;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%%26;#177;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?

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(dāng)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(dāng)10μA≤IIIN≤400μA時，MAX038達到最佳工作性能?所以，當(dāng)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?

1.3 軟件設(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（Real Time Operation System）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?

CPU模塊包含以下任務(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?

③分析接收到的232/CAN數(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）：

①讀取外界模擬量，并寫到實時數(shù)據(jù)庫?

②讀取外界開關(guān)量，并寫到實時數(shù)據(jù)庫?

③讀取實時數(shù)據(jù)庫，并輸出開關(guān)量和模擬量?

④調(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）?

（10）自動檢測任務(wù)，根據(jù)當(dāng)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）?

ECPU板信號流程如圖3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?

②分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)RAM區(qū)中的LCD控制信息，從CPU上讀取動態(tài)信息?

③分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)RAM區(qū)中的LCD控制信息，刷新CPU上的動態(tài)信息?

④刷新LCD?

ELCD板信號流程如圖4所示?

2 主要性能指標

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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