作者：廖東南，朱善君，孫新亞，吉吟東

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?

隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車逐漸走入普通家庭，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)，從而滿足了市場(chǎng)上實(shí)際應(yīng)用的需要?

1 測(cè)量方案的實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)原理

1.1.1 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?

1.1.2 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：

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(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：

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(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：

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(shí)際環(huán)境在現(xiàn)場(chǎng)由試驗(yàn)標(biāo)定設(shè)置?

1.2 硬件設(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?

MAX038的工作電壓為%26;#177;5V，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15%變?yōu)?5%，大概每伏特變化15%?當(dāng)VDADJ超過(guò)%26;#177;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%%26;#177;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，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(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時(shí)，MAX038達(dá)到最佳工作性能?所以，當(dāng)需要固定頻率時(shí)，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(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?

1.3 軟件設(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?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(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（Real Time Operation System）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?

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(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?

①接收一個(gè)232/CAN的數(shù)據(jù)包?

②發(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?

③分析接收到的232/CAN數(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）：

①讀取外界模擬量，并寫到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)?

②讀取外界開(kāi)關(guān)量，并寫到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)?

③讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸出開(kāi)關(guān)量和模擬量?

④調(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）存盤任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行存盤，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）?

（10）自動(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）?

ECPU板信號(hào)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(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(dòng)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(dòng)態(tài)信息?

④刷新LCD?

ELCD板信號(hào)流程如圖4所示?

2 主要性能指標(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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