韓紅芳，孫守昌，林康紅

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213026)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)進(jìn)入普通居民家中，因此汽車所用汽油的油品問題越來越受到人們的重視。隨著汽油市場的開放，汽油的進(jìn)貨渠道不同，汽油的質(zhì)量也有所不同。汽車加油時如果油品不對，會對汽車選成很大的傷害，影響消費者的利益，加大環(huán)境污染，更重要的是會危及到人的生命，因此研究一套高精度的汽車油品測量儀具有重要的作用。

1 油品測量傳感器的設(shè)計

車用汽油是按照其辛烷值的高低以標(biāo)號來區(qū)分的，汽油的辛烷值不同其介電常數(shù)也不同，辛烷值大的汽油介電常數(shù)也大。如果能測定介電常數(shù)，就可以計算出辛烷值。介電常數(shù)的變化可用電容的容值變化來測定。因此本系統(tǒng)采用了一個平行板電容式傳感器，若不考慮溫度等的影響，兩極板間的電容如式(1)所示。

從式(1)可以看出，當(dāng)面積S和極板之間的距離d確定不變時(不考慮邊沿效應(yīng)和漏電)，C是ε的函數(shù)。如果能測量出C大小，則可以計算出ε，從而可以得到汽油的油號。

但電容的變化仍不易直接測量，因此本系統(tǒng)采用C/F變換電路把電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化，用單片機(jī)的計數(shù)和定時功能測量頻率，根據(jù)頻率和辛烷值的函數(shù)關(guān)系來計算汽油的辛烷值。轉(zhuǎn)換電路選用NE555芯片組成一個多諧振蕩器完成C/F變換，該芯片的最高工作頻率為500 kHz。C/F變換電路如圖1所示。轉(zhuǎn)換后頻率公式為：

本系統(tǒng)中采用AT89C51作為主控制器。單片機(jī)采用12 MHz的晶振，因此定時器所能識別的最高頻率為500 kHz。選擇R1和R2時應(yīng)滿足如下公式：

圖1 C/F轉(zhuǎn)換電路

但是當(dāng)環(huán)境溫度變化時，傳感器的幾何形狀和尺寸會發(fā)生變化，從而引起電容量變化，電容傳感器受環(huán)境溫度的影響必然引起測量誤差。因此，需要加入溫度檢測環(huán)節(jié)，根據(jù)檢測的溫度對系統(tǒng)進(jìn)行補償。本系統(tǒng)所用溫度傳感器為集成的溫度傳感器DS18B20。

DS18B20測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

因傳感器的電容值在幾十pF量級，寄生電容和分布電容的影響不可忽略，硬件設(shè)計時應(yīng)盡量減小引線的長度，C/F變換器接近電容傳感器，有利于減少寄生電容和分布電容對傳感器電容的影響。另外，設(shè)計電路板時C/F變換器部分要填充處理，減少干擾對測量的影響。

2 硬件電路的設(shè)計

油品檢測儀硬件電路圖如圖2所示。本系統(tǒng)中采用AT89C51為主控制器。經(jīng)NE555轉(zhuǎn)換的與介電常數(shù)相關(guān)的頻率信號接到AT89C51的P3.5口，由單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器對該端口的頻率信號進(jìn)行測量。同時溫度傳感器DS18B20接到P3.0口，通過對P3.0口進(jìn)行讀取得到當(dāng)前的溫度，以進(jìn)行溫度補償。本系統(tǒng)中通過4位LED進(jìn)行顯示。4位LED數(shù)碼管在實驗期間用來顯示電容值，而在系統(tǒng)工作后用來顯示汽油的油號。電路中的P1.2和P1.5分別接LED和SPEAKER。當(dāng)汽油的油號低于或者高于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)通過聲光進(jìn)行報警。

3 軟件設(shè)計

圖2 油品檢測儀硬件電路圖

其中T為測量的溫度值，C為測量的電容值，B為測量值與實際值間的偏差。

在系統(tǒng)投入使用之前，實測電容傳感器m組數(shù)據(jù)為：(T1，C1，y1)，(T2，C2，y2)，(T3，C3，y3)， …，(Tm，Cm，ym)，其中Ti為第i個測量時的溫度值，Ci為第i個被測電容值，yi為第i個被測辛烷值。根據(jù)多元線性回歸，通過建立殘差平方和來確定系數(shù)的“最佳值”：

分別對未知的參數(shù)取偏微分得：

令這些偏微分等于零，這樣得到的系數(shù)就是殘差平方和最小時的系數(shù)值。采用矩陣形式表示為

由式(7)計算出多項式系數(shù)，由多項式算出各實測電容值的辛烷值。

測量系統(tǒng)投入運行后，測量時用單片機(jī)的定時器進(jìn)行50 ms的定時，記定時時間內(nèi)C/F變換器發(fā)出的脈沖個數(shù)，用于計算頻率值，再用式(2)計算被測汽油的電容值，結(jié)果代入到辛烷值與電容值的擬合多項式(4)中，計算出汽油的辛烷值。

為了提高測量精度，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在系統(tǒng)中采用了軟件抗干擾的方法。在測量頻率信號時，對于每個頻率信號測量10次，測量完后通過算術(shù)平均濾波的方法得到該測量的頻率值。系統(tǒng)具體的軟件流程圖如圖3所示。

4 測試結(jié)果

通過對市場上出售的汽油進(jìn)行采樣測試，結(jié)果如圖4所示?？梢姕y試結(jié)果存在一定的非線性，原因可能是標(biāo)定的汽油的辛烷值并不是整90#或97#，這是因為汽油在出廠定標(biāo)時采用的是分級的近似方法。

圖3 軟件主流程圖

圖4 實驗數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計的高精度油品智能檢測儀，選用低功耗的微處理器，通過電容傳感器測量汽油的介電常數(shù)，同時考慮到溫度的影響，將溫度傳感器集成到電容傳感器內(nèi)，準(zhǔn)確測量被測介質(zhì)的溫度，保證溫度補償?shù)膶崟r性。研究結(jié)果表明，使用該傳感器對汽油的標(biāo)號進(jìn)行檢測是可行的，多次測試其精度為±0.5個標(biāo)號，能夠滿足一般分辨油品標(biāo)號的需求，且整套測試系統(tǒng)成本低廉，能夠快速測試，可以降低測試的成本，提高效率。整個系統(tǒng)信號采用數(shù)字量進(jìn)行傳輸，比較適合用于遠(yuǎn)距離傳輸，因此該系統(tǒng)還可以用于油品的在線檢測和控制。

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