李 浩 薛金林 石慧珺 石 衛(wèi) 劉淵博 劉 凱 孫曙光

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院，南京 210031)

0 引言

隨著汽車保有量的快速增加，石油(汽油、柴油)等非可再生資源的逐漸減少，人們環(huán)境保護的意識逐漸加強，要求限制車輛用油量的呼聲越來越強烈[1]。因此，在燃油價格居高不下且新能源的廣泛應用仍需時日的情況下，節(jié)省油耗已經(jīng)成為一種必然的趨勢。為此，汽車制造廠商極力研究與開發(fā)低油耗車輛，但是燃油的節(jié)省不僅與車輛本身的低油耗特性有關，還與駕駛員的駕駛技能有直接關系。目前，少數(shù)電噴汽油車上配有燃油消耗實時顯示裝置，通過此裝置駕駛員可以實時了解車輛的油耗，有助于駕駛員改善駕駛技能。但是這些裝置不具有通用性，也不具有駕駛技能的主動提示作用。

根據(jù)噴油脈寬與油耗量之間存在一定的關系,本文設計出能夠?qū)崟r測量與顯示百公里油耗的裝置。通過簡單調(diào)校，該裝置可以應用于任何一款電噴車輛。通過燃油消耗量的實時顯示，讓駕駛員實時了解車輛的燃油消耗，特別是當燃油消耗量較高時具有提示功能，提醒駕駛員注意自己的駕駛行為，促進燃油經(jīng)濟性與排放的改善。另外，通過該裝置可以對車輛油耗進行檢測，為車輛的維修提供依據(jù)。

1 總體設計

1.1 測量與顯示裝置總體設計

系統(tǒng)以單片機控制系統(tǒng)為核心，輔以電源模塊、信號處理模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊以及報警系統(tǒng)等模塊。系統(tǒng)由汽車電源經(jīng)轉(zhuǎn)換后供電，將采集到的信號經(jīng)信號處理電路處理或者A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機，經(jīng)過CPU的運算得到各參數(shù)的具體值，定時存儲到單片機存儲器中，并通過顯示系統(tǒng)進行顯示。其總體組成形式如圖1所示。

圖1 總體框圖

噴油脈沖信號是從發(fā)動機電磁噴油器兩端的噴油控制信號線上直接采集的，脈沖信號處理電路能夠?qū)娪推髅}沖信號進行整形處理，形成標準方波信號，單片機捕獲方波信號后計算得到噴油器的噴油脈沖寬度。

車速信號處理電路對來自汽車車速傳感器測得的車速信號進行處理，由單片機采集后計算得出車輛的瞬時速度，由此可以計算出行駛里程，并計算出百公里燃油消耗量等參數(shù)。

發(fā)動機工況信號主要是從節(jié)氣門位置傳感器測得的模擬信號獲得，因而需要將此信號進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號，進而經(jīng)計算可反映出不同負荷狀態(tài)下發(fā)動機的工作狀況，為系統(tǒng)相關參數(shù)的設置提供依據(jù)。

燃油流量信號是從外接的流量計取得，主要用來測量進油管和回油管中的燃油流量。流量計使用的是LWGY型渦輪流量計，該流量計可以測量充滿封閉管道液體的瞬時流量和累積流量且可以輸出電流脈沖信號。因此單片機直接采集該信號后可計算出實際的瞬時燃油消耗量。

顯示部分與按鍵操控部分提供了人機交互的操作界面，可以響應用戶的操作。顯示部分能根據(jù)采集到的信號和預存的經(jīng)標定實驗得到的數(shù)據(jù)，來計算出最終的油耗值并以不同的形式顯示出來。按鍵操控部分可以實現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。

報警裝置可以對駕駛員的不良駕駛行為通過報警指示燈進行警示。單片機依據(jù)內(nèi)存儲器存儲的數(shù)據(jù)及控制程序得到不同條件下的油耗量，當油耗量超過事先設定的油耗量正常值一定范圍時，報警指示燈閃爍以提示駕駛員注意正確駕駛。

1.2 裝置的應用調(diào)試

對于特定型號的電噴車，發(fā)動機燃油消耗量與噴油器的開啟時間成正比，直接通過采集電磁噴油器的控制脈沖寬度(即噴油時間)找出油耗量和噴油脈寬之間的關系[2,3]。因此，首先需要獲得一定測試時間段內(nèi)的不同汽油機的噴油次數(shù)、噴油時間、發(fā)動機油耗量等，找出不同車輛噴油脈寬與噴油量的具體關系參數(shù)，最后對存儲在單片機存儲器中的參數(shù)進行調(diào)試使之適用于不同汽油機噴油器的噴油特性。經(jīng)過簡單調(diào)試后，就可以實現(xiàn)不同電噴車的應用。應用調(diào)試方案如圖2。

其工作原理是用兩個燃油流量計分別串接在發(fā)動機的進油路和回油路中，分別測量進油路和回油路的燃油流量，最后取兩者差值作為發(fā)動機的燃油消耗量。

圖2 測試調(diào)控系統(tǒng)框圖

2 測量與顯示裝置控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 噴油脈沖整形電路

汽車噴油器脈沖的整形電路如圖3所示。由于汽車噴油信號脈沖尾部脈動信號電壓波動較大，超出12V以上，且電壓幅值變化較大[4]。為了防止信號在采集過程當中受到干擾，信號整形電路采用了二極管1N4148和LM358比較器處理輸入信號的脈動干擾，最終將噴油器信號整形并轉(zhuǎn)換成為0～+5V 的脈沖信號(如圖3所示)，送入單片機的定時捕捉計數(shù)器中。整形電路主要有鉗位電路、RC濾波電路和比較電路組成，主要的工作原理是當輸入信號電壓大于5V時， LM358的1腳輸出高電平。當輸入信號小于5V 時，LM358的1腳輸出低電平，從而將噴油器信號整形并轉(zhuǎn)換成為0～+5V 的脈沖信號。

圖3 噴油脈沖整形電路

2.2 車速信號整形電路

汽車的車速信號取自車速傳感器測得的汽車轉(zhuǎn)速信號，常用的車速傳感器為磁電式傳感器，因此需要車速整形電路，將車速信號轉(zhuǎn)換成能夠識別的方波信號，具體的整形電路如圖4所示。其實現(xiàn)方式主要是通過電阻分壓、電容濾波，然后經(jīng)二極管1N4001限幅、LM324電壓跟隨與比較及74SL14整形等處理后實現(xiàn)[5]。

圖4 車速信號整形電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換部分

A/D轉(zhuǎn)換主要用于發(fā)動機工況信號的讀取，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可以把節(jié)氣門位置傳感器測得的模擬信號變成單片機能夠識別的數(shù)字信號。該部分電路主要使用了ADC0804轉(zhuǎn)換芯片，它是8位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，由一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，輸入方式為單通道，轉(zhuǎn)換時間約為100μs，轉(zhuǎn)換的非線性誤差為±1LSB，+5V單電源供電，參考電壓為2.5V，轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)端與單片機直接相連。具體的電路連接如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.4 單片機選擇

本設計采用的單片機為ATMEGA8515，它是一種基于增強的AVR RISC結(jié)構的高性能、低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATMEGA8515 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，比普通CISC微控制器高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[6]。

ATMEGA8515有以下特點：8千字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，一個外部存儲器接口，35個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，兩個具有比較模式的定時器/ 計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及三個可以通過軟件進行選擇的省電模式。這些功能可以滿足該測量系統(tǒng)的需要。

2.5 顯示部分電路

顯示系統(tǒng)采用LCD液晶顯示屏顯示油耗等內(nèi)容，其電路連接方式如圖6所示。通過單片機的PA口與液晶的D0～D7口相連，PC口的3、4、5腳分別與液晶的RS、RW、EN端連接。液晶的3腳經(jīng)過一個1kΩ可調(diào)電阻接地，可以調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。通過按鍵等其他相關電路的控制，可以液晶切換顯示不同的內(nèi)容。

圖6 顯示系統(tǒng)電路圖

2.6 按鍵操控與報警電路

按鍵操控與報警電路如圖7所示。按鍵操控電路中按鍵經(jīng)過電阻上拉后連接到單片機的PD口，電阻的作用是防止按鍵接通時電源短路。整個電路的原理是當按鍵沒有按下時，單片機的IO口通過電阻接VCC，是高電平；當按鍵按下時，IO口接地，是低電平，這樣單片機就可以通過檢測高低電平來對系統(tǒng)進行相關的控制。報警裝置采用了發(fā)光二極管通過電阻與單片機相連的形式，只要檢測到瞬時油耗量超過了系統(tǒng)設定值時，發(fā)光二極管閃爍，從而起到報警提示作用。

圖7 按鍵與報警系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

測量系統(tǒng)的應用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設計的，以可靠地實現(xiàn)其系統(tǒng)功能。與硬件電路配合，軟件程序的主要功能是要實現(xiàn)對電控汽油機燃油消耗量及車速的快速測量，然后通過顯示程序?qū)⒕唧w內(nèi)容顯示出來。而面板控制程序為管理程序，其他程序需要在面板控制程序的控制下進行，在需要調(diào)用某一功能時可通過面板控制程序直接轉(zhuǎn)向相應的程序。所以主要的程序模塊便包括系統(tǒng)自檢初始化程序、面板控制程序、顯示程序和油耗量測量程序等。 其中油耗的測量主要是通過單片機定時器的輸入捕獲功能來實現(xiàn)的，分別捕捉噴油脈沖的上升沿和下降沿的時間，然后計算時間差得出噴油脈寬，從而計算出耗油量。面板控制主要是通過操作不同的按鍵，然后根據(jù)相應的燃油消耗量的參數(shù)來切換不同的顯示內(nèi)容。最終的程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

4 結(jié)論

本文通過發(fā)動機噴油脈寬與燃油消耗量之間存在一定的關系，設計并開發(fā)燃油消耗量的實時檢測與顯示系統(tǒng)。通過簡單調(diào)校，該裝置可以應用于任何一款電噴車輛。通過燃油消耗量的實時顯示，讓駕駛員實時了解車輛的燃油消耗，特別是當燃油消耗量較高時具有提示功能，提醒駕駛員注意自己的駕駛行為，促進燃油經(jīng)濟性與排放的改善，這對能源的有效利用，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對環(huán)境的污染具有重要的意義。

參考文獻

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[3] 張振東,張旻.電控噴油器流量特性測試研究[J].計量技術,2001(5):7

[4] 程越,左桂蘭.汽車瞬時燃油油量檢測系統(tǒng)設計[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2011,40(2):59-61

[5] 王紹銧，夏群生，李建秋.汽車電子學[M].清華大學出版社,2006

[6] 夏明革,劉明忠,張暉.基于ATmega8515單片機的CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].測控技術,2008,27(4):29