汽车油耗里程计算器的设计论文

密级： 南 昌 大 学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 汽车油耗里程计算器的设计 摘要 　　由于全球范围内石油资源有限,自能源危机以来,能源问题逐渐被提到世界探讨议题。随着我国汽车保有量不断增加，以及燃油价格的持续上涨,使得汽车燃油成本不断提高,汽车油耗已成为人们关注的热点，要求控制车辆用油量的呼声越来越高。 　　实现这一目标必须制定严格的汽车油耗量法规，提高车辆油耗检测的精度，对汽车燃油经济性进行快速、准确、科学的检测。本文在和总结目前国内外车辆油耗检测仪器普遍存在的问题的基础上，根据油耗仪现有的技术水平和发展趋势，采用单片机技术和显示技术，设计汽车油耗里程计算器。主要内容包括进行了油耗、里程检测系统硬件的设计与选择，构建了仪器结构，建立了模型，进行了油耗测系统软件的设计与调试；进行了验证性试验，分析了油耗检测系统所采用的理论的可行性，根据具体情况对理论模型进行了修正。 关键词：汽车；里程；油耗；单片机 The design of automotive fuel mileage calculator Abstract 　　Due to worldwide oil resource is limited, since the energy crisis, the energy issue discussed issues of the world is gradually mentioned. With China's auto possession, and rising fuel prices continue to rise, making automotive fuel costs continue to rise, automobile fuel consumption has become the people concerned hot, request control vehicle oil growing calls. To achieve this goal must formulate strict automobile fuel consumption quantity and regulations, improve the accuracy of vehicle fuel consumption detection for automobile fuel economy, rapid, accurate and scientific testing. This paper analyzes and summarizes the current in domestic and foreign vehicles fuel consumption testing instrument generally based on existing problems, according to fuel consumption meter of the existing technical level and development trend, using sigle-chip microcomputer technology and display technology, design automobile fuel mileage calculator. The main contents include fuel, mileage detection system design and choice of hardware, constructs the instrument structure, established the fuel consumption measurement model, the design and debug software system; Confirmatory tests conducted, analyzes the fuel consumption detection system used by the theoretical feasibility, according to the specific circumstances of the theoretical model was revised. Keywords: car; Mileage; Fuel consumption; microcontroller 目录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1引言 1 1.2国内外汽车油耗检测技术的研究状况及发展趋势 1 1.3油耗计算器设计的目的和意义 2 第二章 油耗计算器设计的总体技术研究 4 2.1功能要求 4 2.2总体设计 4 第三章 油耗计算器的硬件设计与选择 6 3.1 喷油器 6 3.2 车速里程表传感器 6 3.3单片机的选用 7 3.4 显示器 14 3.5 其它 15 第四章 软件系统的设计与调试 16 4.1引言 16 4.2系统软件总设计 16 4.3 模块化系统测量数据的采集 18 第五章 编程及电路图 24 5.1主程序 24 5.2总电路图及仿真图 31 第六章 结论 33 参考文献 34 第一章 绪论 1.1引言 　　随着全球经济的持续、快速的增长,石油作为一种关系到国民经济命脉和国家经济安全的战略性物资,发挥着越来越重要的作用。我国近年来随着经济的增长对石油的需求与日俱增,成为了世界石油进口大国,石油供需矛盾日益严峻。 　　根据公安部交管局发布信息，截至2010年9月底，我国机动车保有量达1.99亿辆，其中汽车8500多万辆。减去1500万辆农用车，我国民用汽车保有量为7000万辆。国际货币基金组织（IMF）报告指出，全球石油市场已经进入日益稀缺的时期。截至2008年，全球石油可开采量（剩余探明储量）为12580亿桶（1708亿吨），比上一年减少即3‰，加上加拿大的油砂为14087亿桶（约1930亿吨）。 　　伴随着这些能源紧缺、消耗加剧，人们开始更多的关注汽车燃油的成本，油耗逐渐成为人们关注的热点，要求控制车辆用油量的呼声越来越高。为实现这一目标必须制定严格的汽车油耗量法规，提高车辆油耗检测的精度，对汽车燃油经济性进行快速、准确、科学的检测。随着传感器技术的微型化、多功能化、集成化和智能化方向的发展，控制器功能的不断完善，汽车油耗检测装置正在向微电脑控制、智能化方向控制发展。 1.2国内外汽车油耗检测技术的研究状况及发展趋势 1.2.1国内研究现状 在国内，由于技术上的落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚。从20 世纪70年代起开始研究和制定汽车燃油消耗检测装置，前阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式或电磁机械式的，汽车仪表功能单一，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视认性不好。在测试范围、测试精度、显示、使用维护和可靠性等发面都不是很理想，需进一步改进。 1.2.2国外研究现状 90年代初期世界上已有60种以上的车型使用电子仪表。从内核上，单片机的广泛应用使汽车仪表由模拟仪表向数字仪表发展；从外观上，逐渐形成了数字显示为主流的显示方式。外形设计现代派的追求和内部结构、显示元器件的电子化，大大推进了汽车仪表技术的重大变革。 1.2.3发展趋势 目前各国都在研究与开发微电脑油耗仪，并进一步向智能化方向发展。将先进的智能传感器技术和智能仪表技术应用于液体流量检测与显示，集机、电、液于一体，提高检测与显示精度和检测的自动化程度，满足生产实际的需要。由于单片机的大规模应用，微电子技术的迅猛发展，加上传感器的微型化、多功能化、集成化和智能化方向发展，控制器功能的不断完善， 据此研究汽车油耗智能型快速检测仪器，采用流量传感器和单片机实现油耗智能检测，并通过显示器对外输出。该仪器可用于汽车发动机在不同工况时的油耗数据的测量，以及车辆行驶的等速油耗、加速油耗及百公里油耗测试。 20世纪90年代后半期，先进的计算机技术和电子技术等高新技术开始进入汽车，32位和48位微机丌始广泛应用，汽车仪表的自动化智能化程度大大提高。与此同时，显示方式也由单色显示向彩色显示和立体显示发展过渡，极大的提高了仪表的视认性和美观性，促进了汽车仪表技术的变革。汽车电子控制装置的增多，汽车故障珍断、地形图显示、导航及各种信息服务装置都己丌始装入汽车，需要显示的信息和功能增多。此时，汽车仪表已不在是单纯的显示装蜀，而是逐步拓展为一个信息化智能系统。 1.3油耗计算器设计的目的和意义 电控汽油喷射系统已经在我国汽车尤其是轿车上普遍使用，目前国内常规的测量化油器式发动机燃油消耗的方法不适用于电喷汽油机，而使用国外生产的电喷汽油机专用油耗仪又面临着操作繁琐、测量时会影响发动机供油状态以及价格高昂等问题。 随着电子技术以及单片微处理器技术的高速发展和广泛普及，电子测试技术在汽车测试领域日益受到青睐， 汽车测试技术在测试手段和测试观念上发生了深刻的变化。为了适应新的需求，该系统运用电子测试技术从新的角度入手，采用了区别于常规发动机油耗测量手段的新方法。在深入理解电控汽油喷射系统的工作原理的基础上，分析电子控制单元(Ecu)发出的用来控制电磁喷油阀的脉冲信号，得到其中包含着的喷油时刻和喷油量等重要信息。利用专门的采集电路拾取这个喷油脉冲信号，结合前期标定实验得到的特定喷油器的工作特性(稳态喷油量和动态流量特性等)，并用瞬时的发动机相关参数如发动机转速、喷油温度等以及汽车的蓄电池电压进行补偿和修正，可以求得发动机的瞬时喷油量，从而达到对汽油消耗量的测量目的。 第二章 油耗计算器设计的总体技术方案研究 2.1功能要求 整个系统以单片机为核心，有油耗检测、里程计算、信号处理、液晶显示等部分组成。从油耗流量感应电路、转速感应电路得到相应的信号，进行处理转换为单片机可以接受的信号，通过单片机的计算和控制，可实现车辆油耗、里程以及百公里油耗的数据显示。 2.2总体设计 2.2.1油耗计算器技术方案 根据汽车油耗里程计算器的功能要求，针对计算器的具体应用情况，选择元器件，构成油耗检查、里程计算、百公里油耗系统的硬件部分，进行各组元器件间的合理匹配，设计系统控制电路及显示电路，完成硬件部分的设计。 根据油耗检查、里程计算系统的工作原理和运行条件，确定计算器的数学设计模型，配合硬件部分控制电路编写控制软件，共同完成对汽车里程油耗的测试及显示。 通过试验分析计算器监测系统的理论的可行性，根据具体情况对模型进行修改，以提高监测精度。并进行试验误差分析，为更合理选用测试装置和测试方法，正确的分析误差产生的原因，减小或消除误差，以便得到理想的试验结果。 2.2.2油耗计算器的检测系统的基本组成 油耗里程计算器系统主要分为汽车喷油器、速度传感器、单片机、显示电路等部分组成，其总体框架关系如下图所示： 汽车油耗计算器总体框架图 汽车喷油器产生的油耗信息及速度传感器产生的路程信息经采集电路、预处理电路，将信号传送给微电脑处理电路。 微电脑处理电路中单片机是油耗里程计算器的核心，用于接受喷油嘴中流量传感器的信号及速度传感器的信号，并调用内存储器中的数据和相关程序，进行处理分析，并将结果送至显示电路。 显示电路用于适时显示汽车油耗的计算数据。同时应有控制模块用于系统功能设定，达到人机信息互送，还可以进行系统标定。 2.2.3 油耗计算器的控制原理 从流量感应器、速度传感器得到微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整形处理，转变成单片机能够接受的信号，通过单片机的计算和控制，可实现油耗和里程的计算和显示。 由于燃油系统的压力与与进气管真空度的压力差保持恒定，喷油嘴打开时间的长短和喷油量成比例。每次喷油量和喷油器开启时间长度的关系，可以通过下面的公式说明： Sn=Tn﹡K n=(1,2,3,4, ֵֵֵֵn) 其中Sn为一次喷油量； Tn为喷油器一次开启时间的长度； K为参数，由喷油器的规格、系统油压而定； 由于每部车的K值是唯一确定的，测量汽车发动机喷油嘴么次开启的时间长度（T），并把每次开启时间长度进行累计（∑T），通过计算就可以间接测量出汽车油耗量（∑S）。 公式如下： ∑S=S1+S2+S3+…+Sn=（T1+T2+T3+…+Tn）*K 实现测量汽车累计油耗量外，通过对汽车速度传感器的信号进行测量，可获得汽车行驶速度和行驶里程，并通过与汽车油耗量的比较运算，就可以获得汽车瞬时油耗和平均油耗。 平均油耗量是指：通过复位开关复位后开始计算，汽车燃油消耗的总量和行驶的总里程的比值。 瞬时油耗量是指：汽车在单位时间内，燃油的耗量和行驶距离的比值。 由于现在汽车油耗量的大小通常以每百公里耗油多少升为单位衡量，所以上诉汽车瞬时油耗量和平均油耗量均换算为以升∕百公里为单位。 第三章 油耗计算器的硬件设计与选择 3.1 喷油器 在电脉冲持续时间内针阀始终保持升起状态，汽油就在一定的油压下通过针阀与阀座密封锥面分开的间隙经过喷嘴计量孔喷出。电脉冲终止时线圈断电，针阀在弹簧力作用下落座，喷油截止。不喷油时喷油器内无汽油流动。 喷油器电磁线圈的一端接12～14V电源的正极，另一端接电子控制单元(ECU)中的驱动电路，该电路中的功率晶体管导通时才能接地而使线圈通电。ECU以方波脉冲的形式来控制功率晶体管的导通和截止，即控制了喷油器线圈通电开始时刻(脉冲上升沿生成时)和通电持续时间(脉冲的高电平持续时间)，从而控制喷油刚刻和喷淌量。驱动电路中的专用芯片叫做驱动器，驱动电路与相关元器件集成为驱动模块。 根据本实验要求，宜采用喷油器作为油耗测量工具。 3.2 车速里程表传感器 3.2.1霍尔式转速传感器 图3.1 霍尔式转速传感器的结构图 1．输入轴 2．磁性转盘 3．永久磁铁 4．霍尔传感器 利用霍尔开关集成传感器和磁性转盘可组成霍尔式转速传感器，广泛应用于转速的监视与测量。图3.1是一些不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘便随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器，便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测转速，磁性转盘上的小磁铁数目的多少，将确定传感器的分辨率。 3.2.2传感器的选用 本系统的传感器安装在车的转轴上，当车行驶时传感器随着车的转轴的旋转而转动，将汽车转数转换为电信号，从而计算出车的转速。本实验选择的是霍尔式转速传感器。 3.3单片机的选用 3.3.1现有的主流单片机概述 MCS-5l系列单片机是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的，很快就在全世界得到广泛的推广应用。十多年来，MCS-51系列单片机无论在教学、工业控制、仪器仪表、信息通信，还是在交通、航运、家用电气领域，都取得了大量的应用成果。Intel公司虽然已经把精力集中在计算机的CPU生产上，而渐渐放弃了微控制器的生产。但是，以MCS一51技术核心为主导的微控制器技术已被ATMEL，PHILIPS等公司所继承，并且在原有基础上又进行了新的开发，从而产生了和MCS-51兼容而功能更加强劲的微控制器系列。ATMEL公司所生产的89系列单片机就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的并与MCS-51兼容的微控制器系列。 ATMEL公司是美国在20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于Flash存储器技术和高质高可靠性生产技术。随着业务的发展，在20世纪90年代初，ATMEL公司一跃成为全球最大的EEPROM供应商。1994年为了介入单片机市场，ATMEL公司以EEPROM技术和Intel的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。ATMEL公司把自身的先进Flash存储技术和80C3l核相结合，从而生产出了Flash单片机AT89C51系列。这是一种内部含Flash存储器的特殊单片机。由于它内部含有大容量的Flash存储器，所以，在产品开发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS-51系列单片机的主流单片机之一。 本系统在数抛处理上速度要求不是很高，单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS5l系列单片机的所有特性，而且价格低、引脚少，是目前性能价比较高的单片机芯片之一。 3.3.2 单片机89C51简述 3.3.2.1 单片机概念 单片机（microcontroller，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。图3.12是89C51单片机的基本结构图 图3.2 89C51单片机的基本结构图 1.89C51单片机的结构特点有以下几点： 8位CPU； 片内振荡器及时钟电路； 32根I/O线； 外部存储器ROM和RAM，寻址范围各64KB； 两个16位的定时器/计数器； 5个中断源，2个中断优先级 全双工串行口 布尔处理器 2.定时器/计数器 89C51内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为T0和T1。16位是指它们都是由16个触发器构成，故最大计数模值为2 -1。可编程是指他们的工作方式由指令来设定，或者当计数器来用，或者当定时器来用，并且计数（定时）的范围也可以由指令来设置。这种控制功能是通过定时器方式控制寄存器TMOD来完成的. 如果需要，定时器在计到规定的定时值时可以向CPU发出中断申请，从而完成某种定时的控制功能。在计数状态下同样也可以申请中断。定时器控制寄存器TCON用来负责定时器的启动、停止以及中断管理 在定时工作时，时钟由单片机内部提供，即系统时钟经过12分频后作为定时器的时钟。技术工作时，时钟脉冲由TO和T1输入。 3.中断系统 89C51的中断系统允许接受五个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。 外部中断申请通过INTO和INT1（即P3.2和P3.3）输入，输入方式可以是电平触发（低电平有效），也可以是边沿触发（下降沿有效）。两个定时器中断请求是当定时器溢出时向CPU提出的，即当定时器由状态1转为全零时提出的。第五个中断请求是由串行口发出的，串行口每发送完一个数据或接收完一个数据，就可提出一次中断请求 3.3.2.2 89C51的芯片引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 图3.3 89C51引脚图 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（定时器/计数器0外部输入） P3.5 T1（定时器/计数器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.3.2.3使用I/O的注意事项 （1） P1,P2,P3口的输出缓冲器可驱动4个LSTTL电路。对于HCMOS芯片单片机的I/O口，在正常情况下，可任意由TTL或NMOS电路驱动。HMOS及CMOS性的单片机I/O口有集电极开路或漏极开路的输出来驱动时，不必外加上拉电阻 （2）对于74LS系列，CD4000系列以及一些大规模集成电路芯片（如8155，8253，8279等），都可以和MCS-51系列单片机直接接口。具体使用时，可以查阅有关器件手册或参考典型电路 （3）对一些线性组件，特别是应用键盘、码盘、LED显示器等输入/输出设备时，应当尽量增加驱动部分的容量，否则，单片机将提供不出足够的驱动电流供给负载使用。 3.3.2.4 89C51中断系统 所谓中断，是指当计算机执行正常程序时，系统中出现某些急需处理的异常情况和特殊情求，CPU暂停执行现行程序，转去对随机发生地更紧迫事件进行处理；处理完毕后，CPU自动返回原来的程序继续执行。 中断允许软件设计不需要关心系统其他部分定时要求，算术程序不需要考虑隔几个指令检查I/O设备是否需要服务。相反，算术程序编写时好像有无限的时间作算术运算而无其他工作在进行。若其它事件需要服务时，则通过中断告诉系统。 89C51单片机有5个中断源，有两个中断优先级，每个中断源的优先级可以编程控制。中断允许受到CPU开中断和中断源开中断的两级控制。 1.中断源 中断源是指任何引起计算机中断的事件，一般一台机器允许有许多个中断源。89C51系列单片机至少有5个中断源。增加很少的硬件就可把各种硬件中断源“线或”成为一个外部中断输入，然后再顺序检索一起中断的特定源。 89C51单片机的5个中断源是： 外部中断请求0，由 （P3.2）输入； 外部中断请求1，由 （P3.3）输入； 片内定时器/计数器0益处中断请求； 片内定时器/计数器1 溢出中断请求； 片内串行口发送/接收中断请求； 为了了解每个中断源是否产生了中断请求，中断系统应设置许多个中断请求触发器（标志位）实现记忆。这些中断源请求标志位分别有特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。 定时器/计数器控制寄存器TCON，它是一个八位的寄存器，各位如下表所示 TF1 TF0 IE1 IT1 IE0 IT0 IT0,IT1：外部中断0、1触发方式选择位，由软件设置。1是下降沿触发，0是电平触发。 IE0,IE1：外部终端0、1请求标志位。 TF0,TF1：定时器/计数器0、1溢出中断请求标志。 2.中断的控制 中断的控制主要实现中断的开关管理和中断优先级的管理。这个管理主要通过对特殊功能寄存器IE和IP的编程实现。 （1）中断允许寄存器IE EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EX0,EX1：外部终端0，1的中断允许位。1是中断开，0是中断关 ET0,ET1：定时器/计数器0、1溢出中断允许位。1是开中断，0是关中断 ES：串行口中断允许位。1是中断开，0是中断关 ET2：定时器/计数器2溢出中断位 EA：CPU开/关中断控制位。1是开中断，0是关中断 （2）中断优先级寄存器IP PS PT1 PX1 PT0 PX0 若系统中多个中断源同时请求中断，则CPU按中断源的优先级别，由高到低分别响应。 89C51单片机有两个中断优先级：高优先级和低优先级。每个中断源都可以编程为高优先级。这可以实现两级中断嵌套。嵌套的原则：一个正在执行的中断服务程序可以被高级的中断请求中断，而不能被同级或较低级的中断请求中断。两级中断通过使用IP寄存器设置，相应的位置1，则优先级高，0则优先级低。 PX0、PX1：终端0、1中断优先级控制； PT0、PT1：定时器/计数器0、1中断优先级控制。 PS：串行口中断优先级控制。 89C51复位时，IP被清零，5个中断源都在同一个优先级。这时若其中几个中断源同时产生中断请求，则CPU按照片内硬件优先级链路的顺序相应中断，硬件优先级由高到低的顺序是：外部终端0 定时器/计数器0 外部中断1 定时器/计数器1 串行口中断。 3.中断响应 89C51的CPU在每个机器周期采样中断源的中断请求标志位，如果没有上述阻止条件，则将在下一个机器周期响应被激活的最高级中断请求。阻止条件如下： CPU正在处理同级或更高级的中断； 现行机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期； 正在执行的是RETI或者是访问IE或IP的指令； CPU在中断响应之后完成如下操作： 硬件清除相应的中断标志位； 执行一条硬件子程序，保护断点，并转向中断服务程序入口。 结束中断时执行RETI指令，恢复断点，返回主程序。 89C51的CPU在相应中断请求时，由硬件电路自动形成转向与该中断源对应的中断的服务程序入口地址。这种方法为硬件向量中断法。 各中断源的中断服务程序入口地址如下： 编号 中断源 入口地址 0 外部终端0 0003H 1 定时器/计数器0 000BH 2 外部终端1 0013H 3 定时器/计数器1 001BH 4 串行口中断 0023H 各中断服务程序入口地址仅隔8个字节，编译器在这些地址放入无条件转移指令，跳到服务程序的实际地址。 向量中断包括把先前的程序计数指针推入堆栈，中断服务程序很像其他子程序。当向量中断发生时，硬件禁止所有中断。此时表明外部中断或定时器溢出的标志位由硬件清除。中断服务程序的不同分支取决于中断源。在重新允许全局CPU中断EA之前，必须仔细清除各种标志。标志会引起立即地重复中断。89C51对终端实际上有特殊的返回指令----RETI。不是RET。RETI重新允许系统识别其他中断。因而，没必要在正常使用中断时复位EA，只要在程序初始化时开中断一次就可以了。 3.3.2.5单片机定时器/计数器的使用 89C51系列单片机至少有两个16位内部定时器/计数器。8952有三个定时器/计数器，其中连个基本定时器/计数器是定时器/计数器0和定时器/计数器1。他们既可以编程为定时器使用，也可以编程为计数器使用。若是计数内部晶振驱动时钟，则它是定时器；若是计数89C51的输入引脚的脉冲信号，则它是计数器。 89C51的T/C时加一计数的。定时器实际上也是工作在技术方式下的，只不过对固定频率的脉冲计数；由于脉冲周期固定，由计数值可以计算出时间，有定时功能。 当T/C工作在定时器时，对振荡源12分频的脉冲计数，即每个机器周期计数值加一，频率加=fosc/12。晶振为6MHz，计数频率=500KHz，每2uS计数加一。 当T/C工作在计数器时，计数脉冲来自外部脉冲输入引脚T0或T1。当T0或T1脚上负跳变需2个机器周期，即24个振荡周期。所以T0或T1脚输入的计数外部脉冲的最高频率为fosc/12。当晶振为12MHz时，最高技术频率为500KHz，高于此频率将计数出错。 1.与T/C有关的特殊功能寄存器 （1）计数寄存器TH和TL T/C是16位的，计数寄存器有TH高8位TL低8位构成。在特殊功能寄存器中，对应T/C0为TH0和TL0；对应T/C1为TH1和TL1。定时器/计数器的初始值通过TH1/TL1和TH0/TL0设置 （2）定时器/计数器控制寄存器TCON TR1 TR0 TR0、TR1：定时器/计数器0、1启动控制位。1是启动，0是停止 TCON复位后清零，T/C需要受到软件控制才能启动计数；当计数计满时，产生向高位的进位TF,即溢出中断请求标志 T/C的方式控制寄存器TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 C/T：计数器或定时器选择位。1位计数器，0位定时器 GATE：门控信号。1时T/C的启动控制受到双重控制，即要求TR0/TR1和INT0/INT1同时为高；0时T/C的启动仅受TR0/TR1控制 M1和M0：工作方式选择位，具体见下表 M1 M0 方式 功能 0 0 0 为13位定时器/计数器，TL存低5位，TH存高8位 0 1 1 为16定时器/计数器，TL存低8，TH存高8位 1 0 2 常数自动装入的8位定时器/计数器 1 1 3 仅适用于T/C0，两个8为定时器/计数器 2.定时器/计数器的初始化 （1）初始化步骤 在使用89C51的定时器/计数器前，应对它进行编程初始化，主要是对TCON和TMOD编程，还需要计算和装载T/C的计数初值。一般完成以下几个步骤： 确定T/C的工作方式----编程TMOD寄存器。 计算T/C中的计数初值，并装载到TH和TL。 T/C在中断方式工作时，须开CPU中断和源中断----编程IE寄存器。 启动定时器/计数器----编程TCON中TR1和TR0位 （2）计数初值的计算 在定时器方式下，T/C是对机器周期脉冲计数的，如果fosc=6MHz，一个机器周期为2us，则 方式0 13位定时器最大时间间隔=（2 -1）*2us=16.384ms； 方式1 16位定时器最大时间间隔=（2 -1）*2us=131.072ms； 方式2 8位时器最大时间间隔=（2 -1）*2us=512us 若使T/C工作在定时器方式1，要求定时1ms，求计数初值。如设计数初值为x,则有（2 -1）*2us=1000us x=2 -500 因此，TH,TL可置65536-500。 3.4 显示器 显示技术是传递视觉信息的技术，显示器件是显示技术的基础。几十年来的发展．显示器件已成为一个大家庭。利用不同的电光原理，具有不同的结构、特点，适应不同的环境和条件的各种显示器件构成了一个大家庭。显示器在智能车速旱程表中担负着显示车速和里程的任务，要求显示出的数掘清晰、直观、准确。单片机系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器、液晶显示器、荧光管显示器。本设计中显示采用的是液晶显示器。 本实验选用的是CD4511数码管完成数据的现实。 3.4.2 CD4511 1．CD4511简介 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器特点有：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 2. CD4511引脚图及其功能 CD4511 引 脚 图： 其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 D1、D2、D3、D4、为8421BCD码输入端。 Qa~Qg：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 逻辑功能见表： 输        入 输        出 LE BI LI D4 D3 D2 D1 Qa Qb Qc Qd Qe Qf Qg 显示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 锁       存 锁存 3.5 其它 光电耦合器的发光器属于电流驱动器件，具有抗干扰能力强、共模抑制比高、不受磁场影响、不需磁屏蔽等优点。光电耦合器实际上是一种电量传感器，即把电流或电压的变化经过光电方式传给输出端。由于输出回路和输人间路是电隔离(即电绝缘)的，在许多场合得到应用。 由于汽车经常在野外行驶，干扰源比较多，为防止干扰进入单片机系统，在输入信号通道采用了光电隔离技术。 光电耦合器是一种把发光器件(多为红外发光二极管)和光敏器件封装在同一壳体内的光电转换器件，即进行电信号一光信号一电信号的转换。当给输入端加电信号，利用光将信号耦合到输出端，所以输入端与输出端之间实现了电隔离，输出信号对输入端无反馈，输入端和输出端之间高绝缘电阻，分布电容小于IPF，所以器件的抗干扰能力和隔离性能都很强。 第四章 软件系统的设计与调试 4.1引言 良好的可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。本系统的设计原则： (1)根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。 (2)明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和调试。 3)确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。 4)按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。 C语言是一种结构化语言，与汇编语言相比有如下优点： 1)对单片机的指令系统不需要了解，仅要求对805l的存储器结构有初步了解： 2)寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理； 3)程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化； 4)具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性； 5)关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用； 6)编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 7)提供的库包含许多子程序，具有较强的数据处理能力： 8)已编好的程序很容易植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。 油耗里程表计算器的软件全部采用C5I语言编写，以提高系统的可读性和可移植性。其设计方法和硬件设计相对应，采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、调试，增强了程序的可移植性。 4.2系统软件总设计 4.2.1主程序设计 系统的测控主程序的主要功能包括：(1)通过外中断INTl对1秒钟内有效的喷油脉冲宽度进行测量，其数据送入单片机；(2)通过外中断INTO得到霍尔传感器测得的汽车转速脉冲信号，转换成瞬时车速；(3)测量蓄电池的电压，进行A／D转换；(4)根据按键控制的要求，计算并显示相应的燃油消耗量。 测控主程序主要包括以下几个子程序： (1)A／D转换子程序；(2)INTO外中断子程序；(3)INTI外中断子程序；(4)T／C0溢出中断子程序。运行时的测控主程序主要流程图4.1 图4.1 主程序流程图 系统测控主程序运行时，首先进行各I／O口、定时器／计数器和中断控制寄存器以及各外围传感器的初始化；然后通过A／D转换、两个外中断和T／CO溢出中断得到各外围采集系统的输入信号：接着对这些信号进行分析判断后，根据预存在单片机里的标定实验得到的结果数据，计算电磁喷油器工作时的喷油流量；最后根据汽车运行状态和控制按键的要求，计算得到相应的燃油消耗量，通过LED显示系统显示出来。 INTO外中断子程序是用来计量汽车转速脉冲的，每当霍尔传感器送来一个高电平时，上升沿引发一个INTO外中断，转速脉冲寄存器自动累加1。再配合T／CO定时器溢出子程序，定时1秒钟，每到1秒钟时，引发一个T／CO溢出中断，此时将转速脉冲寄存器中的数据读出，即为1秒钟的转速脉冲个数。再配合传感器齿数就可以得到汽车行驶速度。 INTl外中断子程序用来计量1秒钟内有效喷油脉冲信号的宽度。当采集的信号送入单片机之后，首先判断是否是高电平，如果是，则开启T／Cl计数器开始计数，同时发动机转速寄存器自动累加l。如果是低电平，则停止T／Cl计数器，并把计数值从寄存器取出送往SRAM，下次高电平来临时则在这个计数值的基础上继续计数。这样配合T／CO定时器溢出子程序，就可以得到一定时间内喷油脉冲的有效宽度。 T／CO定时器溢出子程序用于配合以上子程序对采集信号进行计量。设定的1秒钟溢出时间到达时，依次取出蓄电池电压的A／D转换值、车速脉冲计数值和有效喷油脉宽值等存入到SRAM中相应的空间里，用于后续的分析和计算。 4.2.2总体设计步骤 旨在设计汽车油耗里程计数器，测量汽车油耗、里程的方法，其特征在于该方法包括如下步骤： （1）采集控制汽车发动机喷油器工作的脉冲信号； （2）采集汽车速速传感器的信号； （3）测量控制发动机喷油器工作的脉冲信号宽度，以测量发动机喷油器每次开启的时间长度； （4）对开启时间累总，获得发动机喷油器开启的时间总长； （5）把喷油器开启时间的总长，按比例关系换算为发动机总燃油消耗量； （6）测量速度传感器的信号，获得汽车行驶的速度和总行驶里程的数值； （7）把一段时间内的喷油器开启时间的总长换算成一段时间内的总燃油消耗量，并与改时间段内的汽车行驶里程比较计算，获得汽车平均油耗量； （8）通过显示电路运算结果以数字形式显示。 4.3 模块化系统测量数据的采集 4.3.1初始化模块 初始化是为了让系统正常工作，而给一些变量参数赋以初值的程序。初始化程序主要任务是清屏幕。 系统加电后进行初始化，测量系统进入起始状态，等待控制面板输入。系统检测控制面板输入，根据控制面板输入进入相应测量程序。 4.3.2喷油脉冲信号的采集 1.信号采集理论电路 在前面章节我们提到，电控汽油喷射系统的电子控制单元根据各传感器传来的发动机工况参数进行分析判断和运算后，最终确定电磁阀的通电持续时间，并通过喷油器电磁阀的驱动电路来执行。 本子系统的主要功能就是采集电子控制单元发出的喷油脉冲信号。该信号为一个包含着喷油时刻和喷油量等重要信息的方波脉冲。在电磁喷油器的导线插头处接线采集到这个方波脉冲，由于电感的作用，在每次喷油的结束段可能会出现一个负脉冲，所以要在后续电路中把这段负脉冲过滤掉。 另外，由于发动机的振动以及汽车行驶中的抖动，可能对这个方波信号的采集带来干扰，所以后续电路还必须有整型、滤波、限幅等功能，以保证获得完整平滑的喷油脉冲信号。 喷油脉冲信号采集理论电路如图4.2所示： 图4.2 喷油脉冲信号采集电路原理图 这里需要特别注意的是，信号采集插头属于低电平触发方式，即J2插头采集到低电平的时候，电磁喷油器接驱动器三级管的一端被拉低，其驱动器两端产生12V的电压降，驱动电磁喷油器开始喷油。当J2插头采集到低电平，无法打开三极管Ql，则在施密特触发器的引脚1上输入高电平，经过两次翻转最后得到高电平输入单片机的INTI；当J2插头采集到高电平，使得三极管Q1导通，施密特触发器的引脚1被拉低输入低电平，经过两次翻转之后得到低电平输入单片机INTI引脚。 串接的二极管用于过滤掉负脉冲，RC网络则用于去除干扰，配合施密特触发器整型最后得到平整的方波输入到单片机。 信号采集电路与单片机之间用4N25光电藕合器隔离，可以去除其他电气信号产生的干扰，提高采集的准确性。 2.光电耦合器 4N25的内部结构如图4．3所示。4N25的1脚、5脚接+5V作为比较电压，2脚接信号采集电路的输入端，4脚为4N25的输出端。当2脚的信号为“0”即低电平时，4N25内部的发光管导通发光，光电管接收到光信号也随之导通，4脚输出高电平“1”；当2脚的信号为“1”即高电平时，4N25内部的发光管没有压降不能发光，光电管也就不能导通，4脚输出低电平“0”。因此，4N25的输出端是信号采集电路输出信号的翻转。 如上所述，信号采集电路输出信号经过两次翻转，送到主控单片机中的信号就为原始的采集信号。把处理过的采集信号送入单片机的外中断口，利用单片机的外中断和定时器溢出中断的配合，可以检测出一定时间里的喷油脉宽。 图4.3 4N25的内部结构 3.喷油量的计算 由于燃油系统的压力与与进气管真空度的压力差保持恒定，喷油嘴打开时间的长短和喷油量成比例。每次喷油量和喷油器开启时间长度的关系，可以通过下面的公式说明： Sn=Tn﹡K n=(1,2,3,4, ֵֵֵֵn) 其中Sn为一次喷油量； Tn为喷油器一次开启时间的长度； K为参数，由喷油器的规格、系统油压而定； 由于每部车的K值是唯一确定的，测量汽车发动机喷油嘴么次开启的时间长度（T），并把每次开启时间长度进行累计（∑T），通过计算就可以间接测量出汽车油耗量（∑S）。公式如下： ∑S=S1+S2+S3+…+Sn=（T1+T2+T3+…+Tn）*K 4.3.3车速脉冲信号的采集 1.理论模型 车速信号的采集是应用霍尔传感器进行测量的。霍尔传感器的工作原理是霍尔效应，如图4．4所示。 图4.4 霍尔效应原理 一块长为l宽为b厚为d的半导体薄片，若在薄片的垂直方向上加一个磁感强度为B的磁场，当在薄片的两端有控制电流I流过时，在此薄片的另两端会产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电势V，这一现象称为霍尔效应，所产生的电势V。称为霍尔电势： V。=RIB/d 式中： R：霍尔系数（m ³/C） I:控制电流（A） B：磁感应强度（T） d:霍尔元件的厚度（m） 在实际应用中，通常保持一个量不变而另一个作为变量来使用霍尔元件。例如在转速测量中，霍尔传感器安装在传感器转子的齿盘附近，如图4．5所示。霍尔元件通以恒定电流，当磁性材料制成的传感器转予的轮齿交替经过永久磁铁的空隙时，就会有一个变化的磁场作用于霍尔元件上，使得霍尔电压产生反映了转速的脉冲信号。 图4.5 霍尔传感器测转数 常用的磁电传感器在汽车开始起动这样的低转速状态下，其输出电压较低，这样就影响了测量的精度。而霍尔传感器的优点是：它的输出电压信号是稳定的，只要有磁场存在，霍尔元件总是产生相同的电压。其输出电压信号和被测物体的转速大小无关，因此即使在低转速的时候，仍然可以获得较高的测量精度。 2.理论采集电路 当汽车行驶时，传感器齿盘随之转动，引起传感器所处的磁场强度发生变化，致使传感器内的磁致电流发生交变变化，通过整形、放大电路将交变信号转变为连续脉冲信号输入到单片机中，通过检测脉冲周期，可以得出瞬时车速。图4.6为车速传感器采集电路： 图4.6 车速脉冲采集电路 图中的接线口J1．2、J1—3两端接霍尔传感器的感应电压输出端。感应电压是脉冲电压，通过滤波、整形、放大电路处理后得到比较平整的方波信号，然后送给主控单片机的外中断INT0口。 4.3.4时钟电路 图4.7 时钟电路 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反相放大器可以配置为片内