以STC89C52單片機(jī)為核心的空氣質(zhì)量流量顯示裝置設(shè)計(jì)

最佳空燃比是發(fā)動(dòng)機(jī)工作動(dòng)力性的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，更對(duì)日益嚴(yán)重的尾氣排放環(huán)保性有著苛刻的要求。準(zhǔn)確的顯示流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量為發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最佳空燃比提供數(shù)據(jù)借鑒。以簡單易控制的STC89C52單片機(jī)為控制核心，經(jīng)過AD模塊的轉(zhuǎn)換，完成對(duì)空氣質(zhì)量流量計(jì)的顯示裝置，通過對(duì)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果的分析找出模擬量與數(shù)字量之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供最佳空燃比設(shè)立參照途徑。

1 羅蒙斯特質(zhì)量流量計(jì)的工作原理

羅蒙斯特質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)包括一臺(tái)傳感器和一臺(tái)用于信號(hào)處理的變送器。傳感器由外殼、微振動(dòng)測量管、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)檢測器及溫度補(bǔ)償元件等主要部件組成。當(dāng)氣體通過振動(dòng)測量管時(shí)，在氣體推動(dòng)及外加于測量管的振動(dòng)力作用下，測量管將獲得附加的科里奧力，其大小與氣體的質(zhì)量流量成正比，科里奧力引起測量管的微小扭曲導(dǎo)致振動(dòng)時(shí)的相位差轉(zhuǎn)換為線性的電信號(hào)輸出，變送器就將此電信號(hào)轉(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號(hào)，通過AD模塊顯示在顯示裝置上。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電信號(hào)的轉(zhuǎn)換是單通道，在此選擇容易掌握的ADC0804芯片，其模數(shù)轉(zhuǎn)換功能已足夠滿足需求。顯示裝置采用4段8位數(shù)碼管，精確度到個(gè)位。其模塊圖如圖1所示。

輸入模塊是經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，其幅值在1~5V之間變化；AD模塊就是AD芯片，ADC0804是COMS依次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器，三態(tài)鎖定輸出，分辨率為8位，存取時(shí)間135us，轉(zhuǎn)換時(shí)間100us，從功能與成本角度考慮，ADC0804是比較合適的；控制模塊選用STC89C52單片機(jī)，其性能高，成本低的優(yōu)點(diǎn)在小型控制器的使用上得到普遍的應(yīng)用。顯示模塊在此選取的是4段8位數(shù)碼管，由經(jīng)驗(yàn)常識(shí)可知5V電壓值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為255，所以在精度要求不是太高的情況下4段8位數(shù)碼管可以滿足其顯示準(zhǔn)確性的要求。

2.1 PROTEL電路原理圖

PROTEL是PROTEL公司推出的一款用于電子設(shè)計(jì)的EDA軟件，因其模塊功能的多樣化和人性化得到眾多電子設(shè)計(jì)者的青睞。在設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量流量顯示裝置電路板時(shí)，首先需要在PROTEL環(huán)境下對(duì)原理圖進(jìn)行構(gòu)思繪制。經(jīng)過對(duì)電路中所需各模塊的分析繪制出如下的電路原理圖，如圖2所示。

2.2 Proteus仿真電路

為了保證電路的搭建正確性和各模塊功能自檢的完善，還需要在Proteus仿真軟件中對(duì)搭建的電路原理圖進(jìn)行仿真測試，如圖3所示是在Proteus仿真環(huán)境中對(duì)搭建的電路原理圖進(jìn)行的仿真。

從圖中可以看出，電路包括最基本的功能模塊：單片機(jī)的復(fù)位功能模塊，AD模塊和數(shù)碼管的顯示模塊。外接的電壓是5V電壓值，為了可以實(shí)時(shí)模擬變送器輸出的電壓信號(hào)，在此添加一個(gè)電位器器件，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值變化來模擬輸出電壓信號(hào)的變化；從數(shù)碼管的數(shù)字顯示值上看，本次搭建電路和仿真是正確的；調(diào)節(jié)電位器的阻值發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)字量隨阻值大小的變化實(shí)時(shí)變化，表明此電路圖可以模擬變送器器輸出的電壓信號(hào)。在完成基本功能需求的基礎(chǔ)上，本電路圖在搭建時(shí)考慮到了為尋找后續(xù)電壓數(shù)字值和模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，添加了一直流電壓表，用來顯示對(duì)應(yīng)數(shù)字值所代表的電壓值。

3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

利用Kiel51C語言對(duì)各模塊進(jìn)行編程，程序部分主要由主程序，AD采樣、轉(zhuǎn)換程序，數(shù)碼管顯示程序等組成。軟件程序的流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序的流程圖

4 結(jié)果分析

在做好的顯示裝置上采集一系列的電壓值與數(shù)字值。分析電壓值和數(shù)字值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出之間的比例關(guān)系，并對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果整理分析計(jì)算出顯示裝置的誤差率。采集的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示：

將所采集的電壓值與數(shù)碼管顯示的數(shù)字值分析整理可得出他們之間的線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 數(shù)字值和電壓值之間的關(guān)系

從圖中選取幾組數(shù)字值和電壓值計(jì)算出數(shù)字值和電壓值之間滿足線性關(guān)系的斜率為50.33，即以Y表示數(shù)字值，X為電壓值，則Y=50.33X.

由表1中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出顯示裝置的相對(duì)顯示誤差。

產(chǎn)生誤差的原因是受限于顯示設(shè)備的精度和程序的設(shè)計(jì)，數(shù)碼管以精確到個(gè)位為精準(zhǔn)度，在顯示中個(gè)位的數(shù)字會(huì)因外界的干擾發(fā)生變動(dòng)；程序設(shè)計(jì)中因受限于顯示設(shè)備是4位的數(shù)碼管，所以在程序的編寫過程中沒有附加考慮小數(shù)點(diǎn)后的精度。但從數(shù)值與電壓值之間的線性關(guān)系函數(shù)角度考慮，顯示裝置的目的已經(jīng)做到了。通過電壓值與數(shù)字值之間的函數(shù)關(guān)系，在顯示裝置上顯示出實(shí)時(shí)變化的數(shù)字量，通過線性函數(shù)關(guān)系找到對(duì)應(yīng)的電壓值，通過變送器的逆向轉(zhuǎn)換可以得到科里奧力的大小，進(jìn)而計(jì)算出空氣質(zhì)量流量的大小。

5 結(jié)束語

顯示裝置的設(shè)計(jì)是空氣質(zhì)量流量計(jì)設(shè)備上一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在考慮主要模塊的基礎(chǔ)上，文章以羅蒙斯特空氣質(zhì)量流量計(jì)為設(shè)計(jì)針對(duì)原型，運(yùn)用多種電子EDA軟件繪制并制作了一個(gè)簡易的顯示裝置，結(jié)果的分析表明顯示裝置的優(yōu)劣在對(duì)空氣質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。