基于STC89C52的車載油耗實時監測系統設計

李洪亮，儲江偉

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

隨著科學技術的迅速發展和測量水平的不斷提高，數字油耗儀的出現使運行車輛燃油消耗實時監測得以實現[1-3]，但在人機交互、通用性以及數據實時傳輸等方面，尚存在一定的問題，有待于進一步展開研究[4-5]。鑒于此，本文擬設計一種基于單片機的燃油消耗實時監測系統，旨在方便接收道路運輸企業營運車輛的定位信息，實時顯示營運車輛運行過程中的油耗數據及車輛相關參數，接收監控終端的各項指令，實現營運車輛的實時調度，從而提高道路運輸企業的能源管理水平，減少總體能源消耗，完善能源利用考核及評價體系。

1 系統總體設計

道路運輸企業的營運車輛大多以柴油發動機為主，通過在每輛車的供油管路中安裝兩個流量傳感器，以分別計量供油泵的輸油量以及噴油泵與噴油器的回油量，利用“流量差法”獲得營運車輛的瞬時油耗[6]。采用數字化溫度傳感器在柴油機油管進出口進行溫度補償，從而進一步提高油耗監測裝置的精度和可靠性[7]。基于STC89C52的車載油耗實時監測系統能夠采集營運車輛的瞬時油耗數據，通過配置GPS定位模塊獲取營運車輛的定位信息，以有線或無線的通訊方式實時顯示消耗信息和車輛定位信息，方便隨車人員準確掌握營運車輛的油耗狀況及相關參數[8]。營運過程中的大量數據可以存儲于油耗實時監測系統的存儲器中進行分析，也可以通過GPRS通訊網絡將各項數據傳回監控終端上位機進行統計分析。

2 系統硬件設計

該油耗實時監測系統的硬件部分由電源處理模塊、STC89C52RC主控模塊、GPS模塊、GPRS模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、流量傳感器、溫度傳感器和存儲器等部分構成，其主要元器件及型號見表1，其系統硬件結構如圖1所示。

表1 監測系統主要元器件選配

圖1 系統硬件結構框圖

2.1 電源處理模塊

穩定可靠的電源是油耗實時監測系統正常工作的關鍵，該車載系統的監測終端需外接24 V或12 V直流電源，通過相關電路和元件轉換為5 V和3 V的內部模塊所需電壓，同時備有充電電池，以防系統突然斷電無法正常工作，其電路原理如圖2所示。

圖2 電路原理圖

系統終端通常由蓄電池或點煙器等車載電源供電，由于這些電源工作不穩定，極易導致油耗實時監測系統的數據失準，因此本文采用外接電源預處理技術，為終端內部模塊及其它元件穩定提供電源。經過外接電源的預處理過程后，得到穩定電源VCC1作為單片機供電處理模塊的輸入電壓，經過穩壓器LM2576S-5.0進行穩壓后獲得單片機系統的供應電源VCC2。LM2576S-5.0操作簡單，只需極少的外部元件，并且包含內置頻率補償和一個固定頻率的晶振；在指定的輸入電壓與輸出負載范圍內，可保證±4%的最大輸出電壓誤差以及±10%的振蕩頻率誤差；集成外部關斷電路，待機電流典型值僅為 50μA；輸出開關具有逐周限流及故障狀態下提供完全保護的熱斷功能。通過REG1117三端穩壓器為GPS模塊供電，能夠穩定輸出3.3 V的可用電源VCC3。

2.2 單片機主控模塊

宏晶科技公司推出的STC89C52RC型單片機，最高時鐘頻率可達80MHz，片內含有8 k Bytes的可擦寫Flash程序存儲器和512 Bytes 的數據存儲器，同時配備8 BitA/D、PWM、I2C、UART和看門狗等模塊，其指令代碼與傳統的8051單片機完全兼容，具備超強抗干擾、低功耗、驅動能力強和程序保密性強等優點[9]。

2.3 油耗數據采集模塊

利用抗干擾能力強、動態響應好的LS-04型流量傳感器采集油耗脈沖信號，以提高車載油耗實時監測系統的精度，其脈沖信號采集電路如圖3所示。LS-04型流量傳感器的計數機構完全與油液隔離，依靠磁性傳動；當接入管路并有燃油流過時，進出口兩側的壓力差將推動活塞做回轉運動，此時與活塞相連的磁性耦合器也隨之轉動；活塞每旋轉一次，磁性耦合器就耦合一次，并輸出持續時間為毫秒級的低電平。單片機STC89C52RC的輸入端口INT1獲得低電平電壓，其下降沿可觸發單片機的端口中斷；當中斷程序判斷得出因INT1觸發而引起中斷時，則脈沖計數器加1，實現計數功能；由于活塞的轉數正比于流過傳感器的油量，因此單片機記錄的脈沖數即流過傳感器的油量倍數。

圖3 脈沖信號采集電路圖

2.4 GPS定位模塊

監測系統配備了GPS 模塊，用于實時獲取營運車輛速度和里程等定位信息。系統采用瑞士u-blox公司推出的NEO-6M型定位模塊，定位引擎跟蹤靈敏度最高至-162dBm，信息捕獲速度快，抗干擾能力強，同時具備UART、USB、DDC和 SPI 端口，低功耗，低成本，易于集成開發[10-11]。GPS無線通信模塊的電路原理如圖 4 所示，11號引腳外接天線，用于接受射頻信號；5、6、7號三個引腳接存儲單元；20、21號引腳接單片機STC89C52RC的UART串口，進行GPS 定位信息通信；22號引腳接配用電源。GPS通訊協議采用NMEA0183標準格式，其串行通信參數包括波特率為4800bps、數據位為8bit、開始位為1bit、停止位為1bit和無奇偶校驗位等。為確保GPS數據的可靠性，在系統軟件開發時必須進行檢驗計算和對比分析。

2.5 數據存儲模塊

監測系統配備了GPRS通訊模塊，用來實時傳輸油耗數據及車輛相關參數；同時選用CH375接口芯片在硬件上集成了數據存儲模塊，用來存儲營運車輛運行過程中的實時油耗信息。CH375芯片是一種USB總線的通用接口芯片，不僅支持HOST主機和SLAVE設備方式，還可方便掛接在單片機系統總線上；在接口插上符合規格的USB閃存驅動器，即可存儲行車過程中的油耗和定位數據；運營結束后，監測系統終端管理人員可通過USB閃存驅動器將數據導入油耗數據庫，便于進行統計分析，數據存儲模塊的電路原理如圖5所示。

圖4 GPS電路原理圖

圖5 數據存儲模塊電路原理圖

3 系統軟件設計

車載油耗實時監測系統的軟件設計分為控制軟件設計部分和上位機軟件設計部分。控制軟件設計部分主要是單片機軟件設計，準確采集營運車輛的定位信息、油耗數據及無線通訊和發送控制命令；上位機軟件設計部分主要是存儲道路運輸企業員工在工作區間內所駕駛營運車輛的行車里程、平均車速、瞬時油耗量和累積耗油量等信息，管理人員能夠在監測終端實現數據匯總、統計和分析。

3.1 控制軟件設計

控制軟件設計采用模塊式開發，既便于程序的調試和鏈接，又便于進行移植修改。STC89C52RC型單片機具有良好的集成開發環境，選用C語言進行編程能夠大大節約開發時間，其主程序流程如圖6所示。單片機上電或復位時，首先進行系統自檢和初始化，然后讀取GPS模塊的定位信息，再依次判斷功能模塊的標志位，當標志位有效時執行該功能子程序，否則向下跳轉執行。系統中斷源包括油耗脈沖采集的外部中斷、定時中斷和串口通信接收中斷。

圖6 控制軟件的主流程圖

3.2 上位機軟件設計

監測系統上位機油耗管理軟件開發旨在實現油耗數據處理、油耗統計與管理、用戶軟件發布三個功能。油耗數據處理包括油耗數據的獲得及保存、數據檢索兩方面內容；油耗的統計與管理部分主要是利用Microsoft Office宏及VBA語言實現VB與Excel之間的連接，從而進行統計、生成油耗曲線和報表、打印及存檔等操作。

4 結束語

基于STC89C52RC的車載油耗實時監測系統操作方便，成本較低，兼容性強，具有廣闊的應用前景。利用該車載油耗實時監測系統，可以實現瞬時油耗、累計油耗等油耗數據以及行車里程、行車速度等定位信息的實時顯示，能夠通過存儲設備與GPRS無線通訊網絡實現數據的即時存儲和遠程傳輸；利用油耗數據管理軟件，道路運輸企業的監控終端管理人員可以對營運車輛行車過程中的實時耗油量進行統計分析，結合生產計劃進行燃料供給管理工作，從而準確評價員工的工作績效，有效改善道路運輸企業的燃油浪費現象，實現節能增效的目的。

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