基于STC89C52的車載油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李洪亮，儲江偉

(東北林業(yè)大學 交通學院，哈爾濱 150040)

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展和測量水平的不斷提高，數(shù)字油耗儀的出現(xiàn)使運行車輛燃油消耗實時監(jiān)測得以實現(xiàn)[1-3]，但在人機交互、通用性以及數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)确矫?，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(shè)計一種基于單片機的燃油消耗實時監(jiān)測系統(tǒng)，旨在方便接收道路運輸企業(yè)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(shù)據(jù)及車輛相關(guān)參數(shù)，接收監(jiān)控終端的各項指令，實現(xiàn)營運車輛的實時調(diào)度，從而提高道路運輸企業(yè)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(tǒng)總體設(shè)計

道路運輸企業(yè)的營運車輛大多以柴油發(fā)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(shù)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(jiān)測裝置的精度和可靠性[7]?；赟TC89C52的車載油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠采集營運車輛的瞬時油耗數(shù)據(jù)，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(guān)參數(shù)[8]。營運過程中的大量數(shù)據(jù)可以存儲于油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)的存儲器中進行分析，也可以通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)將各項數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控終端上位機進行統(tǒng)計分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)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(gòu)成，其主要元器件及型號見表1，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)主要元器件選配

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源處理模塊

穩(wěn)定可靠的電源是油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，該車載系統(tǒng)的監(jiān)測終端需外接24 V或12 V直流電源，通過相關(guān)電路和元件轉(zhuǎn)換為5 V和3 V的內(nèi)部模塊所需電壓，同時備有充電電池，以防系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定，極易導致油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)失準，因此本文采用外接電源預處理技術(shù)，為終端內(nèi)部模塊及其它元件穩(wěn)定提供電源。經(jīng)過外接電源的預處理過程后，得到穩(wěn)定電源VCC1作為單片機供電處理模塊的輸入電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓器LM2576S-5.0進行穩(wěn)壓后獲得單片機系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)，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(guān)斷電路，待機電流典型值僅為 50μA；輸出開關(guān)具有逐周限流及故障狀態(tài)下提供完全保護的熱斷功能。通過REG1117三端穩(wěn)壓器為GPS模塊供電，能夠穩(wěn)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(nèi)含有8 k Bytes的可擦寫Flash程序存儲器和512 Bytes 的數(shù)據(jù)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(tǒng)的8051單片機完全兼容，具備超強抗干擾、低功耗、驅(qū)動能力強和程序保密性強等優(yōu)點[9]。

2.3 油耗數(shù)據(jù)采集模塊

利用抗干擾能力強、動態(tài)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(jiān)測系統(tǒng)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(shù)機構(gòu)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(cè)的壓力差將推動活塞做回轉(zhuǎn)運動，此時與活塞相連的磁性耦合器也隨之轉(zhuǎn)動；活塞每旋轉(zhuǎn)一次，磁性耦合器就耦合一次，并輸出持續(xù)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(fā)單片機的端口中斷；當中斷程序判斷得出因INT1觸發(fā)而引起中斷時，則脈沖計數(shù)器加1，實現(xiàn)計數(shù)功能；由于活塞的轉(zhuǎn)數(shù)正比于流過傳感器的油量，因此單片機記錄的脈沖數(shù)即流過傳感器的油量倍數(shù)。

圖3 脈沖信號采集電路圖

2.4 GPS定位模塊

監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)[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(xié)議采用NMEA0183標準格式，其串行通信參數(shù)包括波特率為4800bps、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的可靠性，在系統(tǒng)軟件開發(fā)時必須進行檢驗計算和對比分析。

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

監(jiān)測系統(tǒng)配備了GPRS通訊模塊，用來實時傳輸油耗數(shù)據(jù)及車輛相關(guān)參數(shù)；同時選用CH375接口芯片在硬件上集成了數(shù)據(jù)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(shè)備方式，還可方便掛接在單片機系統(tǒng)總線上；在接口插上符合規(guī)格的USB閃存驅(qū)動器，即可存儲行車過程中的油耗和定位數(shù)據(jù)；運營結(jié)束后，監(jiān)測系統(tǒng)終端管理人員可通過USB閃存驅(qū)動器將數(shù)據(jù)導入油耗數(shù)據(jù)庫，便于進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

車載油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為控制軟件設(shè)計部分和上位機軟件設(shè)計部分?？刂栖浖O(shè)計部分主要是單片機軟件設(shè)計，準確采集營運車輛的定位信息、油耗數(shù)據(jù)及無線通訊和發(fā)送控制命令；上位機軟件設(shè)計部分主要是存儲道路運輸企業(yè)員工在工作區(qū)間內(nèi)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(jiān)測終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計和分析。

3.1 控制軟件設(shè)計

控制軟件設(shè)計采用模塊式開發(fā)，既便于程序的調(diào)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(fā)環(huán)境，選用C語言進行編程能夠大大節(jié)約開發(fā)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(tǒng)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(zhí)行該功能子程序，否則向下跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。系統(tǒng)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(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)上位機油耗管理軟件開發(fā)旨在實現(xiàn)油耗數(shù)據(jù)處理、油耗統(tǒng)計與管理、用戶軟件發(fā)布三個功能。油耗數(shù)據(jù)處理包括油耗數(shù)據(jù)的獲得及保存、數(shù)據(jù)檢索兩方面內(nèi)容；油耗的統(tǒng)計與管理部分主要是利用Microsoft Office宏及VBA語言實現(xiàn)VB與Excel之間的連接，從而進行統(tǒng)計、生成油耗曲線和報表、打印及存檔等操作。

4 結(jié)束語

基于STC89C52RC的車載油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)瞬時油耗、累計油耗等油耗數(shù)據(jù)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(shè)備與GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時存儲和遠程傳輸；利用油耗數(shù)據(jù)管理軟件，道路運輸企業(yè)的監(jiān)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(tǒng)計分析，結(jié)合生產(chǎn)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(yè)的燃油浪費現(xiàn)象，實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

【參 考 文 獻】

[1]張增建，傅茂林.發(fā)動機瞬態(tài)油耗測量系統(tǒng)研制[J].天津大學學報，2001，43(4)：550-553.

[2]付百學，胡勝海.基于碳平衡法的汽車油耗智能測試技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(1)：295-298.

[3]高雅彪，李洪宇，李醒飛.應用橢圓齒輪流量計的內(nèi)燃機油耗測量系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報，2011，24(9)：1353-1358.

[4]劉 軍，王 云，張 濤，等.汽車油耗智能快速測試系統(tǒng)的開發(fā)[J].控制工程，2011，18(5)727-730.

[5]裘正軍，何 勇.發(fā)動機瞬時油耗測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(1)：124-126.

[6]閆奇瑾，張春富.基于雙流量傳感器的汽車油耗檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(12)：153-155.

[7]張 濤，孫立軍，王 軍，等.內(nèi)燃機車隨車油耗儀的研究[J].儀器儀表學報，2005，26(2)152-156.

[8]姚煥新.汽車瞬時油耗檢測方法與試驗分析[J].汽車技術(shù)，2011(7)43-46.

[9]姜印平，尹俊杰，魏軍介，等.基于無線射頻通訊技術(shù)的車載油耗計量裝置[J].機械設(shè)計，2010，27(1)：71-73.

[10]閆正龍，陳正江，黃 強，等.基于GIS/GPS/GSM/GPRS技術(shù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西北大學學報(自然科學版)，2008，38(1)：127-130.

[11]楊善婷，陳藝軍.GPS衛(wèi)星星歷插值擬合方法研究[J].森林工程，2010，26(1)：80-83.