一種便攜式汽油標號檢測儀的設計

隨著近年來我國經濟的快速發展，汽車逐漸走入普通家庭，人們對汽油的消費也多了起來。由于汽車發動機對汽油的指標有嚴格的限制，使用指標不合格的汽油會損壞發動機；于是，對汽油標號的檢測就變得重要起來。為此，設計了一種便攜式油介質檢測儀，用它可以實現對汽油標號的實時檢測，從而滿足了市場上實際應用的需要。

１ 測量方案的實現

１.１ 設計原理

１.１.１ 背景知識

汽油的標號是由其辛烷值確定的。辛烷值是測定汽油抗震性能的一種指標，辛烷值越大，汽油的抗震性能越好。由于異辛烷的抗爆性最好，所以將它的抗爆性定為１００，也就是辛烷值為１００。其它燃料的辛烷值是通過與異辛烷比較來確定的，如９３號汽油的抗爆性是異辛烷的９３％，這種汽油的辛烷值就定為９３。

１.１.２ 模型的建立

現采用電容電測的方法，以電容為傳感器，以相對介電常數為相關變量，間接測定汽油辛烷值。汽油是具有電氣絕緣性能的液體混合物，粘度低、流動性好、揮發性強，這些特點為使用電容式傳感器直接測量其相對介電常數創造了有利條件。

    由電工學知識可知，平行板間的電容為：

Ｃ＝ε０·εｒ·Ｓ／ｂ

其中?熏ε０＝８．８５４１５×１０－１２Ｆ／ｍ,為真空的介電常數；εｒ為相對介電常數(在空氣中εｒ０≈１)。

平行板電容式傳感器在空氣中的電容為：

Ｃ０＝ε０·εｒ０·Ｓ／ｂ

式中，Ｓ為平行板的面積；ｂ為平行板的間距。

同一傳感器在汽油中的電容為：

Ｃ＝ε０·εｒｎ·Ｓ／ｂ

于是有：

Ｃ／Ｃ０＝εｒｎ·εｒ０≈εｒｎ

所以，汽油的相對介電常數εｒｎ約等于同一傳感器以汽油為介質時的電容值Ｃ與以空氣為介質的電容值Ｃ０之比。對同一品質的汽油，該比值為一常數。于是，可以通過測定浸入待測油品中的電容傳感器的電容值Ｃ來得到待測汽油的相對介電常數εｒｎ。

圖2 電路原理圖

    通過大量實測數據，得出汽油的辛烷值Ｙｎ與其相對介電常數εｒｎ之間存在著函數關系，即：

Ｙｎ＝Ｙ０－ｋ·εｒｎ

其中，ｋ為斜率參數；Ｙ０為截距參數。

這些參數需要根據實際環境在現場由試驗標定設置。

１．２ 硬件設計

本裝置的測量原理框圖如圖１所示。

這里選用了ＭＡＸ０３８高頻精密波形發生器作為整個電路的核心器件，產生高頻方波。ＭＡＸ０３８的工作頻率范圍為０．１Ｈｚ～２０ＭＨｚ；輸出波形可以是三角波、正弦波、鋸齒波、方波和脈沖波；頻率和占空比獨立調節；占空比可變（１５％～８５％）；具有低阻抗（０．１Ω）輸出緩沖器和低失真（０．７５％）正弦波。

ＭＡＸ０３８的工作電壓為±５Ｖ，其基本振蕩器是一種通過恒定電流對電容Ｃ進行交替充放電的張弛振蕩器，同時產生三角波和方波。充放電電流由流入引腳ＩＩＮ的電流來控制，由施加在引腳ＦＡＤＪ和引腳ＤＡＤＪ的電壓來調節。

    輸出波形的占空比可以通過對引腳ＤＡＤＪ施加電壓來控制。在正常情況下，ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ，占空比為５０％。ＶＤＡＤＪ從＋２．３Ｖ變到－２．３Ｖ時，占空比從１５％變為８５％，大概每伏特變化１５％。當ＶＤＡＤＪ超過±２．３Ｖ時，將使頻率漂移，并引起不穩定。調節引腳ＤＡＤＪ上的電壓可以減少正弦波的失真。未調整時（ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ）的占空比為５０％±２％，若對ＶＤＡＤＪ加一個小的調整電壓（不大于１００ｍＶ），則可以使波形準確對稱，并使失真減到最小。

ＭＡＸ０３８的輸出頻率由輸入ＩＩＮ引腳的電流、ＣＯＳＣ引腳電容和ＦＡＤＪ引腳上的電壓決定。當ＶＦＡＤＪ＝０Ｖ時，輸出頻率Ｆ０＝ＩＩＩＮ／Ｃ，則周期Ｔ０＝Ｃ／ＩＩＩＮ。其中，ＩＩＩＮ為輸入ＩＩＮ引腳的電流（２μＡ～７５０μＡ），Ｃ為ＣＯＳＣ所接的電容（１０ｐＦ～２００ｐＦ）。當１０μＡ≤ＩＩＩＮ≤４００μＡ時，ＭＡＸ０３８達到最佳工作性能。所以，當需要固定頻率時，?。桑桑桑螢椋保埃唉蹋?。電容必須用短引線，盡量減小分布電容的影響。在ＣＯＳＣ引腳及其引線周圍用一個接地平面來減小其它雜散信號的耦合。

由于ＭＡＸ０３８產生的是高頻信號，很難直接進行計數和相應的計算，所以必須對ＭＡＸ０３８的輸出信號進行分頻。在這里，選用了兩片７３ＨＣ３９３進行分頻，從而得到便于處理的方波信號。

具體電路如圖２所示。

１．３ 軟件設計

普通的單片機軟件都是采用一種前后臺的編程方式，后臺采用死循環輪詢的方式，前臺處于等待中斷的狀態，一旦中斷發生就會打斷后臺的輪詢。這種方式將各種情況的處理混雜在一起，使得軟件的復雜度大大增加，編寫和維護都很困難，而且任何一個部分出了問題，整個系統就會處于死機狀態。為此選擇在ＲＴＯＳ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）基礎上構建系統的軟件。ＲＴＯＳ的特點就是多任務，可以許多個任務同時存在，根據一定的調度規則，進行任務切換。多任務使得ＣＰＵ的利用率達到了最大，并且使軟件最大程度地模塊化，便于編寫。

系統軟件可分為兩大模塊：ＣＰＵ模塊和ＬＣＤ模塊。

ＣＰＵ模塊包含以下任務：

(１)ＣＡＮ管理任務，負責ＣＰＵ和ＬＣＤ板的通信，可以發送／接收一個Ｍｏｄｂｕｓ的數據包。

(２)２３２管理任務，負責ＣＰＵ和上位機的通信，可以發送／接收一個Ｍｏｄｂｕｓ的數據包。

(３)ＣＡＮ中斷任務，負責發送或接收一個ＣＡＮ幀。

(４)２３２中斷任務，負責發送或接收一個２３２幀。

(５)Ｍｏｄｂｕｓ任務，可以執行以下操作。

①接收一個２３２／ＣＡＮ的數據包。

②發送一個２３２／ＣＡＮ的響應數據包，等待２３２／ＣＡＮ的發送狀態返回信息。

③分析接收到的２３２／ＣＡＮ數據包中的內容，對實時數據庫和歷史數據庫進行讀寫操作，或者搜索操作。

(６)Ｉ／Ｏ時鐘任務，定時執行以下操作（兩次刷新間隔５００ｍｓ）：

①讀取外界模擬量，并寫到實時數據庫。

②讀取外界開關量，并寫到實時數據庫。

③讀取實時數據庫，并輸出開關量和模擬量。

④調整系統的時間。刷新系統的時候要求獨占ＣＰＵ。

(７)時間任務，定時刷新看門狗（兩次刷新間隔５００ｍｓ）。

(８)打印任務，接收信箱中的要求，進行打印，每次打印一個字符（兩個字符間隔１００ｍｓ）。

(９)存盤任務，接收信箱中的要求，進行存盤，每次存儲一個內存塊，獨占ＣＰＵ（兩個內存塊間隔１００ｍｓ）。

（１０）自動檢測任務，根據當前系統的狀態執行自動檢測控制邏輯，調節數據庫，達到控制所有Ｉ／Ｏ的目的（兩次調節相差１ｓ）。

    ＥＣＰＵ板信號流程如圖３所示。

ＬＣＤ模塊包含以下任務：

(１)ＣＡＮ中斷處理任務，負責接收發送一個ＣＡＮ幀。

(２)ＣＡＮ管理任務，負責發送接收一個Ｍｏｄｂｕｓ數據包，同時負責ＬＣＤ與ＣＰＵ的通信。

(３)Ｍｏｄｂｕｓ任務，負責Ｍｏｄｂｕｓ命令與需求間的解釋。

(４)刷新任務（間隔５００ｍｓ），負責從ＣＰＵ板上的數據庫讀取數據，刷新ＲＡＭ區中的ＬＣＤ動態信息，然后刷新ＬＣＤ。

(５)鍵盤任務，它可以執行以下內容（間隔３００ｍｓ）：

①分析鍵盤捕獲的按鍵，改變ＲＡＭ區中的ＬＣＤ控制信息。

②分析鍵盤捕獲的按鍵，根據ＲＡＭ區中的ＬＣＤ控制信息，從ＣＰＵ上讀取動態信息。

③分析鍵盤捕獲的按鍵，根據ＲＡＭ區中的ＬＣＤ控制信息，刷新ＣＰＵ上的動態信息。

④刷新ＬＣＤ。

ＥＬＣＤ板信號流程如圖４所示。

２ 主要性能指標

該系統測量電容范圍在１０ｐＦ～２００ｐＦ之間，測量誤差小于５％，一次測量周期小于１０分鐘，使用快捷方便。為了消除溫度、濕度、寄生電容的影響，保證測量的精度，仍需采取恒溫、防潮、屏蔽和接地等措施。必要時，還可以考慮采取雙屏蔽，從而實現等電位傳輸技術。

本裝置不僅適用于無鉛汽油和含鉛汽油，同時也適用于其它多種油介質的檢測，并可以進一步應用到其它非油介質的絕緣材料的檢測中。