基于线阵CCD的非介入式高精度汽车油耗测量系统.pdf

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基f线阵CCD的菲介入式高精赛汽车油耗测量系统电子质量(2oi4第08期)基于线阵CCD的非介入式高精度汽车油耗测量系统DevelopmentonaVehicleFuelConsumptionIntelligentSystemBasedonLinearCCD孙伟策，，余丽丽z，曾强强(1．中国农业大学信息与电气工程学院电子工程系，北京100083；2．中国农业大学工学院车辆工程系，北京100083)SunWei—ce’，YuLi-li~ZengQiang—qiang1．CollegeofInformationandElectricalEngineer—ingDepartmentofElectronicEngineering，ChinaAgricuhuralUniversity，Beijing100083；2．CollegeofEngineeringDepartmentofVehicleEngineering，ChinaAgrieulturalUniversity，Beijing100083)摘要：针对现在高精度油耗仪设计复杂的问题，介绍了一种使用光学CCD传感器测量发动机油耗的方式，并且设计了以单片机为核心的智能测量仪器。介绍了系统的测量原理、单片机的测量控制电路及程序流程，以及测量上位机软件的设计。该油耗仪功能强、精度高、可搭载在行驶的汽车使用，较为方便，可挂载到汽车上进行实时试验，提高了油耗仪的测量效率。关键词：CCD光学传感器；油耗仪；非介入；智能化；高精度中圈分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1003—0107(2o14)o8—001I-04Abstract：Thisarticleintroducedthemethodofcalculatingfuelconsumptionbyusinglinearccd．Thisintelli—gentsystemiscontrolledbyMCU．Italsointroducedthetheoryofmeasurement．InordertomeasuretheOlfconsumptionaccuratelyanewcircuitandconvenientsoftwarewasdesigned．Theexperimentsshowthatthemeasurehadahighaccuracy．Thissystemcanattachtotheautomobilewhichmakesitveryconvenientandelevatetheeficiencyofmeasurement．Keywords：linearCCD；oilconsumptionmeter；noneintrusive；inteligent；highlyaccurateCLCnumber：TP216Docum捌Ttcode：AArt~：leID：l0o3—0107(2o14)08—0011-040引言过MD转换器直接显示在油量指示表上，此方法结构简燃油消耗率是评价发动机的重要性能指标。目前，单，但是精度不够，并且采用浮子感知，汽车在行驶时的国内外汽车油耗测量装置可分为介入式和非介入式。其振动所导致的油面起伏会影响测量结果的准确度。根据中，供油系统流量的测量方式是目前测量汽车油耗的最上述描述的优缺点，本文根据光电原理提出一种使用主要方式，这种方式是通过将流量测量装置接人到发动CCD线阵测量发动机油耗的方式，并且基于单片机设计机供油系统中作为整体进行油耗测量，但是该方式有明了一种智能油耗仪。与传统的方法相比，光电检测方法显的缺点，需要拆卸发动机供油系统，测量步骤繁琐，可具有很多优点，它可以在不拆卸油路的情况下直接测靠性难以得到保证，测量精度也很难得到提高。量，测量精度高，测量结果受油面起伏的影响较小。崔艳等根据超声波测距原理，以AT89C52单片机系统为核心，开发超声波油量测量仪『11。利用超声波的传1系统测量原理播速度及单片机计时器测量到的超声波传播时间来计电荷耦合器件是一种可以记录影像的成像器件，它算得到罐顶到油面的距离，由此算出储油罐内油的高是由一系列排列紧密的MOS电容组成的感光器件。度，进一步计算出油的体积和重量。此方法为非介入式，CCD芯片密集排布有很多光敏单元，在实验过程中且测量精度很高，但是技术比较复杂。CCD芯片可以将不同的光信号转换成电信号输出，从而刘成超设计了一种基于单片机的采用无触点磁敏形成原始的光图像。当感光器件上不同区域的光线强度油位传感器测量汽车燃油量的方法[21。此方法采用无触分布不均匀时，其信息就会被反映在CCD输出的电信点磁敏油位传感器测量油位信号，并经放大器处理后经号中。系统组成如图1所示。基金项目：国家大学生创新项目(编号：201310019062)作者简介：孙伟策(1993一)，男，在读本科生，研究方向为机器视觉。 电子质量(2014第08期)基于线阵CCD的菲介入式高精度汽车油耗测量系统连接油箱图1系统组成在测量时，假设油箱的密封性良好，所以当油量减当油量开始减少时，随着气压的减少液柱开始下小时会使得油箱内的气压降低。使得安装在油箱口的传降，挡住的光线所在的位置发生变化，CCD感光后将各感设备的气压发生变化。部分的光强输出。系统工作大致如下：液柱移动距离为A，硬质玻璃管的直径为d，则：fI)系统上电后，连接油箱的气阀关闭，打开气泵。A：8·A·一一4(2)将液柱推到预定位置后，气泵关闭，将与气泵连接收到车辆的速度为，有：接的气阀关闭，并将连接油箱的气阀打开。!Q(3)在测量过程中，CCD传感器将数据传输给电脑￡：和单片机进行数据处理。所得百公里油耗为：(4)得到数据后进行滤波，在速度传感器向单片机传回数据后算出百公里油耗。Qs=(△￡为测量时间)为了使得测量系统的测量范围更大，使用完全对称为了降低线阵CCD对光信号的敏感性，可以在传的硬质玻璃管对称放置，塑料管底座使用3D打印机打感器感光部分加上偏振片来调整好角度同定，可以降低印得到高精度的对称样品。选择一个硬质玻璃管作为感CCD的敏感性，并调整光源强度，使得传出的数据更加光模块的测量对象，如图2所示。有效。2测量电路的设计测量电路如图3所示。油耗仪是以单片机为控制核心的，90C51是高性能8位单片机，在l2M频率下工作，主要完成系统的临界检测，机械控制和油耗计算的功能。采用C语言编程，其具有丰富的库函数，运行速度快，可移植性好，使用KEIL作为开发平台。CCD光学传感器周边的处理电路完成了放大和滤波的功能，采用SPI总线通信，通信协议简易可靠，易于与其他应用程序进行整合。为了使得该油耗仪可在车辆行驶的过程中使用，将输人电压升压得到24伏的油耗仪工作电压，并通过稳压芯片将各个模块的输入电压调节到合适位置。线图2感光模块光源的输入电压经过实验确定，亮度使得线阵CCD传说明：1为CCD恕学传感器；2为八个对称分布的出的数据阈值最为明显。串行通讯口不仅收集光信号数硬质玻璃管：3为线光源据，还接收车速的信息并做出处理。12 基于线阵CCD的菲介入式高精霞汽车油耗测量系统电子质量(2014第08期)／／1A／D转换放火传感器、＼J复位J}戈、测量按键照片r、、机电磁阀、气象r＼、／1电源横块牟}J：通讯图3测量电路Jf：始结合电脑中的软件可以较为直观地观测耗油量。通过电平转换模块，油耗仪可以与电脑通过USB进行通信，然后由相应的计算机软件进行数据分析。同时，油耗始化控制器和碘件信息仪的测量过程可由电脑控制，提高了自动化程度。3测量软件的设计，r中断软件可分为5部分，即液柱复位检测，临界检测，瞬时油耗，状态控制，联机通讯。软件框图如图4所示。软件先对硬件进行初始化，由开关输入操作指令，进行测量单片机执行相应的操作并等待接收数据。当电传嬉足钉发送新数据脑发出开始测量指令后，单片机开始模拟SPI的时序接收数据，同时电脑的软件上可以实时显示CCD传回的数据和原始数据处理后的结果。单片机在初始化之后的读入数掂控制由按键产生，复位和下一次测量既可以由按键给出也可以从电脑给出指令。电脑在接收完数据后将数据处处理数抛理，显示油耗结果。4用户软件界面数据是甭仃傲为满足在短时间内对油耗数据的实时显示，采用LabVIEW软件进行界面的设计。LabVIEW开发的虚拟汕睾fiJIj弹l自J仪器平台由前面板和程序流程两部分组成，前面板是油耗仪的人机界面，设定了测试仪的面板和功能，可以显清零衡存器准备次删鬣示和调节【31。程序流程是一种图形化的编程，体现了数据处理的思想和功能的实施流程。软件逻辑如图5所示。图4测量软件框图13 电子质量(2014第08期)基于线阵CCD的菲介入式高精度汽车油耗测量系统量应该比较大才能保证采集的数据不失真。CCD传感器一次采集的数据个数为2048个浮点型数据，满足高精度的要求。4．2油耗仪软件的数据处理CCD传感器的数据经过处理可以传输到电脑内，可以由LabVIEW调用编译出的动态链接库文件，进行数据的载人，读人的数据按照矩阵的形式存储。由实验测量出液柱位置的临界值，两次临界值的位置之差为液柱移动的距离△。计算出离散的时间耗油量后可以进行数据的插值，使得画出的曲线更为平滑，获得实时的大致油耗数据。5结论非介入式高精度油耗仪在单片机的控制下，用CCD的感光原理测量汽车的百公里油耗，它具有以下特点：可以接收CCD的光学数据和汽车车速模块的数据，可图5软件逻辑以与计算机双向通讯，操作简便，精度高，可提升测量百液柱挡光的部分使得CCD接收的光强减弱，Aft)公里油耗的效率。转化的结果自然会变小。LabVIEW通过捕捉光学数字信号的下降沿来定位液柱移动的位置。参考文献：4．1百公里油耗的计算方法[11崔艳，苗长云，厉彦峰．超声波油量测量仪的研究【J】．天为了提高精度，油耗仪采用瞬时测量油耗的方法。津工业大学学报，2004，23(1)：70—72．瞬时测量方式其实是减少时间测量间隔的一种方式，使【2】刘成超．一种汽车燃油量测量及数字显示系统的设计得油耗近似为瞬时值。因为测量百公里油耗的时间较【JJ_装备制造技术，201l，(1)：73—75．短，发动机在这段时间间隔里燃油的消耗量变少，有时【3】王磊，陶梅．精通LabVIEW8．0[MI．北京：电子工业出版社，2007：66—70．可能会小于发动机振动的变化，所以一次采集的数据的一一}'一；上接10页(8)电压偏差A(kV)：系统不平衡时测量电压与基参考文献：准电压之差。f11吉兴全，刘贵彬，成鲁钰，等．光伏并网对配网电压影响的PSCAD仿真与分析fJ1．电子质量，2013，(11)：44—47．5结语【2】吉兴全，刘贵彬，刘源，等．基于PQ控制微型燃气轮机经过大量的仿真实验，总体上，对称分量法检测三并网电流的仿真分析fJ1．电气技术，2014，(04)：16—19．相不平衡度数据准确、可靠性高。FFT算法可以快速检【31李军，黄学良，陈小虎，等．基于双重判据的微电网快速测频率、相位、幅值，完成谐波分析，满足系统电能质量孤岛检测技术fJ1-电力自动化设备，2012，(05)：38—42．的检测要求。电能质量检测软件可以检测出系统故障或『4]于青，卢晓惠，韩耀鹏．一种基于故障电流特性的反孤不平衡时电能质量的参数指标。岛保护技术[j1-山东大学学报：工学报，2013，(03)：105一l1014