OK具有自纠偏功能的数字式燃油表设计

第 21卷 第 2期 2007年 3月 山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition) Vo1．21 NO．2 M ar．2007 文章编号 ：1672～6197(2007)03～0052—04 具有自纠偏功能的数字式燃油 丁左武 ，刘启新 ' 朱 昊 ，佐国文 (1．南京工程学院 先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 210013； 2．南京工程学院 自动化系，江苏 南京 211167) 摘 要：针对传统的模拟式燃油表，当车辆在有坡度的路面条件下行驶时油量传感器对燃油箱内 的燃油量测量不准确的缺点，设计出具有自动纠偏功能的油量传感雾．论述了它的结构、工作原理、 安装的技术要求及安装此种数字式燃油表的工作原理．此油量传感器可以在车辆最大爬坡度范围 内的不同路面下具有自动纠偏检测功能．数字式燃油表内部的单片机对油量传感器检测出的油量 信号进行处理后，把燃油量在燃油表上精确显示出来． 关键词：燃油箱；单片机；数字式燃油表；油量传感器；纠偏 中图分类号 ：U463 文献标识码 ：A The design of an automatic rectifying digital fuel gauge DING Zuo—wu ，LIU Qi—xin ，ZHU Hao ，ZUO Guo—wen (1．Jiangsu Key Laboratary of Advanced Numerical Control Technology，Nanjing Institute of Technology， Nanjing 210013，China~2．Dept．of Automation，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China) Abstract： The fuel pressure sensor of a traditional analogy fuel gauge can’t measure the fuel quantity in the tank accurately．A kind of automatic rectifying digital fuel gauge is designed ． The fuel pressure sensor can rectify the deviation under the vehicle’S grade ability ． The sin— gle—chip microcomputer in the fuel gauge processes the signal from the fuel pressure sensor and then display the fuel cubage．In the paper，the fvel pressure sensor’S structure，working principle，fixing requirement and the digital fuel gauge’S working principle are described． Key words：fuel tank；single—chip microcomputer；digital fuel gauge；fvel pressure sensor； rectify 目前汽车上所使用的燃油表多为模拟量指 示，其结构是在表盘上通过五条刻线把燃油量分 成四格，通过指针指示燃油量的多少．这种结构的 燃油表只能粗略显示燃油量的数值，驾驶员无法 收稿 日期 ：2006—09—29 作者简介：丁左武(1975一)，男，助教，硕士 根据它得知燃油箱中的精确油量．现在燃油的价 格越来越高，有些加油站为了谋取不法暴利，私自 更换加油机的主板，目的是在加油时少给顾客燃 油．这种加油这些加油站之所以这么做，是因为目 维普资讯 http://www.cqvip.com 带2期 丁左武，等：具有自纠偏功能的数字式燃油表设计 53 前汽车上使用的模拟式燃油表只能通过指针大致 显示加油量的多少，无法显示准确的加油量． 随着数控技术的发展及单片机应用技术的普 及，能够精确显示汽车燃油量的数字式燃油表出 现了 ．但是目前的数字式燃油表的油量传感器 往往还是以前模拟式燃油表所使用的油量传感 器．图 1为传统油量传感器结构及工作原理图．当 车辆行驶的坡度不同，图 1(a)中的油量传感器浮 子会随液面的变化而上升或者下降，从而带动指 针绕固定轴旋转一个角度，使指针偏离实际燃油 量所在的位置，不能准确测出燃油量的多少．设计 出能够准确测量燃油量的传感器，直接关系到数 字式燃油表设计的成败． V 定轴 (q)结构 工作原理 图1 传统油■传感器结构及工作原理图 驶时，由于燃油箱也随车辆一起发生倾斜，使得燃 油箱中的油面高度发生变化，从而带动油量表传 感器的浮子作出相应的变化．油量传感器的变化 直接反映在燃油表上，就使得燃油表的指示值偏 离实际燃油量，驾驶员便无法知道燃油箱中实际 燃油量的多少． 图2(a)为汽车行确良驶在坡度为 卢的路面 上时，油量传感器工作位置图．AD线代表车辆水 平行驶时的燃油液面，此面平行于燃油箱的底平 面．假设此时油量表指针与 轴的夹角为a，且滑 动变阻器最右端与指针之间的电阻为 R。，则 己， D — D 一 5V× ．Bc线代表实际燃油液面，此液面 』、 保持水平面．BC线此时要真实反映液面变化情 况，只有满足 S△Ae 一S 这一条件．如果满足 SABF—S F，必须使得 △ABE兰△DCE．此时浮子 绕固定轴转动的角度为卢．那么，此时指针与 轴 的夹角为 + 图 2(b)是坡度为 卢路面时油量传感器工作 原理图．此时假设当指针绕固定轴多转过 卢角时， 指针在滑动变阻器上多增加的电阻值为 R ，则 1 传统油量传感器工作原理及缺点分析 U,i的值为己厂¨=SVX垦二 ．己厂¨的值要小于 1．1 传统油量传感器的工作原理 图1(a)所示的油量传感器安装在燃油箱内， 其上的油量传感器中的浮子漂浮在油面上．浮子 通过杠杆带动指针一起绕固定轴旋转．指针上面 的电压值 己， 传输到燃油表的表芯中，通过燃油表 内部的处理电路，把油量的值在燃油表表盘上指 示出来．滑动变阻器的阻值为R一200±1Q，指针 的阻值很小，在其上的电压降忽略不计． 假设图 1(a)中指针与水平方向的夹角为 a， R。为滑动变阻器最右端与指针之间的电阻值，图 1(b)中两电阻的值之和为 R。+(R～R。)一R，则 己， 值的大小与实际燃油量相对应，U 一5V× D —— D ． 实际应用的很多燃油箱，内部都为规则的 n 立方体结构， 的关系表达式基本上与燃油箱中 燃油量的值相对应． 1．2 缺点分析 越野汽车其设计时考虑到要在崎岖路面上行 驶，其允许的最大爬坡度是 3O。左右[2]．普通汽车 的最大爬坡度为 16．7。左右[引．当汽车在坡道上行 己， ，此时油量传感器的测量值要小于实际燃油量 的值． (a)位置 (b)工作原理 图2 坡度为』9路面上时油■传感器的位置及工作原理图 2 具有自纠偏功能的油量传感器设计 2．1 油量传感器结构 在具有 自纠偏功能的油量传感器结构图 3 (a)中，采用 了两个油量传感器，即油量传感 器 (一)和油量传感器(二)来测量燃油量．在设计此 油量传感器时，要求当车辆在有坡度的路面行驶 情况下，传感器(A)的指针在滑动变阻器上增加 (减小)的阻值和传感器(B)的指针在滑动变阻器 维普资讯 http://www.cqvip.com 54 山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 上减小(增加 )的阻值大小相等． 图 3(b)为具有 自纠偏功能的油量传感器等 效电路图．依然假设车辆在坡度为卢的路面行驶， 传感器(一)指针在滑动变阻器上的值增加量为 ．R ，则 u 一5×里二 ． 传感器(二)指针在 滑动变阻器上的值减小量为 R ，则 U2 一5× R — -- — R 。 一 +Rx ． 那么 U 和 U 的平均电压为 一U 一 5× 一 5× 下 R--Ro ，与车辆在水平路面时 所测得 的电压值相等． (8] (b) ’ 图3 具有自纠偏功能的油■传感器结构及等效电路图 2．2 油量传感器在油箱上的布置 在实际应用中，不仅在平行于车辆行驶的方 向有坡度值 ，在垂直于车辆行驶的方向，也有一 定的倾斜度 y值．为了保证车辆在坡度为 ，倾斜 度为 y路面上行驶时，图3(a)上的传感器(一)的 指针在滑动变阻器上增加(减小)的阻值和传感器 (二)的指针在滑动变阻器上减小(增加)的阻值大 小相等，需要在燃油箱上对传感器(一)和传感器 (--)的安装位置作特殊的要求． 对图3(a)进行分析可知，当车辆在坡度为 的 路面上行驶时，燃油箱中的燃油液面 BC与车辆在 水平方向行驶时燃油液面 AD的交线经过燃油箱 的纵向中剖面．在图2(a)中，由于 △ABE兰,SDCE， 那么在 BC线上，离 E点相等距离的点处，燃油液 面偏离原燃油水平液面线 AD上相对应点的距离 绝对值相等．在纵向中剖面左侧的点液面是下降 的，在纵向中剖面右侧的点液面是上升的． 在图3(a)中，如果假设油量传感器(一)固定 轴0 的坐标为( ，Y ， )和传感器(二)固定轴 0 的坐标为( ，y ， )，那么只要满足条件 一 -- X ， 一 ，就可以保证油量传感器(一)的浮子 绕固定轴旋转的角度和传感器(二)的浮子绕固定 轴旋转的角度相等，从而使得油量传感器(一)的 阻值增加(减小)量与油量传感器(二)的阻值减小 (增加)量相等． 对于垂直于车辆行驶方向的倾斜度 y，与分析 坡度为 的路面上行驶时的情况一样，为了保证油 量传感器的测量精度，要使得 y 一一y 这一条件 满足．所以，要保证数字式燃油传感器的测量精确， 燃油箱上传感器(一)和传感器(二)的转轴坐标必 须满足的条件是： l=--X2， 1—22，Yl一--y2． 3 基于改进型油量传感器的数字式 燃油表设计 本文中的数字式燃油表所使用 的 CPU为 Freescale公司生产的型号为 MC68HC908GP32 单片机．该单片机具有内置 8路 8位 A／D转换模 块，可以满足本系统使用要求．图4为本设计的数 字式燃油表硬件 电路原理图，采用 2位共阳极 LED显示燃油量，显示范围为 00~99． 图 4 数字式燃油表硬件电路原理图 图5为数字式燃油表测量与显示的软件流程图． 在流程图中，先测出U 的值并保存，接着测量 的 值，求出U 和 的平均值后，进行 A／D转换后，再进 行标度变换，把平均电压值转变为对应的燃油量． 显示部分，利用两片 74LS273分别对个位和 十位进行数据锁存，使得显示为静态显示．该程序 在循环中设置了 Feed watchdog语句，从而防止 程序进入死循环．在车辆上使用的燃油表，变换速 度不能太快，否则会分散驾驶员的注意力，故在流 程图中增加了延长一定时间的子程序． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 丁左武 ，等：具有自纠偏功能的数字式燃油表设计 55 4 结束语 新型数字式燃油表在安装了改进的油量传感 器后，当车辆处于不同运行路面时都能够精确显 示出燃油箱中油量的精确值，从而给驾驶员带来 极大的方便． 本文中的燃油箱为规则形状，对于不规则的 具体型号燃油箱，其数字式燃油表只要测量出足 够多点的燃油量与对应输出电压的关系，对燃油 箱进行标定即可满足使用要求． 参考文献 ： [1]宋传平．现代汽车仪表的发展趋势[J]．上海汽车，2005． (6)：39—40． [2]丁左武，曲金玉．越野汽车集油盒的设计与应用[J]．河南科 技大学学报(自然科学版)，2004．25(3)：67—69． 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