隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車逐漸走入普通家庭，人們對(duì)汽油的消費(fèi)也多了起來(lái)。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽油的指標(biāo)有嚴(yán)格的限制，使用指標(biāo)不合格的汽油會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)；于是，對(duì)汽油標(biāo)號(hào)的檢測(cè)就變得重要起來(lái)。為此，設(shè)計(jì)了一種便攜式油介質(zhì)檢測(cè)儀，用它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油標(biāo)號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而滿足了市場(chǎng)上實(shí)際應(yīng)用的需要。

１ 測(cè)量方案的實(shí)現(xiàn)

１.１ 設(shè)計(jì)原理

１.１.１ 背景知識(shí)

汽油的標(biāo)號(hào)是由其辛烷值確定的。辛烷值是測(cè)定汽油抗震性能的一種指標(biāo)，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(guò)與異辛烷比較來(lái)確定的，如９３號(hào)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(xiàn)采用電容電測(cè)的方法，以電容為傳感器，以相對(duì)介電常數(shù)為相關(guān)變量，間接測(cè)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(dòng)性好、揮發(fā)性強(qiáng)，這些特點(diǎn)為使用電容式傳感器直接測(cè)量其相對(duì)介電常數(shù)創(chuàng)造了有利條件。

    由電工學(xué)知識(shí)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(shù)；εｒ?yàn)橄鄬?duì)介電常數(shù)(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(duì)介電常數(shù)εｒｎ約等于同一傳感器以汽油為介質(zhì)時(shí)的電容值Ｃ與以空氣為介質(zhì)的電容值Ｃ０之比。對(duì)同一品質(zhì)的汽油，該比值為一常數(shù)。于是，可以通過(guò)測(cè)定浸入待測(cè)油品中的電容傳感器的電容值Ｃ來(lái)得到待測(cè)汽油的相對(duì)介電常數(shù)εｒｎ。

圖2 電路原理圖

    通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出汽油的辛烷值Ｙｎ與其相對(duì)介電常數(shù)εｒｎ之間存在著函數(shù)關(guān)系，即：

Ｙｎ＝Ｙ０－ｋ·εｒｎ

其中，ｋ為斜率參數(shù)；Ｙ０為截距參數(shù)。

這些參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境在現(xiàn)場(chǎng)由試驗(yàn)標(biāo)定設(shè)置。

１．２ 硬件設(shè)計(jì)

本裝置的測(cè)量原理框圖如圖１所示。

這里選用了ＭＡＸ０３８高頻精密波形發(fā)生器作為整個(gè)電路的核心器件，產(chǎn)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(dú)立調(diào)節(jié)；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(guò)恒定電流對(duì)電容Ｃ進(jìn)行交替充放電的張弛振蕩器，同時(shí)產(chǎn)生三角波和方波。充放電電流由流入引腳ＩＩＮ的電流來(lái)控制，由施加在引腳ＦＡＤＪ和引腳ＤＡＤＪ的電壓來(lái)調(diào)節(jié)。

    輸出波形的占空比可以通過(guò)對(duì)引腳ＤＡＤＪ施加電壓來(lái)控制。在正常情況下，ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ，占空比為５０％。ＶＤＡＤＪ從＋２．３Ｖ變到－２．３Ｖ時(shí)，占空比從１５％變?yōu)椋福担?，大概每伏特變化１５％。?dāng)ＶＤＡＤＪ超過(guò)±２．３Ｖ時(shí)，將使頻率漂移，并引起不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)引腳ＤＡＤＪ上的電壓可以減少正弦波的失真。未調(diào)整時(shí)（ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ）的占空比為５０％±２％，若對(duì)ＶＤＡＤＪ加一個(gè)小的調(diào)整電壓（不大于１００ｍＶ），則可以使波形準(zhǔn)確對(duì)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(dāng)ＶＦＡＤＪ＝０Ｖ時(shí)，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(dāng)１０μＡ≤ＩＩＩＮ≤４００μＡ?xí)r，ＭＡＸ０３８達(dá)到最佳工作性能。所以，當(dāng)需要固定頻率時(shí)，取ＩＩＩＮ為１００μＡ。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(gè)接地平面來(lái)減小其它雜散信號(hào)的耦合。

由于ＭＡＸ０３８產(chǎn)生的是高頻信號(hào)，很難直接進(jìn)行計(jì)數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算，所以必須對(duì)ＭＡＸ０３８的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。在這里，選用了兩片７３ＨＣ３９３進(jìn)行分頻，從而得到便于處理的方波信號(hào)。

具體電路如圖２所示。

１．３ 軟件設(shè)計(jì)

普通的單片機(jī)軟件都是采用一種前后臺(tái)的編程方式，后臺(tái)采用死循環(huán)輪詢的方式，前臺(tái)處于等待中斷的狀態(tài)，一旦中斷發(fā)生就會(huì)打斷后臺(tái)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(fù)雜度大大增加，編寫和維護(hù)都很困難，而且任何一個(gè)部分出了問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)處于死機(jī)狀態(tài)。為此選擇在ＲＴＯＳ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的軟件。ＲＴＯＳ的特點(diǎn)就是多任務(wù)，可以許多個(gè)任務(wù)同時(shí)存在，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行任務(wù)切換。多任務(wù)使得ＣＰＵ的利用率達(dá)到了最大，并且使軟件最大程度地模塊化，便于編寫。

系統(tǒng)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(wù)：

(１)ＣＡＮ管理任務(wù)，負(fù)責(zé)ＣＰＵ和ＬＣＤ板的通信，可以發(fā)送／接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。

(２)２３２管理任務(wù)，負(fù)責(zé)ＣＰＵ和上位機(jī)的通信，可以發(fā)送／接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。

(３)ＣＡＮ中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個(gè)ＣＡＮ幀。

(４)２３２中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個(gè)２３２幀。

(５)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，可以執(zhí)行以下操作。

①接收一個(gè)２３２／ＣＡＮ的數(shù)據(jù)包。

②發(fā)送一個(gè)２３２／ＣＡＮ的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，等待２３２／ＣＡＮ的發(fā)送狀態(tài)返回信息。

③分析接收到的２３２／ＣＡＮ數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫操作，或者搜索操作。

(６)Ｉ／Ｏ時(shí)鐘任務(wù)，定時(shí)執(zhí)行以下操作（兩次刷新間隔５００ｍｓ）：

①讀取外界模擬量，并寫到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

②讀取外界開關(guān)量，并寫到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

③讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸出開關(guān)量和模擬量。

④調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間。刷新系統(tǒng)的時(shí)候要求獨(dú)占ＣＰＵ。

(７)時(shí)間任務(wù)，定時(shí)刷新看門狗（兩次刷新間隔５００ｍｓ）。

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

(９)存盤任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行存盤，每次存儲(chǔ)一個(gè)內(nèi)存塊，獨(dú)占ＣＰＵ（兩個(gè)內(nèi)存塊間隔１００ｍｓ）。

（１０）自動(dòng)檢測(cè)任務(wù)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)控制邏輯，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到控制所有Ｉ／Ｏ的目的（兩次調(diào)節(jié)相差１ｓ）。

    ＥＣＰＵ板信號(hào)流程如圖３所示。

ＬＣＤ模塊包含以下任務(wù)：

(１)ＣＡＮ中斷處理任務(wù)，負(fù)責(zé)接收發(fā)送一個(gè)ＣＡＮ幀。

(２)ＣＡＮ管理任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送接收一個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ數(shù)據(jù)包，同時(shí)負(fù)責(zé)ＬＣＤ與ＣＰＵ的通信。

(３)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，負(fù)責(zé)Ｍｏｄｂｕｓ命令與需求間的解釋。

(４)刷新任務(wù)（間隔５００ｍｓ），負(fù)責(zé)從ＣＰＵ板上的數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，刷新ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ動(dòng)態(tài)信息，然后刷新ＬＣＤ。

(５)鍵盤任務(wù)，它可以執(zhí)行以下內(nèi)容（間隔３００ｍｓ）：

①分析鍵盤捕獲的按鍵，改變ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息。

②分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，從ＣＰＵ上讀取動(dòng)態(tài)信息。

③分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，刷新ＣＰＵ上的動(dòng)態(tài)信息。

④刷新ＬＣＤ。

ＥＬＣＤ板信號(hào)流程如圖４所示。

２ 主要性能指標(biāo)

該系統(tǒng)測(cè)量電容范圍在１０ｐＦ～２００ｐＦ之間，測(cè)量誤差小于５％，一次測(cè)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(cè)量的精度，仍需采取恒溫、防潮、屏蔽和接地等措施。必要時(shí)，還可以考慮采取雙屏蔽，從而實(shí)現(xiàn)等電位傳輸技術(shù)。

本裝置不僅適用于無(wú)鉛汽油和含鉛汽油，同時(shí)也適用于其它多種油介質(zhì)的檢測(cè)，并可以進(jìn)一步應(yīng)用到其它非油介質(zhì)的絕緣材料的檢測(cè)中。