最佳空燃比是發(fā)動機工作動力性的一個重要參數(shù)，它不僅影響車輛的燃油經(jīng)濟性，更對日益嚴重的尾氣排放環(huán)保性有著苛刻的要求。準確的顯示流入發(fā)動機的空氣質(zhì)量流量為發(fā)動機獲得最佳空燃比提供數(shù)據(jù)借鑒。以簡單易控制的STC89C52單片機為控制核心，經(jīng)過AD模塊的轉(zhuǎn)換，完成對空氣質(zhì)量流量計的顯示裝置，通過對數(shù)據(jù)顯示結(jié)果的分析找出模擬量與數(shù)字量之間的線性對應關系，從而為發(fā)動機提供最佳空燃比設立參照途徑。
1 羅蒙斯特質(zhì)量流量計的工作原理
羅蒙斯特質(zhì)量流量計的計量系統(tǒng)包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。傳感器由外殼、微振動測量管、振動驅(qū)動器和信號檢測器及溫度補償元件等主要部件組成。當氣體通過振動測量管時，在氣體推動及外加于測量管的振動力作用下，測量管將獲得附加的科里奧力，其大小與氣體的質(zhì)量流量成正比，科里奧力引起測量管的微小扭曲導致振動時的相位差轉(zhuǎn)換為線性的電信號輸出，變送器就將此電信號轉(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號，通過AD模塊顯示在顯示裝置上。
2 硬件電路設計
電信號的轉(zhuǎn)換是單通道，在此選擇容易掌握的ADC0804芯片，其模數(shù)轉(zhuǎn)換功能已足夠滿足需求。顯示裝置采用4段8位數(shù)碼管，精確度到個位。其模塊圖如圖1所示。
輸入模塊是經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換的電壓信號，其幅值在1~5V之間變化；AD模塊就是AD芯片，ADC0804是COMS依次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器，三態(tài)鎖定輸出，分辨率為8位，存取時間135us,轉(zhuǎn)換時間100us,從功能與成本角度考慮，ADC0804是比較合適的；控制模塊選用STC89C52單片機，其性能高，成本低的優(yōu)點在小型控制器的使用上得到普遍的應用。顯示模塊在此選取的是4段8位數(shù)碼管，由經(jīng)驗常識可知5V電壓值對應的數(shù)字量為255,所以在精度要求不是太高的情況下4段8位數(shù)碼管可以滿足其顯示準確性的要求。
2.1 PROTEL電路原理圖
PROTEL是PROTEL公司推出的一款用于電子設計的EDA軟件，因其模塊功能的多樣化和人性化得到眾多電子設計者的青睞。在設計空氣質(zhì)量流量顯示裝置電路板時，首先需要在PROTEL環(huán)境下對原理圖進行構思繪制。經(jīng)過對電路中所需各模塊的分析繪制出如下的電路原理圖，如圖2所示。
2.2 Proteus仿真電路
為了保證電路的搭建正確性和各模塊功能自檢的完善，還需要在Proteus仿真軟件中對搭建的電路原理圖進行仿真測試，如圖3所示是在Proteus仿真環(huán)境中對搭建的電路原理圖進行的仿真。
從圖中可以看出，電路包括最基本的功能模塊：單片機的復位功能模塊，AD模塊和數(shù)碼管的顯示模塊。外接的電壓是5V電壓值，為了可以實時模擬變送器輸出的電壓信號，在此添加一個電位器器件，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值變化來模擬輸出電壓信號的變化；從數(shù)碼管的數(shù)字顯示值上看，本次搭建電路和仿真是正確的；調(diào)節(jié)電位器的阻值發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)字量隨阻值大小的變化實時變化，表明此電路圖可以模擬變送器器輸出的電壓信號。在完成基本功能需求的基礎上，本電路圖在搭建時考慮到了為尋找后續(xù)電壓數(shù)字值和模擬量之間的對應關系，添加了一直流電壓表，用來顯示對應數(shù)字值所代表的電壓值。
3 單片機軟件設計
利用Kiel51C語言對各模塊進行編程，程序部分主要由主程序，AD采樣、轉(zhuǎn)換程序，數(shù)碼管顯示程序等組成。軟件程序的流程圖如圖4所示。
圖4 軟件程序的流程圖
4 結(jié)果分析
在做好的顯示裝置上采集一系列的電壓值與數(shù)字值。分析電壓值和數(shù)字值之間的對應關系，找出之間的比例關系，并對相關的數(shù)據(jù)結(jié)果整理分析計算出顯示裝置的誤差率。采集的相關數(shù)據(jù)如表1所示：
將所采集的電壓值與數(shù)碼管顯示的數(shù)字值分析整理可得出他們之間的線性關系，如圖5所示。
圖5 數(shù)字值和電壓值之間的關系
從圖中選取幾組數(shù)字值和電壓值計算出數(shù)字值和電壓值之間滿足線性關系的斜率為50.33,即以Y表示數(shù)字值，X為電壓值，則Y=50.33X.
由表1中的數(shù)據(jù)可以計算出顯示裝置的相對顯示誤差。
產(chǎn)生誤差的原因是受限于顯示設備的精度和程序的設計，數(shù)碼管以精確到個位為精準度，在顯示中個位的數(shù)字會因外界的干擾發(fā)生變動；程序設計中因受限于顯示設備是4位的數(shù)碼管，所以在程序的編寫過程中沒有附加考慮小數(shù)點后的精度。但從數(shù)值與電壓值之間的線性關系函數(shù)角度考慮，顯示裝置的目的已經(jīng)做到了。通過電壓值與數(shù)字值之間的函數(shù)關系，在顯示裝置上顯示出實時變化的數(shù)字量，通過線性函數(shù)關系找到對應的電壓值，通過變送器的逆向轉(zhuǎn)換可以得到科里奧力的大小，進而計算出空氣質(zhì)量流量的大小。
5 結(jié)束語
顯示裝置的設計是空氣質(zhì)量流量計設備上一個重要的環(huán)節(jié)，在考慮主要模塊的基礎上，文章以羅蒙斯特空氣質(zhì)量流量計為設計針對原型，運用多種電子EDA軟件繪制并制作了一個簡易的顯示裝置，結(jié)果的分析表明顯示裝置的優(yōu)劣在對空氣質(zhì)量流量計的設計環(huán)節(jié)中起著至關重要的作用。
