基于STC89C52的車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李洪亮，儲(chǔ)江偉

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和測(cè)量水平的不斷提高，數(shù)字油耗儀的出現(xiàn)使運(yùn)行車輛燃油消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得以實(shí)現(xiàn)[1-3]，但在人機(jī)交互、通用性以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫?，尚存在一定的?wèn)題，有待于進(jìn)一步展開(kāi)研究[4-5]。鑒于此，本文擬設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的燃油消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在方便接收道路運(yùn)輸企業(yè)營(yíng)運(yùn)車輛的定位信息，實(shí)時(shí)顯示營(yíng)運(yùn)車輛運(yùn)行過(guò)程中的油耗數(shù)據(jù)及車輛相關(guān)參數(shù)，接收監(jiān)控終端的各項(xiàng)指令，實(shí)現(xiàn)營(yíng)運(yùn)車輛的實(shí)時(shí)調(diào)度，從而提高道路運(yùn)輸企業(yè)的能源管理水平，減少總體能源消耗，完善能源利用考核及評(píng)價(jià)體系。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

道路運(yùn)輸企業(yè)的營(yíng)運(yùn)車輛大多以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為主，通過(guò)在每輛車的供油管路中安裝兩個(gè)流量傳感器，以分別計(jì)量供油泵的輸油量以及噴油泵與噴油器的回油量，利用“流量差法”獲得營(yíng)運(yùn)車輛的瞬時(shí)油耗[6]。采用數(shù)字化溫度傳感器在柴油機(jī)油管進(jìn)出口進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而進(jìn)一步提高油耗監(jiān)測(cè)裝置的精度和可靠性[7]?；赟TC89C52的車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠采集營(yíng)運(yùn)車輛的瞬時(shí)油耗數(shù)據(jù)，通過(guò)配置GPS定位模塊獲取營(yíng)運(yùn)車輛的定位信息，以有線或無(wú)線的通訊方式實(shí)時(shí)顯示消耗信息和車輛定位信息，方便隨車人員準(zhǔn)確掌握營(yíng)運(yùn)車輛的油耗狀況及相關(guān)參數(shù)[8]。營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)于油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中進(jìn)行分析，也可以通過(guò)GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)將各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控終端上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分由電源處理模塊、STC89C52RC主控模塊、GPS模塊、GPRS模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、流量傳感器、溫度傳感器和存儲(chǔ)器等部分構(gòu)成，其主要元器件及型號(hào)見(jiàn)表1，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要元器件選配

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源處理模塊

穩(wěn)定可靠的電源是油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，該車載系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)終端需外接24 V或12 V直流電源，通過(guò)相關(guān)電路和元件轉(zhuǎn)換為5 V和3 V的內(nèi)部模塊所需電壓，同時(shí)備有充電電池，以防系統(tǒng)突然斷電無(wú)法正常工作，其電路原理如圖2所示。

圖2 電路原理圖

系統(tǒng)終端通常由蓄電池或點(diǎn)煙器等車載電源供電，由于這些電源工作不穩(wěn)定，極易導(dǎo)致油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，因此本文采用外接電源預(yù)處理技術(shù)，為終端內(nèi)部模塊及其它元件穩(wěn)定提供電源。經(jīng)過(guò)外接電源的預(yù)處理過(guò)程后，得到穩(wěn)定電源VCC1作為單片機(jī)供電處理模塊的輸入電壓，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器LM2576S-5.0進(jìn)行穩(wěn)壓后獲得單片機(jī)系統(tǒng)的供應(yīng)電源VCC2。LM2576S-5.0操作簡(jiǎn)單，只需極少的外部元件，并且包含內(nèi)置頻率補(bǔ)償和一個(gè)固定頻率的晶振；在指定的輸入電壓與輸出負(fù)載范圍內(nèi)，可保證±4%的最大輸出電壓誤差以及±10%的振蕩頻率誤差；集成外部關(guān)斷電路，待機(jī)電流典型值僅為 50μA；輸出開(kāi)關(guān)具有逐周限流及故障狀態(tài)下提供完全保護(hù)的熱斷功能。通過(guò)REG1117三端穩(wěn)壓器為GPS模塊供電，能夠穩(wěn)定輸出3.3 V的可用電源VCC3。

2.2 單片機(jī)主控模塊

宏晶科技公司推出的STC89C52RC型單片機(jī)，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)80MHz，片內(nèi)含有8 k Bytes的可擦寫(xiě)Flash程序存儲(chǔ)器和512 Bytes 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)配備8 BitA/D、PWM、I2C、UART和看門(mén)狗等模塊，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)完全兼容，具備超強(qiáng)抗干擾、低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和程序保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9]。

2.3 油耗數(shù)據(jù)采集模塊

利用抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的LS-04型流量傳感器采集油耗脈沖信號(hào)，以提高車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度，其脈沖信號(hào)采集電路如圖3所示。LS-04型流量傳感器的計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)完全與油液隔離，依靠磁性傳動(dòng)；當(dāng)接入管路并有燃油流過(guò)時(shí)，進(jìn)出口兩側(cè)的壓力差將推動(dòng)活塞做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)與活塞相連的磁性耦合器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；活塞每旋轉(zhuǎn)一次，磁性耦合器就耦合一次，并輸出持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)的低電平。單片機(jī)STC89C52RC的輸入端口INT1獲得低電平電壓，其下降沿可觸發(fā)單片機(jī)的端口中斷；當(dāng)中斷程序判斷得出因INT1觸發(fā)而引起中斷時(shí)，則脈沖計(jì)數(shù)器加1，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能；由于活塞的轉(zhuǎn)數(shù)正比于流過(guò)傳感器的油量，因此單片機(jī)記錄的脈沖數(shù)即流過(guò)傳感器的油量倍數(shù)。

圖3 脈沖信號(hào)采集電路圖

2.4 GPS定位模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備了GPS 模塊，用于實(shí)時(shí)獲取營(yíng)運(yùn)車輛速度和里程等定位信息。系統(tǒng)采用瑞士u-blox公司推出的NEO-6M型定位模塊，定位引擎跟蹤靈敏度最高至-162dBm，信息捕獲速度快，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具備UART、USB、DDC和 SPI 端口，低功耗，低成本，易于集成開(kāi)發(fā)[10-11]。GPS無(wú)線通信模塊的電路原理如圖 4 所示，11號(hào)引腳外接天線，用于接受射頻信號(hào)；5、6、7號(hào)三個(gè)引腳接存儲(chǔ)單元；20、21號(hào)引腳接單片機(jī)STC89C52RC的UART串口，進(jìn)行GPS 定位信息通信；22號(hào)引腳接配用電源。GPS通訊協(xié)議采用NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)格式，其串行通信參數(shù)包括波特率為4800bps、數(shù)據(jù)位為8bit、開(kāi)始位為1bit、停止位為1bit和無(wú)奇偶校驗(yàn)位等。為確保GPS數(shù)據(jù)的可靠性，在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)必須進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算和對(duì)比分析。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備了GPRS通訊模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)傳輸油耗數(shù)據(jù)及車輛相關(guān)參數(shù)；同時(shí)選用CH375接口芯片在硬件上集成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用來(lái)存儲(chǔ)營(yíng)運(yùn)車輛運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)油耗信息。CH375芯片是一種USB總線的通用接口芯片，不僅支持HOST主機(jī)和SLAVE設(shè)備方式，還可方便掛接在單片機(jī)系統(tǒng)總線上；在接口插上符合規(guī)格的USB閃存驅(qū)動(dòng)器，即可存儲(chǔ)行車過(guò)程中的油耗和定位數(shù)據(jù)；運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端管理人員可通過(guò)USB閃存驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入油耗數(shù)據(jù)庫(kù)，便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的電路原理如圖5所示。

圖4 GPS電路原理圖

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為控制軟件設(shè)計(jì)部分和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分?？刂栖浖O(shè)計(jì)部分主要是單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確采集營(yíng)運(yùn)車輛的定位信息、油耗數(shù)據(jù)及無(wú)線通訊和發(fā)送控制命令；上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分主要是存儲(chǔ)道路運(yùn)輸企業(yè)員工在工作區(qū)間內(nèi)所駕駛營(yíng)運(yùn)車輛的行車?yán)锍?、平均車速、瞬時(shí)油耗量和累積耗油量等信息，管理人員能夠在監(jiān)測(cè)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)和分析。

3.1 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件設(shè)計(jì)采用模塊式開(kāi)發(fā)，既便于程序的調(diào)試和鏈接，又便于進(jìn)行移植修改。STC89C52RC型單片機(jī)具有良好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，選用C語(yǔ)言進(jìn)行編程能夠大大節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，其主程序流程如圖6所示。單片機(jī)上電或復(fù)位時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢和初始化，然后讀取GPS模塊的定位信息，再依次判斷功能模塊的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)執(zhí)行該功能子程序，否則向下跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。系統(tǒng)中斷源包括油耗脈沖采集的外部中斷、定時(shí)中斷和串口通信接收中斷。

圖6 控制軟件的主流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)油耗管理軟件開(kāi)發(fā)旨在實(shí)現(xiàn)油耗數(shù)據(jù)處理、油耗統(tǒng)計(jì)與管理、用戶軟件發(fā)布三個(gè)功能。油耗數(shù)據(jù)處理包括油耗數(shù)據(jù)的獲得及保存、數(shù)據(jù)檢索兩方面內(nèi)容；油耗的統(tǒng)計(jì)與管理部分主要是利用Microsoft Office宏及VBA語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)VB與Excel之間的連接，從而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、生成油耗曲線和報(bào)表、打印及存檔等操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于STC89C52RC的車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作方便，成本較低，兼容性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。利用該車載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗等油耗數(shù)據(jù)以及行車?yán)锍?、行車速度等定位信息的?shí)時(shí)顯示，能夠通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備與GPRS無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸；利用油耗數(shù)據(jù)管理軟件，道路運(yùn)輸企業(yè)的監(jiān)控終端管理人員可以對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛行車過(guò)程中的實(shí)時(shí)耗油量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行燃料供給管理工作，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)員工的工作績(jī)效，有效改善道路運(yùn)輸企業(yè)的燃油浪費(fèi)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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