一種便攜式汽油標(biāo)號(hào)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)
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由電工學(xué)知識(shí)可知，平行板間的電容為： Ｃ＝ε０%26;#183;εｒ%26;#183;Ｓ／ｂ 其中?熏ε０＝８．８５４１５%26;#215;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%26;#183;εｒ０%26;#183;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%26;#183;εｒｎ%26;#183;Ｓ／ｂ 于是有： Ｃ／Ｃ０＝εｒｎ%26;#183;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%26;#183;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%26;#177;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)椋福担ィ蟾琶糠刈兓保担?。?dāng)ＶＤＡＤＪ超過(guò)%26;#177;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％%26;#177;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)，?。桑桑桑螢椋保埃唉蹋痢ｋ娙荼仨氂枚桃€，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。
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