基于单片机的空气质量流量显示装置设计

摘要：空气质量流量显示装置可以直观的反映进入发动机的空气流量，有助于为发动机提供最佳的空燃比。本文以罗蒙斯特质量流量计为例，基于STC89C52单片机设计一种空气质量流量显示装置，通过在PROTEL中对硬件电路进行手工布线，在Proteus中对搭建的电路进行硬件仿真，Keil环境下对程序进行编写，找出数字量与传感器输出的电压信号之间的对应关系，送入微处理器，为发动机计算最佳空燃比做好后续工作。
关键词：空气质量流量计；单片机；显示装置

    最佳空燃比是发动机工作动力性的一个重要参数，它不仅影响车辆的燃油经济性，更对日益严重的尾气排放环保性有着苛刻的要求。准确的显示流入发动机的空气质量流量为发动机获得最佳空燃比提供数据借鉴。以简单易控制的STC89C52单片机为控制核心，经过AD模块的转换，完成对空气质量流量计的显示装置，通过对数据显示结果的分析找出模拟量与数字量之间的线性对应关系，从而为发动机提供最佳空燃比设立参照途径。

1 罗蒙斯特质量流量计的工作原理
    罗蒙斯特质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。传感器由外壳、微振动测量管、振动驱动器和信号检测器及温度补偿元件等主要部件组成。当气体通过振动测量管时，在气体推动及外加于测量管的振动力作用下，测量管将获得附加的科里奥力，其大小与气体的质量流量成正比，科里奥力引起测量管的微小扭曲导致振动时的相位差转换为线性的电信号输出，变送器就将此电信号转换为1～5V的电压信号，通过AD模块显示在显示装置上。

2 硬件电路设计
    电信号的转换是单通道，在此选择容易掌握的ADC0804芯片，其模数转换功能已足够满足需求。显示装置采用4段8位数码管，精确度到个位。其模块图如图1所示。

    输入模块是经过变送器转换的电压信号，其幅值在1～5V之间变化；AD模块就是AD芯片，ADC0804是COMS依次逼近型的AD转换器，三态锁定输出，分辨率为8位，存取时间135us，转换时间100us，从功能与成本角度考虑，ADC0804是比较合适的；控制模块选用STC89C52单片机，其性能高，成本低的优点在小型控制器的使用上得到普遍的应用。显示模块在此选取的是4段8位数码管，由经验常识可知5V电压值对应的数字量为255，所以在精度要求不是太高的情况下4段8位数码管可以满足其显示准确性的要求。
2．1 PROTEL电路原理图
    PROTEL是PROTEL公司推出的一款用于电子设计的EDA软件，因其模块功能的多样化和人性化得到众多电子设计者的青睐。在设计空气质量流量显示装置电路板时，首先需要在PROTEL环境下对原理图进行构思绘制。经过对电路中所需各模块的分析绘制出如下的电路原理图，如图2所示。

2．2 Proteus仿真电路
    为了保证电路的搭建正确性和各模块功能自检的完善，还需要在Proteus仿真软件中对搭建的电路原理图进行仿真测试，如图3所示是在Proteus仿真环境中对搭建的电路原理图进行的仿真。

    从图中可以看出，电路包括最基本的功能模块：单片机的复位功能模块，AD模块和数码管的显示模块。外接的电压是5V电压值，为了可以实时模拟变送器输出的电压信号，在此添加一个电位器器件，通过调节电位器的阻值变化来模拟输出电压信号的变化；从数码管的数字显示值上看，本次搭建电路和仿真是正确的；调节电位器的阻值发现数码管的数字量随阻值大小的变化实时变化，表明此电路图可以模拟变送器器输出的电压信号。在完成基本功能需求的基础上，本电路图在搭建时考虑到了为寻找后续电压数字值和模拟量之间的对应关系，添加了一直流电压表，用来显示对应数字值所代表的电压值。

3 单片机软件设计
    利用Kiel51C语言对各模块进行编程，程序部分主要由主程序，AD采样、转换程序，数码管显示程序等组成。软件程序的流程图如图4所示。

4 结果分析
    在做好的显示装置上采集一系列的电压值与数字值．分析电压值和数字值之间的对应关系，找出之间的比例关系，并对相关的数据结果整理分析计算出显示装置的误差率。采集的相关数据如表1所示：

    将所采集的电压值与数码管显示的数字值分析整理可得出他们之间的线性关系，如图6所示。

    从图中选取几组数字值和电压值计算出数字值和电压值之间满足线性关系的斜率为50.33，即以Y表示数字值，X为电压值，则Y=50.33X。
    由表1中的数据可以计算出显示装置的相对显示误差
   
    产生误差的原因是受限于显示设备的精度和程序的设计，数码管以精确到个位为精准度，在显示中个位的数字会因外界的干扰发生变动；程序设计中因受限于显示设备是4位的数码管，所以在程序的编写过程中没有附加考虑小数点后的精度。但从数值与电压值之间的线性关系函数角度考虑，显示装置的目的已经做到了。通过电压值与数字值之间的函数关系，在显示装置上显示出实时变化的数字量，通过线性函数关系找到对应的电压值，通过变送器的逆向转换可以得到科里奥力的大小，进而计算出空气质量流量的大小。

5 结束语
    显示装置的设计是空气质量流量计设备上一个重要的环节，在考虑主要模块的基础上，文章以罗蒙斯特空气质量流量计为设计针对原型，运用多种电子EDA软件绘制并制作了一个简易的显示装置，结果的分析表明显示装置的优劣在对空气质量流量计的设计环节中起着至关重要的作用。