电喷汽车燃油消耗量实时测量与显示装置开发

李 浩 薛金林 石慧珺 石 卫 刘渊博 刘 凯 孙曙光

(南京农业大学工学院，南京 210031)

0 引言

随着汽车保有量的快速增加，石油(汽油、柴油)等非可再生资源的逐渐减少，人们环境保护的意识逐渐加强，要求限制车辆用油量的呼声越来越强烈[1]。因此，在燃油价格居高不下且新能源的广泛应用仍需时日的情况下，节省油耗已经成为一种必然的趋势。为此，汽车制造厂商极力研究与开发低油耗车辆，但是燃油的节省不仅与车辆本身的低油耗特性有关，还与驾驶员的驾驶技能有直接关系。目前，少数电喷汽油车上配有燃油消耗实时显示装置，通过此装置驾驶员可以实时了解车辆的油耗，有助于驾驶员改善驾驶技能。但是这些装置不具有通用性，也不具有驾驶技能的主动提示作用。

根据喷油脉宽与油耗量之间存在一定的关系,本文设计出能够实时测量与显示百公里油耗的装置。通过简单调校，该装置可以应用于任何一款电喷车辆。通过燃油消耗量的实时显示，让驾驶员实时了解车辆的燃油消耗，特别是当燃油消耗量较高时具有提示功能，提醒驾驶员注意自己的驾驶行为，促进燃油经济性与排放的改善。另外，通过该装置可以对车辆油耗进行检测，为车辆的维修提供依据。

1 总体设计

1.1 测量与显示装置总体设计

系统以单片机控制系统为核心，辅以电源模块、信号处理模块、LCD显示模块、按键控制模块以及报警系统等模块。系统由汽车电源经转换后供电，将采集到的信号经信号处理电路处理或者A/D转换后送入单片机，经过CPU的运算得到各参数的具体值，定时存储到单片机存储器中，并通过显示系统进行显示。其总体组成形式如图1所示。

图1 总体框图

喷油脉冲信号是从发动机电磁喷油器两端的喷油控制信号线上直接采集的，脉冲信号处理电路能够对喷油器脉冲信号进行整形处理，形成标准方波信号，单片机捕获方波信号后计算得到喷油器的喷油脉冲宽度。

车速信号处理电路对来自汽车车速传感器测得的车速信号进行处理，由单片机采集后计算得出车辆的瞬时速度，由此可以计算出行驶里程，并计算出百公里燃油消耗量等参数。

发动机工况信号主要是从节气门位置传感器测得的模拟信号获得，因而需要将此信号进行A/D转换，转换成单片机可以识别的数字信号，进而经计算可反映出不同负荷状态下发动机的工作状况，为系统相关参数的设置提供依据。

燃油流量信号是从外接的流量计取得，主要用来测量进油管和回油管中的燃油流量。流量计使用的是LWGY型涡轮流量计，该流量计可以测量充满封闭管道液体的瞬时流量和累积流量且可以输出电流脉冲信号。因此单片机直接采集该信号后可计算出实际的瞬时燃油消耗量。

显示部分与按键操控部分提供了人机交互的操作界面，可以响应用户的操作。显示部分能根据采集到的信号和预存的经标定实验得到的数据，来计算出最终的油耗值并以不同的形式显示出来。按键操控部分可以实现显示内容的切换。

报警装置可以对驾驶员的不良驾驶行为通过报警指示灯进行警示。单片机依据内存储器存储的数据及控制程序得到不同条件下的油耗量，当油耗量超过事先设定的油耗量正常值一定范围时，报警指示灯闪烁以提示驾驶员注意正确驾驶。

1.2 装置的应用调试

对于特定型号的电喷车，发动机燃油消耗量与喷油器的开启时间成正比，直接通过采集电磁喷油器的控制脉冲宽度(即喷油时间)找出油耗量和喷油脉宽之间的关系[2,3]。因此，首先需要获得一定测试时间段内的不同汽油机的喷油次数、喷油时间、发动机油耗量等，找出不同车辆喷油脉宽与喷油量的具体关系参数，最后对存储在单片机存储器中的参数进行调试使之适用于不同汽油机喷油器的喷油特性。经过简单调试后，就可以实现不同电喷车的应用。应用调试方案如图2。

其工作原理是用两个燃油流量计分别串接在发动机的进油路和回油路中，分别测量进油路和回油路的燃油流量，最后取两者差值作为发动机的燃油消耗量。

图2 测试调控系统框图

2 测量与显示装置控制系统硬件设计

2.1 喷油脉冲整形电路

汽车喷油器脉冲的整形电路如图3所示。由于汽车喷油信号脉冲尾部脉动信号电压波动较大，超出12V以上，且电压幅值变化较大[4]。为了防止信号在采集过程当中受到干扰，信号整形电路采用了二极管1N4148和LM358比较器处理输入信号的脉动干扰，最终将喷油器信号整形并转换成为0～+5V 的脉冲信号(如图3所示)，送入单片机的定时捕捉计数器中。整形电路主要有钳位电路、RC滤波电路和比较电路组成，主要的工作原理是当输入信号电压大于5V时， LM358的1脚输出高电平。当输入信号小于5V 时，LM358的1脚输出低电平，从而将喷油器信号整形并转换成为0～+5V 的脉冲信号。

图3 喷油脉冲整形电路

2.2 车速信号整形电路

汽车的车速信号取自车速传感器测得的汽车转速信号，常用的车速传感器为磁电式传感器，因此需要车速整形电路，将车速信号转换成能够识别的方波信号，具体的整形电路如图4所示。其实现方式主要是通过电阻分压、电容滤波，然后经二极管1N4001限幅、LM324电压跟随与比较及74SL14整形等处理后实现[5]。

图4 车速信号整形电路

2.3 A/D转换部分

A/D转换主要用于发动机工况信号的读取，经转换后可以把节气门位置传感器测得的模拟信号变成单片机能够识别的数字信号。该部分电路主要使用了ADC0804转换芯片，它是8位逐次逼近型的A/D转换器，由一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，输入方式为单通道，转换时间约为100μs，转换的非线性误差为±1LSB，+5V单电源供电，参考电压为2.5V，转换器的数据端与单片机直接相连。具体的电路连接如图5所示。

图5 A/D转换电路

2.4 单片机选择

本设计采用的单片机为ATMEGA8515，它是一种基于增强的AVR RISC结构的高性能、低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA8515 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，比普通CISC微控制器高至10倍的数据吞吐率[6]。

ATMEGA8515有以下特点：8千字节的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，512字节SRAM，一个外部存储器接口，35个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的定时器/ 计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。这些功能可以满足该测量系统的需要。

2.5 显示部分电路

显示系统采用LCD液晶显示屏显示油耗等内容，其电路连接方式如图6所示。通过单片机的PA口与液晶的D0～D7口相连，PC口的3、4、5脚分别与液晶的RS、RW、EN端连接。液晶的3脚经过一个1kΩ可调电阻接地，可以调节显示屏的亮度。通过按键等其他相关电路的控制，可以液晶切换显示不同的内容。

图6 显示系统电路图

2.6 按键操控与报警电路

按键操控与报警电路如图7所示。按键操控电路中按键经过电阻上拉后连接到单片机的PD口，电阻的作用是防止按键接通时电源短路。整个电路的原理是当按键没有按下时，单片机的IO口通过电阻接VCC，是高电平；当按键按下时，IO口接地，是低电平，这样单片机就可以通过检测高低电平来对系统进行相关的控制。报警装置采用了发光二极管通过电阻与单片机相连的形式，只要检测到瞬时油耗量超过了系统设定值时，发光二极管闪烁，从而起到报警提示作用。

图7 按键与报警系统电路图

3 系统软件设计

测量系统的应用软件是根据系统功能要求而设计的，以可靠地实现其系统功能。与硬件电路配合，软件程序的主要功能是要实现对电控汽油机燃油消耗量及车速的快速测量，然后通过显示程序将具体内容显示出来。而面板控制程序为管理程序，其他程序需要在面板控制程序的控制下进行，在需要调用某一功能时可通过面板控制程序直接转向相应的程序。所以主要的程序模块便包括系统自检初始化程序、面板控制程序、显示程序和油耗量测量程序等。 其中油耗的测量主要是通过单片机定时器的输入捕获功能来实现的，分别捕捉喷油脉冲的上升沿和下降沿的时间，然后计算时间差得出喷油脉宽，从而计算出耗油量。面板控制主要是通过操作不同的按键，然后根据相应的燃油消耗量的参数来切换不同的显示内容。最终的程序流程图如图8所示。

图8 程序流程图

4 结论

本文通过发动机喷油脉宽与燃油消耗量之间存在一定的关系，设计并开发燃油消耗量的实时检测与显示系统。通过简单调校，该装置可以应用于任何一款电喷车辆。通过燃油消耗量的实时显示，让驾驶员实时了解车辆的燃油消耗，特别是当燃油消耗量较高时具有提示功能，提醒驾驶员注意自己的驾驶行为，促进燃油经济性与排放的改善，这对能源的有效利用，节约燃油和能源，减少车辆对环境的污染具有重要的意义。

参考文献

[1] 付百学,岳伟东,胡胜海.汽车油耗智能检测技术研究[J].黑龙江工程学院学报(自然科学 版),2006，20(3):44

[2] 孙培岩,唐轶,唐运榜,刘瑜.电喷汽车百公里油耗随车测量新方法[J].小型内燃机与摩托车,2004(6):34-35

[3] 张振东,张旻.电控喷油器流量特性测试研究[J].计量技术,2001(5):7

[4] 程越,左桂兰.汽车瞬时燃油油量检测系统设计[J].小型内燃机与摩托车,2011,40(2):59-61

[5] 王绍銧，夏群生，李建秋.汽车电子学[M].清华大学出版社,2006

[6] 夏明革,刘明忠,张晖.基于ATmega8515单片机的CAN总线数据采集系统[J].测控技术,2008,27(4):29