车载油耗测量系统的研究

第２４卷第２期　电子测量与仪器学报　Ｉｆ．２４　Ｎｏ．２　・１９０・　ＪｏＵＲＮＡＬ　ｏＦ　ＥＬＥＣＴＲｏＮｌＣ　ＭＥＡｓＵＲＥＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ｌＮＳＴＲＵＭＥＮＴ　２０１０年２月　Ｄ０Ｉ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１　１８７．２０１０．００１９０　车载油耗测量系统的研究　姜印平钱振洋赵欣华赵会超　（天津大学电气与自动化１＝程学院过程检测与控制重点实验室，天津３０００７２）　摘要：设计出一种在保证精确计量、成本低廉的前提下实现了智能化处理、人性化设计的油耗计量系统，并运用了　无线射频通讯技术，实现了机动车在任意　作时刻的瞬时油耗和某一时间区间内的累积油耗。现场实验结果表明：此车载　油耗计量系统操作方便，成本低廉，计量手段先进可靠，精度可达到１．５％以内，有效地避免了浪费现象，易于大规模　推广。　关键词：车载油耗测量系统；ＰＩＣ单片机；无线射频通讯技术；智能　中图分类号：ＴＰ２１６　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：４７０．４０１７　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｊｉａｎｇ　Ｙｉｎｐｉｎｇ　Ｑｉａｎ　Ｚｈｅｎｙａｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｘｉｎｈｕａ　Ｚｈａｏ　Ｈｕｉｃｈａｏ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｍｉｓｅ　ｏｆ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｍａｋｅｓ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｓｔａｎｔ　ａｎｄ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｃｏｍｅ　ｔｒｕｅ　ｉｎ　ａｎｙ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｈｏｕｒｓ．Ｆｉｅｌｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｆｗｉｔｈｉｎ　１．５％）．Ｉｔ　ｃａｌｌ　ａｖｏｉｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ａｎｄ　ｂｅ　ｐｒｏｎｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｄｅｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＰＩＣ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　１　引　言　量式３种【３】，容积式和重量式的测量精度较高，但　是不能测量瞬时耗油量，只适用于内燃机稳定工　在大力提倡“资源节约型，环境友好型”社会的　况下燃油消耗量；流量式可以测量瞬时耗油率，但　前提和国际油价居高不下的背景下，人们更加关心　是由于单位时间燃油的流量很小，由此测量精度　车辆油耗，要求合理使用燃油的呼声越来越高ｆ１】。尤　较低。我们所研究的此类装置不仅能够测量瞬时耗　其是现阶段国际油价高位徘徊，机动车油耗成为消　油量，而且还能够测量在某个员工在上下班区间　费者越来越来关心的技术指标。因此只有对机动车　内的单位时间内的耗油量，并且通过修正仪表系　油量进行精确的测量，才能做到“耗能有数，节能有　数使精度进一步的提高，达到精确计量的目的。　据”，从而减少燃油的浪费，降低燃油成本，达到节　约的目的　Ｊ。　２系统结构与工作原理　随着科学技术不断提高和计量手段的不断加　针对内燃机械燃油供给系统的特点，设计了　强，在市场上出现了大量的燃油消耗计量装置，而　能够适应各种复杂路面、工况的车载油耗计量系　目前这些计量装置按原理分为容积式、重量式和流　统。它包括基于ＰＩＣ１６Ｆ８７６Ａ单片机控制核、副油　本文于２００８年９月收到。　第２期　车载油耗测量系统的研究　箱和上位机油耗管理软件。　系统测量用工作原理如图１所示。　主　油　箱　图１　测量用系统工作原理图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｌｅｔｏｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　车载油耗测量系统工作原理如下：采用车载　２４　Ｖ蓄电池供电，主控制器通过液位传感器检查并　记录副油箱中的液位位置，如果液位高度处于规定　的上下限之间，精密计量泵不工作，柴油发动机消　耗副油箱中的柴油，当油面降低到规定的下限值时，　接，又便于进行程序移植修改。ＰＩＣ有很好的　ＰＩＣＭＡＴＥ集成开发环境，利用Ｃ语言编程可以大大　节约了开发时间，图２为主程序流程图。单片机在上　电或复位时，先执行系统初始化，再依次判断功能　模块的标志位，当标志位有效时，执行该功能子程　精密计量泵工作，从主柴油箱向副柴油箱中充油直　到油位达到规定的上限值时，精密计量泵停止工作。　在此过程中主控制核通过信号线将Ｗｉｅｇａｎｄ传感器　采集到的脉冲信号传送到单片机转换成通过计量泵　到副油箱油的体积。这样重复工作主油箱中的柴油　间接通过副油箱源源不断的供给发动机工作。最后　考虑通过液位传感器检测到的初始、结束液位算得　总油耗。然后把计算的油耗、上下班时间、员工信　息等参数通过非接触式Ｉｃ卡传送到上位机进行进一　步的统计和分析。　序，否则向下跳转执行。当程序执行到最后，在循环　返回初始化之后执行。系统用到的中断源包括：外部　中断（脉冲采集和液位上下限）、定时中断、串口通信　接收中断。　３．２上位机软件设计　上位机油耗管理软件的实现包括油耗数据的　处理、卡片管理、油耗的统计与管理三个部分。　油耗数据处理包括油耗数据的获得与保存、数据　的检索两方面的内容；卡片管理包括班长卡登　记、员工登记、旧卡还原和更改员工信息几个方　是对ＩＣ卡的管理操作；油耗的统计与管理部分主　３系统软件设计　油耗计量系统软件设计分为单片机部分和上位　要是通过Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｏｆｉｃｅ宏及ＶＢＡ语言实现了　ｆＶＢ与Ｅｘｃｅｌ之间的无缝连接，从而进行统计、生　成报表、打印和存档等操作；仪表系数代表测量　机部分。单片机部分主要是作为控制部分，负责无线　通讯，进行ＡｋＤ转换，发送控制命令。上位机部分主　要是记录某一员工在某一上下班区间内的瞬时耗油　的脉冲数与实际泵油量之间的对应关系，通过多　次试验对该系数修正，从而进一步提高精度。根　据对油耗管理提出的要求以及在现场多次实验后　量和累积耗油量，并能够实现汇总、统计、分析，作　为员工的绩效一部分。　３．１单片机软件设计　的改进，用户管理软件的最终设计包括卡片管理　模块、查看记录模块、记录导出模块、用户管理　模块４部分。　软件设计采用模块化开发，这样既便于调试、链　电子测量与仪器学报　第２４卷　ｊ位是否低于下限　＼／　采样油量　』　二　计量泵［作Ｉ　Ａ／Ｄ转换计算副油　箱油鼍　＿。。。。。。。。。。＿。●＿－＿＾●。。。。。。＿。。。。。●。。●＿－＿　。。。。。。。——　二［　脉冲计数器计数　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：Ｉ　ｌ．．．．．．．．．．．．．．．～　等待计量泵１　作　油位达到下限　控制子程序　图２单片机主程序流程图　Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｂｏｕｔ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　４系统硬件设计　本车载油耗计量系统硬件部分主要包括　ＰＩＣ１６Ｆ８７６Ａ主控模块、Ｗｉｅｇａｎｄ传感器、液位传感　器、时钟模块、液晶显示模块、键盘、精密计量泵、　非接触式ＩＣ卡模块。系统硬件框图如图３所示。　滤波后使ｊ极管导通，单片机ＲＢ４口获得高电平电　压，其上升沿或下降沿均可触发单片机的端口中断，　当中断程序判断出是由于ＲＢ４触发引起中断的话，　脉冲计数器加一，实现计数功能。通过脉冲信号采集　计数可以计算精密计量泵所转的圈数。由于精密计　量泵转的圈数和其泵过的油的数量是一一对应的关　系，从而间接得到通过精密计量泵的油的数量。　精密计量泵是间歇性工作的，当单片机检测副　油箱的油位低于设定的下限值时，便通过ＲＣ１输出　图４脉冲信号采集原理图　Ｆｉｇ．４　Ｓｋｅｌｅｔｏｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　图３　系统硬件框图　Ｆｉｇ．３　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ＰＷＭ信号，使光耦二极管导通，精密计量泵开始往　脉冲信号采集采用ＺＰ１　１　Ｗｉｅｇａｎｄ传感器ｌ６】，该　传感器根据Ｗｉｅｇａｎｄ效应研制，具有输出信号幅值　高、工作稳定、且不需要外加电源的优点，在如图４　副油箱内充油，当单片机检测副油箱的油位达到设　定的上限值时，停止ＰＷＭ输出，精密计量泵停止工　作。精密计量泵控制原理如图５所示。　液位传感器采用的是线性滑动浮漂式传感器，相比　其他液位传感器其结构简单，而且最重要的是价格　低廉。线性滑动浮漂式传感器类似汽车中油量表的　油箱传感器。Ｉｃ通信采用北京完美科技公司的　所示的脉冲信号采集电路中，精密计量泵工作时电　机转子每旋转一圈，Ｗｉｅｇａｎｄ传感器会输出持续时间　为几毫秒的幅值为６　Ｖ的高电平，该高电平经过７【型　第２期　车载油耗测量系统的研究　・１９３・　本系统具有良好的人机界面，液晶实时显示瞬　、／　电机控制电路　时耗油量和累积耗油量或当前的时问，上面的四个　小红灯分别表示卡片已满、正常工作、正在充油和　上岗＼下岗标志；通过面板上的两个按钮可以随时设　图５精密计量泵控制原理图　Ｆｉｇ．５　Ｓｋｅｌｅｔｏｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ—ｖｏｌｕｍｅ　ｐｕｍｐ　置年月日时分秒时间值。　５实验数据分析　２００８年４月到５月以及２００９年６月到７月间，在　ｗＭ一】５Ｔ射频通讯模块，具有开发方便价格低廉、　可靠耐用等优点。它采用最新Ｍｉｆａｒｅ技术的微型　天津港埠码头设点，分别在吊车、拖车、铲车和货车　上安装了三台油耗测量装置，记录其运行情况、油耗　嵌入式非接触式Ｉｃ卡读写模块。内嵌ＩＳＯ１４４４３　Ｔｙｐｅ　Ａ协议解释器，并具有射频驱动接收功能，可　以简单实现对ＭｉｆａｒｅＯｎｅ等卡片的读写操作，读写　距离最大可达关）【　。　量和这三种车的实测数。部分数据如表１所示，表中　“实测数”为车每次加油时的发油量与停止实验时　的剩余量的差值。“油耗数”为油耗计量装置所测量　的对应每种车的耗油量。　１００　ｍｍ（与卡片及天线设计有　表１燃油实测数与油耗数对照表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ｆｕｅｌ　０ｉＩ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｏｉｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　误差　计算方法为：　误差＝１００％×（油耗数一实测数）／实测数　现了瞬时耗油量、累计耗油量的实时显示和利用非接　触式Ｉｃ卡实现数据的存储与远传等功能，并且能够　通过油耗计量管理软件对耗油量进行管理分析，从　而进一步分析评定员工的绩效和制止了浪费现象。该　车载油耗系统操作方便，成本低廉，计量手段先进可　靠，精度可达到１．５％以内，便于推广使用，尤其是适　由表１数据可知，油耗计量装置相对误差的最大值　为±１．４８％。从而可认为燃油测量精度已经被控制　在士１．５％以内，研究达到了预期的目的。　６结　论　基于ＰＩＣ１６Ｆ８７６Ａ单片机的车载油耗计量装置实　合于复杂路面、恶劣工况条件下工作。现已在天津港　港埠码头上投入运行生产，取得了良好效果。　・１９４・　电子测量与仪器学报　第２４卷　参考文献：　【ｌ】李传经．量技术的今天和未来［Ｊ］，自动化仪表，　１９９２（４）：３３—３６．　ＬＩ　ＣＨ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｌｆｏｗ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］，　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，１９９２（４）：３３—３６．　［２】　ＫＲＩＧＭＡＮ　Ａ．　Ｓｏｍｅｒｅｃｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｆｌｏｗ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．１９９８，３０（４）：９－１３．　［３】　王化祥．自动检测技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２ｏｏ４：１８０—１８８．　ＷＡＮＧ　Ｈ　Ｘ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｃｈｅ—　ｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００４：１８０—１８８．　［４］　李学海．ＰＩＣ单片机实用教程一基础篇【Ｍ］．北京：北　京航空航天大学出版社，２００２．２．　ＬＩ　Ｘ　Ｈ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ＰＩＣ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｕｔｏｒｉａｌ—ｂａｓｉｃｓ［Ｍ］．　Ｂｅｉｊｉｎｇ：　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｐｒｅｓｓ，２００２．２．　［５］　李学海．ＰＩＣ单片机实用教程一提高篇【Ｍ］．北京航空　航天大学出版社，２００２．　ＬＩ　Ｘ　Ｈ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ＰＩＣ　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｔｕｔｏｒｉａｌ—Ｉｍｐｒｏｖｅ　ｃｈａｐｔｅｒ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｐｒｅｓｓ，２００２．　［６】　ＭＩＣＨＡＥＬ　Ｊ．Ｓｉｍｐｌｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｎｅｅｄ　ｎｏ　ｐｏｗｅｒ【ＪＪ．　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ，１９９５（４）：１５４—１５６．　［７】　慈新新，王苏滨．无线射频识￣ＪＪＩ（ＲＦＩＤ）系统技术与应用　【Ｍ】，北京：人民邮电出版社２００７：２１—２６．　ＣＩ　Ｘ　Ｘ．ＷＡＮＧ　Ｓ　Ｂ．Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　（ＲＦＩＤ）Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｐｏｓｔｓ＆　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｒｅｓｓ，２００７：２１—２６．　［８】　杨惠连，张涛．误差理论与数据处理【Ｍ】．天津：天津　大学出版社，１９９２：８５—８６．　ＹＡＮＧ　Ｈ　Ｌ．ＺＨＡＮＧ　Ｅｒｒｏｒ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｄａｔａ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９２．８５—８６．　作者简介：　姜印平：姜印平，１９８０年毕业于天　津大学，现为天津大学教授，高级工程师，　硕士生导师，主要研究方向为自动化智能　仪表。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｌｉａｎｇｊｉａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ　Ｊｉａｎｇ　Ｙｉｎ・ｐｉｎｇ　ｇｒａｄｕａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　姜印平　Ｔｉｎａｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｉｎ　１９８０．Ｎｏｗ　ｈｅ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ　ｆｏｒ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｔｕｄｅｎｔ　ｉｎ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｈｉｓ　ｍａｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒｅａ　ｉｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．