摘  要： 設(shè)計(jì)了一種高精度汽油油號智能檢測儀，信號采集通過電容傳感器和C/F變換器完成，利用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用AT89C51為主控制器，在數(shù)據(jù)處理時(shí)利用多元線性回歸" title="多元線性回歸">多元線性回歸得到汽油油號的擬合表達(dá)式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路簡單、功耗低、精度高，適合在家用汽車和遠(yuǎn)距離測量設(shè)備中使用。
關(guān)鍵詞： 辛烷值" title="辛烷值">辛烷值； C/F轉(zhuǎn)換器" title="C/F轉(zhuǎn)換器">C/F轉(zhuǎn)換器；多元線性回歸

    隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)進(jìn)入普通居民家中，因此汽車所用汽油的油品問題越來越受到人們的重視。隨著汽油市場的開放，汽油的進(jìn)貨渠道不同，汽油的質(zhì)量也有所不同。汽車加油時(shí)如果油品不對，會對汽車選成很大的傷害，影響消費(fèi)者的利益，加大環(huán)境污染，更重要的是會危及到人的生命，因此研究一套高精度的汽車油品測量儀具有重要的作用。
1 油品測量傳感器的設(shè)計(jì)
    車用汽油是按照其辛烷值的高低以標(biāo)號來區(qū)分的，汽油的辛烷值不同其介電常數(shù)也不同，辛烷值大的汽油介電常數(shù)也大。如果能測定介電常數(shù)，就可以計(jì)算出辛烷值。介電常數(shù)的變化可用電容的容值變化來測定。因此本系統(tǒng)采用了一個平行板電容式傳感器，若不考慮溫度等的影響，兩極板間的電容如式(1)所示。

    從式(1)可以看出，當(dāng)面積S和極板之間的距離d確定不變時(shí)(不考慮邊沿效應(yīng)和漏電)，C是ε的函數(shù)。如果能測量出C大小，則可以計(jì)算出ε，從而可以得到汽油的油號。
    但電容的變化仍不易直接測量，因此本系統(tǒng)采用C/F變換電路把電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化，用單片機(jī)的計(jì)數(shù)和定時(shí)功能測量頻率，根據(jù)頻率和辛烷值的函數(shù)關(guān)系來計(jì)算汽油的辛烷值。轉(zhuǎn)換電路選用NE555芯片組成一個多諧振蕩器完成C/F變換，該芯片的最高工作頻率為500 kHz。C/F變換電路如圖1所示。轉(zhuǎn)換后頻率公式為：

    本系統(tǒng)中采用AT89C51作為主控制器。單片機(jī)采用12 MHz的晶振，因此定時(shí)器所能識別的最高頻率為500 kHz。選擇R1和R2時(shí)應(yīng)滿足如下公式：

    但是當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器的幾何形狀和尺寸會發(fā)生變化，從而引起電容量變化，電容傳感器受環(huán)境溫度的影響必然引起測量誤差。因此，需要加入溫度檢測環(huán)節(jié)，根據(jù)檢測的溫度對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。本系統(tǒng)所用溫度傳感器為集成的溫度傳感器DS18B20。
    DS18B20測量溫度范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。
    因傳感器的電容值在幾十pF量級，寄生電容和分布電容的影響不可忽略，硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小引線的長度，C/F變換器接近電容傳感器，有利于減少寄生電容和分布電容對傳感器電容的影響。另外，設(shè)計(jì)電路板時(shí)C/F變換器部分要填充處理，減少干擾對測量的影響。
2 硬件電路的設(shè)計(jì)
    油品檢測儀硬件電路圖如圖2所示。本系統(tǒng)中采用AT89C51為主控制器。經(jīng)NE555轉(zhuǎn)換的與介電常數(shù)相關(guān)的頻率信號接到AT89C51的P3.5口，由單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器對該端口的頻率信號進(jìn)行測量。同時(shí)溫度傳感器DS18B20接到P3.0口，通過對P3.0口進(jìn)行讀取得到當(dāng)前的溫度，以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本系統(tǒng)中通過4位LED進(jìn)行顯示。4位LED數(shù)碼管在實(shí)驗(yàn)期間用來顯示電容值，而在系統(tǒng)工作后用來顯示汽油的油號。電路中的P1.2和P1.5分別接LED和SPEAKER。當(dāng)汽油的油號低于或者高于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)通過聲光進(jìn)行報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)
    由式(1)可以得到，也就是說當(dāng)系統(tǒng)采集了頻率信號，將頻率信號轉(zhuǎn)換為電容值后就可以計(jì)算出介電常數(shù)。但是為了確保液位傳感器的精度，考慮到溫度、被測介質(zhì)特性和罐體等差異，在系統(tǒng)投入使用前先對該傳感器進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)，得到介電常數(shù)的方程式。本系統(tǒng)采用最小二乘法進(jìn)行擬合。在系統(tǒng)工作前，根據(jù)大量電容值與辛烷值的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上用多元線性回歸法建立辛烷值與電容值的數(shù)學(xué)模型，擬合多項(xiàng)式為定義汽油標(biāo)號y與電容值和溫度等物理量的函數(shù)關(guān)系為：

    由式(7)計(jì)算出多項(xiàng)式系數(shù)，由多項(xiàng)式算出各實(shí)測電容值的辛烷值。
    測量系統(tǒng)投入運(yùn)行后，測量時(shí)用單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行50 ms的定時(shí)，記定時(shí)時(shí)間內(nèi)C/F變換器發(fā)出的脈沖個數(shù)，用于計(jì)算頻率值，再用式(2)計(jì)算被測汽油的電容值，結(jié)果代入到辛烷值與電容值的擬合多項(xiàng)式(4)中，計(jì)算出汽油的辛烷值。
    為了提高測量精度，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在系統(tǒng)中采用了軟件抗干擾的方法。在測量頻率信號時(shí)，對于每個頻率信號測量10次，測量完后通過算術(shù)平均濾波的方法得到該測量的頻率值。系統(tǒng)具體的軟件流程圖如圖3所示。

4 測試結(jié)果
    通過對市場上出售的汽油進(jìn)行采樣測試，結(jié)果如圖4所示?？梢姕y試結(jié)果存在一定的非線性，原因可能是標(biāo)定的汽油的辛烷值并不是整90#或97#，這是因?yàn)槠驮诔鰪S定標(biāo)時(shí)采用的是分級的近似方法。

    本文設(shè)計(jì)的高精度油品智能檢測儀，選用低功耗的微處理器，通過電容傳感器測量汽油的介電常數(shù)，同時(shí)考慮到溫度的影響，將溫度傳感器集成到電容傳感器內(nèi)，準(zhǔn)確測量被測介質(zhì)的溫度，保證溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性。研究結(jié)果表明，使用該傳感器對汽油的標(biāo)號進(jìn)行檢測是可行的，多次測試其精度為±0.5個標(biāo)號，能夠滿足一般分辨油品標(biāo)號的需求，且整套測試系統(tǒng)成本低廉，能夠快速測試，可以降低測試的成本，提高效率。整個系統(tǒng)信號采用數(shù)字量進(jìn)行傳輸，比較適合用于遠(yuǎn)距離傳輸，因此該系統(tǒng)還可以用于油品的在線檢測和控制。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天出版社，2000.
[2] 張毅剛.MCS251單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.
[3] 劉迎春.傳感器原理[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，1989.