一种高精度汽油油号智能检测仪的设计和实现

随着经济的快速发展，汽车已经进入普通居民家中，因此汽车所用汽油的油品问题越来越受到人们的重视。随着汽油市场的开放，汽油的进货渠道不同，汽油的质量也有所不同。汽车加油时如果油品不对，会对汽车选成很大的伤害，影响消费者的利益，加大环境污染，更重要的是会危及到人的生命，因此研究一套高精度的汽车油品测量仪具有重要的作用。

　　1 油品测量传感器的设计

　　辛烷值的测定是在专门设计的可变压缩比的单缸试验机中进行。标准燃料由异辛烷和正庚烷的混合物组成。异辛烷用作抗爆性优良的标准，辛烷值定为100;正庚烷用作抗爆性低劣的标准，辛烷值为0.将这两种烃按不同体积比例混合，可配制成辛烷值由0到100的标准燃料。辛烷值是表示汽化器式发动机燃料的抗爆性能好坏的一项重要指标，列于车用汽油规格的首项。汽油的辛烷值越高，抗爆性就越好，发动机就可以用更高的压缩比。也就是说，如果炼油厂生产的汽油的辛烷值不断提高，则汽车制造厂可随之提高发动机的压缩比，这样既可提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料，对提高汽油的动力经济性能是有重要意义的。

　　车用汽油是按照其辛烷值的高低以标号来区分的，汽油的辛烷值不同其介电常数也不同，辛烷值大的汽油介电常数也大。如果能测定介电常数，就可以计算出辛烷值。介电常数的变化可用电容的容值变化来测定。因此本系统采用了一个平行板电容式传感器，若不考虑温度等的影响，两极板间的电容如式（1）所示。

　　从式（1）可以看出，当面积S和极板之间的距离d确定不变时（不考虑边沿效应和漏电），C是ε的函数。如果能测量出C大小，则可以计算出ε，从而可以得到汽油的油号。

　　但电容的变化仍不易直接测量，因此本系统采用C/F变换电路把电容的变化转化为频率的变化，用单片机的计数和定时功能测量频率，根据频率和辛烷值的函数关系来计算汽油的辛烷值。转换电路选用NE555芯片组成一个多谐振荡器完成C/F变换，该芯片的最高工作频率为500 kHz.C/F变换电路如图1所示。转换后频率公式为：

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    本系统中采用AT89C51作为主控制器。单片机采用12 MHz的晶振，因此定时器所能识别的最高频率为500 kHz。选择R1和R2时应满足如下公式：

　　但是当环境温度变化时，传感器的几何形状和尺寸会发生变化，从而引起电容量变化，电容传感器受环境温度的影响必然引起测量误差。因此，需要加入温度检测环节，根据检测的温度对系统进行补偿。本系统所用温度传感器为集成的温度传感器DS18B20.

　　DS18B20测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

　　因传感器的电容值在几十pF量级，寄生电容和分布电容的影响不可忽略，硬件设计时应尽量减小引线的长度，C/F变换器接近电容传感器，有利于减少寄生电容和分布电容对传感器电容的影响。另外，设计电路板时C/F变换器部分要填充处理，减少干扰对测量的影响。

　　2 硬件电路的设计

　　油品检测仪硬件电路图如图2所示。本系统中采用AT89C51为主控制器。经NE555转换的与介电常数相关的频率信号接到AT89C51的P3.5口，由单片机的内部计数器对该端口的频率信号进行测量。同时温度传感器DS18B20接到P3.0口，通过对P3.0口进行读取得到当前的温度，以进行温度补偿。本系统中通过4位LED进行显示。4位LED数码管在实验期间用来显示电容值，而在系统工作后用来显示汽油的油号。电路中的P1.2和P1.5分别接LED和SPEAKER.当汽油的油号低于或者高于设定的标准后，系统通过声光进行报警。

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　　3 软件设计

    由式(1)可以得到，也就是说当系统采集了频率信号，将频率信号转换为电容值后就可以计算出介电常数。但是为了确保液位传感器的精度，考虑到温度、被测介质特性和罐体等差异，在系统投入使用前先对该传感器进行数字校准，得到介电常数的方程式。本系统采用最小二乘法进行拟合。在系统工作前，根据大量电容值与辛烷值的数据，在计算机上用多元线性回归法建立辛烷值与电容值的数学模型，拟合多项式为定义汽油标号y与电容值和温度等物理量的函数关系为：

　　由式（7）计算出多项式系数，由多项式算出各实测电容值的辛烷值。

　　测量系统投入运行后，测量时用单片机的定时器进行50 ms的定时，记定时时间内C/F变换器发出的脉冲个数，用于计算频率值，再用式（2）计算被测汽油的电容值，结果代入到辛烷值与电容值的拟合多项式（4）中，计算出汽油的辛烷值。 [p]

　　为了提高测量精度，提高系统的抗干扰性能，在系统中采用了软件抗干扰的方法。在测量频率信号时，对于每个频率信号测量10次，测量完后通过算术平均滤波的方法得到该测量的频率值。系统具体的软件流程图如图3所示。

　　4 测试结果

　　在回归分析中，如果有两个或两个以上的自变量，就称为多元回归。事实上，一种现象常常是与多个因素相联系的，由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量，比只用一个自变量进行预测或估计更有效，更符合实际。因此多元线性回归比一元线性回归的实用意义更大。多元线性回归的基本原理和基本计算过程与一元线性回归相同，但由于自变量个数多，计算相当麻烦，一般在实际中应用时都要借助统计软件。这里只介绍多元线性回归的一些基本问题。

　　通过对市场上出售的汽油进行采样测试，结果如图4所示。可见测试结果存在一定的非线性，原因可能是标定的汽油的辛烷值并不是整90#或97#,这是因为汽油在出厂定标时采用的是分级的近似方法。

    本文设计的高精度油品智能检测仪，选用低功耗的微处理器，通过电容传感器测量汽油的介电常数，同时考虑到温度的影响，将温度传感器集成到电容传感器内，准确测量被测介质的温度，保证温度补偿的实时性。研究结果表明，使用该传感器对汽油的标号进行检测是可行的，多次测试其精度为±0.5个标号，能够满足一般分辨油品标号的需求，且整套测试系统成本低廉，能够快速测试，可以降低测试的成本，提高效率。整个系统信号采用数字量进行传输，比较适合用于远距离传输，因此该系统还可以用于油品的在线检测和控制。