基于电容法的便携式辛烷值测定仪

发布于:2007/6/7 9:11:42 | 602 次阅读

 

    摘  要:本文提出的辛烷值测定电路,微处理器选用TI的低电压、低功耗单片机MSP430F1121,C/F变换器采用TLC555组成多谐振荡器,显示用低电压的段型液晶显示器,用3.6V锂电池可连续工作4年。
      关键词:辛烷值变换器低功耗低电压

1引言
   
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,市场上出售的汽油辛烷值不确定,影响消费者的利益,影响环境污染情况。汽油的辛烷值可以用介电常数确定,但介电常数不能直接测量,用电容传感器测量简单可靠。市电供电的系统,测试环境要求比较理想,受地域和环境影响比较大。针对这种情况,本文提出一种电池供电的便携式汽油辛烷值检测方法及电路实现。本方法设备体积小、低功耗、价格低、具有温度补偿,便于野外作业。实现的电路简单可靠,但存在无法测量汽油中加入有机溶质的局限性。
2测量原理及电路分析
2.1测量原理
   
汽油的辛烷值不同其介电常数ε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。
    圆筒式电容器的电容值运算式如下:
    Cx=ε*S/d(1)
式中S=2*π*R*L,R为圆筒半径、L为圆筒高度,设计时Rd
   
(1)式可知在面积和间距固定时,电容与介电常数成线性关系(不考虑边沿效应和漏电),电容可以间接测量汽油中的辛烷值。但电容的变化不易直接测量,用C/F变换电路把电容的变化转化为频率的变化,用单片机计数和定时功能测量频率,根据频率和辛烷值的函数关系可计算汽油的辛烷值。检测电路选用TLC555芯片组成一个多谐振荡器完成C/F变换,芯片的工作频率为2100KHZ。
    频率公式为:f=1.43/(W+R1+2*R2)*Cx(2)
2.2电路和参数设计
   
单片机的晶振用了1MHz的晶体,因此定时器所能识别的频率为500KHz。电容传感器空气介质时的电容为C0,选择R1和R2应满足如下公式:
   

    电容放电时间:

    从以上两个公式中可以看出,如果满足公式(3)和公式(4)公式(5)也是满足的。一般选C40~70PF(传感器空气介质的电容)之间,R1用10K电阻、R2用10K电阻(R1、R2选用高电阻),W用100欧姆的精密电位器来精调频率,C1选用001uf电容,就能满足公式(4)的要求。
2.3电容传感器的误差补偿
   
电容传感器受环境温度的影响必然引起测量误差。温度误差主要是由于构成传感器的材料不同其温度膨胀系数不同,当环境温度变化时,传感器的几何形状、尺寸发生变化,从而引起电容量变化。因此,需要加入温度检测环节,根据检测的温度进行软件补偿。因传感器的电容值在几十PF范围,寄生电容和分布电容的影响不可忽略,硬件设计时尽量减小引线的长度C/F变换器尺量接近电容传感器,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。

3硬件组成
3.1MSP430F1121单片机
    MSP430F1121单片机是美国TI公司生产的超低功耗16位混合信号微控制器,具有16位RISC结
构,CPU中的16个寄存器和常数产生器,使MSP430F1121能具有的代码效率。具有如下主要特点:

    (2)5种节电方式:等待方式下电流为08uA、RAM保持的断电方式0.uA。
    (3)由等待方式唤醒:6us。
     (4)16位RISC结构,150ns指令周期。
    (5)片内有256个数据存储器。
    (6)片内有4KB的闪速存储器。
    (7)加外部元件可构成单斜率A/D转换器。
    (8)具有3个俘获/比较寄存器的16位定时器。

3.2硬件结构
   
显示器选用低电压、低功耗的液晶显示器,参数存储用低电压的串行电可编程电可擦除的93LC46。使用时为了降低功耗,单片机以外的器件,采用分别供电方法,并且每次采样计算以后显示结果一段时间,单片机进入低功耗方式进行休眠,单片机进入休眠方式以后,只有中断和复位唤醒单片机工作,保证功耗达到功耗。这样的设计方案,电路结构简单、使用简便、电池的寿命长、成品价格低等优点。
4软件设计
   
根据大量电容值与辛烷值的数据,在计算机上用最小二乘法建立辛烷值与电容值的数学模型,拟合多项式为:
    实测电容传感器m组数据为:(x,y),(x,y),…(xm,ym),xi为第i个被测电容值,yi为第i个被测辛烷值在所有测量点多项式Yi与实测值yi的偏差平方和为:

在所有测量点多项式Yi与实测值yi的偏差平方和为:


    由公式计算出多项式系数,有多项式算出个实测电容值的辛烷值,并把它们逐点与实际辛烷值比较,若误差超出给定允许误差,令多项式阶数加一,重新计算参数值,直到满足要求为止。保证达到千分之一要求下,用最小二乘法拟合出多项式为:

    公式(6)中R为被测汽油的辛烷值,R为常数项,ki各阶拟合系数,C为被测汽油电容值,C为空气介质的传感器电容值。
   
测量时用单片机的定时器进行50ms的定时,计定时时间内C/F变换器发出的脉冲个数,用于计算频率值,再用公式(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中,计算出汽油的辛烷值。整个数学计算用4字节浮点数完成,保证运算。

5结束语
   
本文提出便携式辛烷值测定仪,选用低功耗的微处理器,系统间歇工作,大部分时间处于休眠状态,并且微处理器以外的硬件用分别供电的方式减少了系统功耗,延长了电池的寿命。补偿用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。
6参考文献
[1]胡大可,等MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M]北航出版社
[2]张毅刚,等MCS-51单片机应用设计[M]哈工大出版社
[3]刘迎春,等传感器原理[M]国防科大出版社

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