摘 要

随着中国汽车保有量的不断增加，汽油和柴油等不可再生资源的逐渐减少，加上环保意识的增强，人们更加关注汽车的燃油消耗。本次设计的目的就是做出一个简易、稳定、直观的油耗监测系统。

本系统主要包括STM32单片机最小系统、油耗采集传感器、按键电路、LCD1602显示电路。系统通过传感器实时采集系统油耗值，把采集的油耗值与行走的路程数据进行相应的处理，得到相应的油耗参数；液晶显示屏显示瞬时油耗、累计油耗、里程数、百公里油耗和平均油耗。系统软件设计采用模块设计思想，以C语言作为程序设计语言，通过KEIL MDK完成程序设计，使用仿真器下载软件完成程序的烧录和在线调试。本文中设计了每个模块的流程图和程序运行思想。

通过焊接调试完成了整个油耗检测系统平台的搭建，并进行测试和验证。经过模拟验证和调试，证明了本系统能够正常的完成相关测量值的获取和显示，并具有一定的稳定性。

关键词：单片机；流量传感器；LCD1602；油耗检测

Abstract

With the increasing number of automobiles in China, the gradual decrease of non-renewable resources such as gasoline and diesel, and the gradual increase of environmental awareness, people pay more attention to the fuel consumption of automobiles. The purpose of this design is to make a simple, stable and intuitive fuel consumption monitoring system.

The whole system of this design mainly includes STM32 single chip microcomputer minimum system, oil consumption acquisition sensor, key circuit and LCD1602 display circuit. Through the sensor real-time acquisition system oil consumption value, the collected oil consumption value and the walking distance data are processed accordingly, and the corresponding fuel consumption parameters are obtained. The system I design can real-time display of instantaneous fuel consumption, cumulative fuel consumption, mileage, 100 km fuel consumption, average fuel consumption. The design software system adopts the module design idea, the C language as the programming language, completed the program design through the KEI MDK. It also uses the simulator to download the software to complete the program burning and the on-line debugging. In this paper, the flow chart of each module and the idea of program operation are designed.

The platform of the whole fuel consumption detection system is built through welding debugging, and the test and verification are carried out. Through simulation verification and debugging, it is proved that the system can normally complete the acquisition and display of relevant measurements, and has a certain stability.

Keywords: single chip microcomputer; flow sensor; LCD1602; Fuel consumption detection

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文研究内容 3

第2章 控制系统总体设计 5

2.1控制系统功能分析 5

2.2系统网关架构设计 5

2.3单片机芯片的选择 6

2.4显示模块电路的选择 6

2.5传感器的选择 6

第3章 系统的硬件平台设计 8

3.1系统总体框架设计 8

3.2控制中心电路设计 8

3.2.1 MCU电路设计 8

3.2.2最小系统电源电路设计 10

3.3信号采集与处理电路设计 11

3.3.1油耗采集传感器电路设计 11

3.3.2 LCD1602显示电路设计 11

3.3.3按键电路设计 13

3.4系统总体电路设计 14

第4章 系统软件平台设计 16

4.1控制中心开发环境软件 16

4.1.1 ARM开发环境 16

4.1.2 ARM软件开发流程 16

4.2控制系统软件架构 18

4.3系统信号采集与处理程序设计 18

4.3.1按键检测程序设计 18

4.3.2 LCD1602程序设计 19

4.3.3流量传感器程序设计 20

第5章 系统调试与性能验证 22

5.1系统调试环境搭建 22

5.2系统软硬件调试 22

5.2.1系统软件调试 22

5.2.2系统硬件调试 23

5.3测试结果分析 24

第6章 总结 26

参考文献 27

附 录A 30

附A1 主程序 30

附A2 LCD1602显示程序 32

附A3 按键程序 37

附A4 外部中断程序 38

附A5 定时器中断 39

致 谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

科技迅速进步的同时使得人们的整体生活水平有了质的飞跃，在当今社会，使用汽车出行已经成为了一种较为普遍的现象。绝大部分家庭在购置新车时，都会考虑到油耗的问题。油耗关乎车辆的性能和养车的成本，每个家庭会根据自己的家庭经济情况以及自己的需求选择一款适合自己的车辆。私家车数量不断增加，人们需要更科学、合理、便捷的车辆油耗检测方法，通过数据指导汽车的改进，这对降低能源消耗有重要意义。汽车的油耗检测是对汽车在使用过程中燃料消耗的标定，并且是衡量汽车发动机性能的重要手段。燃油消耗率是通过测量发动机消耗一定燃料所需要的时间或者车辆行驶固定里程所需要的燃油量来表示的。对于所有的油料消耗的相关参数检测，都要保证有足够精度并最小化对汽车运行的影响。

另外，现在社会的能源紧缺问题日趋严重，国家也越来越重视汽车排放所造成的污染问题，汽车的排放标准也成为了人们购车时越来越注意的指标。根据《2018年国内外油气行业发展报告》，中国石油和天然气消费量在2018年继续快速增长，石油净进口量为4.4亿吨，同比增长11%，石油对外依存度增加至69.8%;天然气进口量为1254亿立方米，同比增长31.7%，对外依存度上升至45.3%，该报告预测，中国对外国石油和天然气的依赖度将在2019年持续增加。为了缓解资源紧张、环境污染等问题，满足人们对准确获得油耗的数据的需要，本次设计针对汽车油耗检测仪进行研究。

1.2国内外研究现状

在20世纪末到21世纪初时，很多大型制造厂商逐渐涉入到汽车油耗检测仪控制行业中，部分企业把研究汽车油耗检测仪控制系统当作企业具有最有前途的研究项目，例如Revolv、NEYWELL、JDS等科技公司逐渐入股汽车油耗检测仪控制产品的研究与开发。目前，汽车油耗检测仪系统分为以下三个阶段。

1. 产品电子化：家电产品电子电路逐渐丰富，但都是单个的个体，没有形成网络；

（2）产品自动化：产品的功能逐渐丰富，基本上实现自动控制，形成了简单的组网控制；

（3）产品智能化：通过组网技术把家居连成一个网络中，相互通信，集中控制。

汽车油耗的检测主要分为两类：直接测量和间接测量。直接测量方法包括容积法、质量法和压差法。间接测量方法包括碳平衡法、超声波检测法和智能检测法。

（1）容积法

燃油系统有进油和回油两个过程。对于回油比较少的车辆，可以忽略回油量，测量时，在进油管路上面串联流量传感器，用流量传感器来检测进油量的变化，然后将信号传送给微控制器进行处理。对于大回油量的汽车，则需要在回油管路上也安装流量传感器，进油量信号和回油量信号先后传入单片机内，经过温度修正，将两个数据作差得到实际燃油的消耗量。

（2）差压法

微压传感器是压差法的核心部件。检测装置是由稳定架、量筒、测量管及其附件等组成。其工作原理如下：量筒中的液体彼此不连通，隔离膜的两侧受到两个静压力的作用，膜片的位移随着两侧液体压力差值的变化而变化。然后微压差传感器将位移转换为电信号输出到单片机内。实际应用时，先让测量筒和油箱互通，使两侧的静压力值相同。车辆运行时，油箱测的燃料液位下降，其静压力值也随其下降，而另一侧量筒内的静压力值没有变。由此产生了压差信号。

（3）碳平衡法

碳平衡法的核心原则是物质守恒定律。汽油燃烧产物中所含的碳元素都来自汽油，因此只要测量单位时间尾气中的碳含量，通过比较单位体积燃油中的碳量，即可得到油耗数据。

（4）超声波检测法

超声波检测法是利用超声波流量计来进行检测的。由于超声波的传播速度在流体介质中是受到传播媒介影响的，所以超声波流量计利用声波速度的变化推算介质的速度。根据管道断面面积和测量出的油速就可以得到耗油量。

（5）汽车油耗智能检测法

对于电控汽油喷射发动机，发动机的电子控制单元通过控制喷射器电磁线圈的接通和断开来确定喷射器针的打开和关闭。从而实现控制发动机喷射的燃料量的目的。当电子控制单元每次喷油的时候，同时获取喷油脉冲信号以及转速信号。单片机根据静态喷射量和实际动态流量特性计算出车辆的燃油消耗量。

国外很多大型企业都逐渐把最新的科学技术应用到油耗检测系统的开发和研究上，比如：英国TELETASK、美国的Honeywell、德国的Merten等世界一流大公司，都在汽车油耗检测仪控制系统研究上投入很大人力和物力，这些公司展开了多方面的研究，各有各的特点，如英国TELETASK主要研究控制方法；美国的Honeywell公司主要研究其汽车油耗检测仪运行稳定性质量和舒适性，采用了模块化设计思想，各个模块接口部分由总线相连接。美国采用的燃料消耗测试方法是FTP75，是目前最合理的循环工况测试规则，FTP75共由一个市区循环工况和两个补充循环工况组成。将三个循环工况按照不同比例计算，得到最终的结果。因此，通过FTP75获得的数据更接近实际使用情况。

21世纪初我国才开始研究智能化汽车油耗检测仪，起步相对较晚。早些时候，我国大多数产品都是用他国技术进行生产，创新能力较弱，市场竞争力也较弱。但是自2016年我国把智能化控制纳入政府报告以来，我国科技水平不断发展和进步，已经逐渐跟上了发达国家的步伐，降低了产品开发成本，提升了产品的核心价值，有些公司开始专门致力于油耗检测仪的开发，油耗检测产业慢慢兴起，例如广州智维公司、中位科技、信为公司、厦门博安世通科技公司等等，这些企业有的做独立的油耗检测仪，有些还开发了完整的车辆油耗智能检测平台。不过目前，中国工信部的油耗检测还是在实验室情况下，通过模拟虚拟的路况进行油耗的估计和测量，这种测试方法与汽车实际运行工况有一定的差别，并且油耗检测的标准也相对国际较低。国内油耗检测方面在检测方法、智能应用等方面还有待发展。

1.3本文研究内容

针对目前控制系统存在的缺陷，本文设计的汽车油耗检测仪控制系统，具有安全、易扩展和成本低等特点，整个控制系统采用了模块化设计思想，从而降低了系统设计难度^[4]。本文开发的汽车油耗检测仪控制系统，是以核心芯片STM32为开发平台，在硬件系统方面设计了最小系统和外围电路，软件系统主要包括底层驱动程序和应用程序^[5]。本文主要研究了以下内容。

第1章为绪论，主要是对本文设计的背景、意义作了简要论述，同时对比分析了国内外汽车油耗检测仪发展现状，得出其巨大的发展空间与经济效益。

第2章重点介绍了控制系统总体方案设计，主要论述了系统的功能描述和总体网关架构描述方案设计，并对本系统中的关键技术进行了阐述。

第3章重点介绍了汽车油耗检测仪控制系统硬件平台搭建，阐述了运用单片机系统的硬件设计与原理，介绍了核心芯片的最小系统组成电路，以及描述了各模块电路设计及相应匹配电路绘制，完成了整个系统硬件电路设计。

第4章详细的介绍了控制系统的软件系统设计，说明了单片机软件平台的搭建，包括Keil软件的介绍，各个模块工作流程图以及应用程序的设计等。

第5章介绍了对汽车油耗检测仪完整控制系统硬件电路和系统软件硬件测试，主要是对控制系统实现的功能进行验证、测量数据进行分析以及相关性能测试。

第6章介绍了对本文主要设计的内容和最后设计的控制系统进行了总结以及本系统后续的研究方向进行展望。

第2章 控制系统总体设计

2.1控制系统功能分析

本文设计的汽车油耗检测仪控制系统主要是利用现代的组网技术、通信技术、检测技术、智能控制来设计的。本设计是以“智慧、环保和安全”为准则，将用户体验放在首位，使用户可以根据自己的需要实现相应的控制 ^[6-7]。本文研究的智能控制系统是根据产品需要实现的功能而设计的^[8]。本设计实现了以下功能：

（1）流量传感器采用椭圆齿轮传感器。通过液晶LCD1602液晶实时显示瞬时油耗、累计油耗、里程数、百公里油耗和平均油耗。

（2）按键按下后，里程加1。（里程范围1-9，默认1），百公里油耗=累积油耗/里程。平均油耗=累积油耗/4。

2.2系统网关架构设计

根据智能控制系统的功能要求，结合现有技术手段，完整的控制系统主要包括以下几个模块：信号采集模块、控制中心模块、执行模块和输出模块。控制系统的整体网关架构设计如图2.1所示。

图2.1系统整体网关架构设计图

本设计系统网关的主要架构是通过传感器模块采集信号，运用I/O口把采集的信号送入单片机控制中心进行处理，处理后的结果反馈给执行结构作进一步处理，再把单片机处理后的数据结果显示到输出模块。

2.3单片机芯片的选择

方案一：采用CPLD作为中央微处理器。CPLD可以通过软件实现各种复杂功能，具有体积非常小、密度较高、I/O资源相对丰富等优点，并且易于进行功能的扩展。CPLD的输入输出方式采用并行的方式，从而提高了系统的处理功能速度。它更适合作为大型控制系统的核心处理单元。但是本设计的逻辑功能相对简单，对数据的处理速度的要求也不高，并且此方案的成本相对过高，所以最终放弃了此方案。

方案二：使用ATMEL公司的51系列单片机作为该设计的主控制器，该系列的产品是一个低功耗、高性能的8位单片机。该单片机的优点是功耗低、结构简单、接口丰富，但程序烧写和调试时比较麻烦，故放弃此方案。

方案三：STM32主控芯片能实现本论文的系统研究，另外此款芯片内部自带AD，使得系统电路设计更简单，而且STM32处理速度很快，因此得到广泛的应用，此外，能方便研究员编写程序，减少开发周期。最大的优点在于系统本身的融合性很好，研发成本比较低。相比51系列和CPLD系列控制器有很好的性价比和很强的抗外界干扰能力。

从节约成本的角度考虑，选择了第三种方案。

2.4显示模块电路的选择

方案一：采用数码管显示相关信息。但是数码管显示信息非常少，不适合本设计多数据的显示，故放弃此方案。

方案二：采用带中文字库的液晶LCD12864显示。优点是能够显示较多的信息并且能够显示汉字，但是其成本太贵，故舍弃此方案。

方案三：采用带字符的液晶LCD1602显示。其成本比较适中，显示能够满足本设计要求，故选择LCD1602作为本设计显示单元。

2.5传感器的选择

选择传感器时要考虑到油温，喷油时的油速，环境温度湿度等情况。本设计选用了DN15流量传感器，该传感器具有轻巧灵便,体积小,便于安装，转动灵敏度高，密封性好，防氧化性强，误差小，经济性好的特点。此传感器允许的介质温度最高为1200摄氏度，喷油口喷油时的油温为70-90摄氏度左右，完全满足条件。传感器使用温度为80摄氏度，使用湿度为90%RH以下，而汽车运行时的喷油管附近温度为40-60度左右，相对湿度为80%RH左右，也都满足温湿度使用条件。传感器测量的流量范围为1-30L/min，而汽车在正常使用下汽油流量为22L/min，此传感器同样也符合条件。综合考虑下，此传感器符合本次设计选用标准。

第3章 系统的硬件平台设计

3.1系统总体框架设计

本控制系统的设计利用了器件集成化的方法，主要是将集成化的器件分成块状的控制部分，被研究的分支和数据传输分支，分步满足相应部分的设计要求，所有的分支完成后组合在一起，设计出完整的控制系统，最后进行综合测试^[9-10]。本设计的整体框图是从控制系统需要实现的功能和硬件设计的综合角度建立的。系统整体框图如图3.1所示。

图3.1 系统硬件框图

3.2控制中心电路设计

3.2.1 MCU电路设计

本系统MCU的选择是硬件电路开发的重要环节，选择了合适的MCU在开发难度和成本都有大幅降低^[11]。目前MCU的种类繁多，可以按照数据总线宽度不同分为3类：8位、16位以及32位MCU，这3种MCU依照本身的特性使用的场合都不相同，其中8位和16位MCU型号很多，特点主要是封装空间小、使用时能耗低下、成本低等，缺点主要是数据和指令处理速度慢，内存和扩充功能少^[12]。而32位MCU是在现在迅速发展，使用场合越来越广泛的MCU，其中嵌入式ARM型号的微处理器最受开发者欢迎。ARM特性比8位、16位的单片机性能要丰富很多，只是在开发项目成本上要高一点，但是随着科学和工艺技术的发展，这个缺点很快得到解决^[13-14]，此外在选择MCU需要注意的事项有：

（1）性能：主要是MCU的内核、主频率、内存等；

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