基于AVR的汽車節油及故障預警的智能化指示儀

張杰藝，孫振偉，許 濤

（東北林業大學交通學院，哈爾濱 150040）

1 油耗測量與信號采集

1.1 油耗測量現狀和簡介

目前，國內外對于油耗的測量技術很多，而且隨著電控燃油噴射系統的使用，研究出了測量油耗的新技術，但相對油耗的測量還沒人涉足。國內技術比較落后，對汽車燃油經濟性的檢測重視較晚，到1991年10月1日交通部才頒布實施涉及車輛燃油消耗檢測的法規《汽車運輸業綜合性能見車站管理辦法》，規定了采用的測量方法為容積法和重量法［1－2］。

國外汽車工業發達國家，較重視環保與節能。其車輛油耗檢測技術較先進，投入的人力和財力也多，并大量采用了傳感技術和微電子技術，正在大力研發智能型油耗檢測裝置，其功能、測試項目、精度、顯示方式都在不斷發展與完善之中，成本逐漸趨向合理。目前針對電噴發動機，提出了通過測量噴油脈寬來確定燃油消耗質量的新方法［3］。在分析具體電磁噴油器的工作特性及其影響因素的基礎上，可更準確地測得電噴汽油發動機的燃油消耗量。

電噴發動機中通過噴油脈寬來控制噴油器的噴油量，通過對噴油脈沖信號的整合可以間接的得到噴油器的噴油量。本項目是對汽車發動機油耗測量的一個新的思想:通過采集發動機正常工作于各種工況時的噴油脈寬信號作為一個油耗的基準值，然后在發動機工作時實時采集噴油脈寬信號從而得出發動機的實時以及單位時間和單位行程內的油耗量，同時將實時采集的信號與基準值進行比較，從而監測發動機的工作狀況是否正常。

1.2 噴油脈寬信號采集原理及處理

噴油脈沖寬度:指的是發動機行車電腦控制噴油器每次噴油的時間長度，是發動機噴油器工作是否正常的最主要的指標［4］。發動機油路中油壓是一定的，因此噴油時流速也是一定的，噴油量只能通過噴油持續時間來控制，由于電噴發動機電子噴油嘴是通過電磁閥來控制開閉，而發動機轉速較高，噴油時間很短，因此ECU給出的噴油信號是一個很短暫的脈沖信號，這個信號的時間寬度就是噴油脈寬。噴油脈沖信號是通過6N137光耦然后接在ATmega12引腳上的。當噴油信號為低電平時表示正在噴油，高電平時停止噴油。單點噴射式發動機是，對每缸的正時噴射都由一個噴油器完成。用T0作定時器，R0作T0溢出計數器，測量一個低電寬平的長度。圖1為ECU信號的整形原理圖。

圖1 噴油脈沖信號及整形方波Fig.1 Fuel injection pulse signal and plastic square wave

1.3 車速信號采集原理及處理

車速是由車速轉感器的信號直接給電腦的。采集是通過變速箱輸出軸上的一個小齒輪帶動車速傳感器轉動。車速傳感器有多種結構。有霍爾式（最常用），電磁式（常用），光電式（少用）等幾種［5］。車速傳感器安裝于變速器的輸出端外殼上，其轉軸外端為蝸桿，與變速器輸出軸得渦輪嚙合，渦輪轉動時，帶動車速傳感器的轉子轉動。車速傳感器主要用于測定車輛的行駛速度，向ECU傳送車速電信號，用于汽車整車動態性能的控制。

1.4 信號的光耦處理

6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10 MBd），5 mA的極小輸入電流。特性:①轉換速率高達10 MBit/s;②擺率高達10 kV/us;③扇出系數為8;④邏輯電平輸出;⑤集電極開路輸出;工作參數:最大輸入電流，低電平:250 uA最大輸入電流，高電平:15 mA最大允許低電平電壓（輸出高）:0.8 v最大允許高電平電壓:Vcc最大電源電壓、輸出:5.5 V扇出（TTL負載）:8個（最多）工作溫度范圍:－40℃ ～+85℃ 典型應用:高速數字開關，馬達控制系統和A/D轉換等。圖2為本項目的6N713工作原理圖與電路圖。

圖2 6N137光耦合器工作原理Fig.2 The operational principle of 6N137optical coupler

2 AVR單片機的設計

2.1 ATmega128的基礎和特點

ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。高性能、低功耗的 AVR@8位微處理器先進的RISC結構，非易失性的程序和數據存儲器－具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區，通過片內的啟動程序實現系統內編程［6］。

2.2 ATmega128電路分布和原理

ATmega128電路分布和原理如圖3所示。

圖3 ATmega128電路分布和原理圖Fig.3 The electrical circuit and principles of ATmega128

3 通過LCD12864顯示檢測結果

通過ATmega12處理后的電壓信號經LCD顯示器顯示發動機的實時油耗，百公里油耗以及每小時油耗。同時顯示發動機實時油耗與基準值的比值，當比值大于設定值時，顯示警告信息，提示發動機有故障產生。

4 結束語

利用汽車節油及故障預警的智能化指示儀顯示出汽車的實時油耗、百公里油耗、每小時油耗，從而指示駕駛員按照經濟節油的方式改變駕駛習慣以達到節能減排的目的。同時利用實時油耗與基準值比較值的變化監測發動機工作狀況在汽車的故障初期，發現故障并提前預警。通過對發動機工作狀況的監測，可以延長一些達到更換周期而不需更換的零件的使用時間，達到降低相關零件的更換頻率，減少資源浪費，保護環境的作用。

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［1］付百學，張建華，譚國蘭.汽車油耗檢測與試驗分析［J］.交通科技與經濟，2007，9（3）:31 －34.

［2］李美華，韓大明，陸懷民.人工智能在故障診斷中的應用［J］.森林工程，2006，22（2）:23 －24.

［3］龔青青.汽車油耗智能檢測技術發展趨勢［J］.機械研究與應用2009（3）:12－13.

［4］Franz Thomas，劉冰（譯）.臺架試驗中發動機油耗的精確測量法［J］.國外內燃機，1993，25（6）:49 －50.

［5］隗海林，俄文娟，王 羽，等.電控汽油機噴油脈寬與燃油消耗質量關系試驗研究［J］.車用發動機，2009（3）:65－68.

［6］秦曾煌.電工學.電子技術［M］.北京:高等教育出版社，2004.