基于STC89C52的车载油耗实时监测系统设计

李洪亮，储江伟

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

随着科学技术的迅速发展和测量水平的不断提高，数字油耗仪的出现使运行车辆燃油消耗实时监测得以实现[1-3]，但在人机交互、通用性以及数据实时传输等方面，尚存在一定的问题，有待于进一步展开研究[4-5]。鉴于此，本文拟设计一种基于单片机的燃油消耗实时监测系统，旨在方便接收道路运输企业营运车辆的定位信息，实时显示营运车辆运行过程中的油耗数据及车辆相关参数，接收监控终端的各项指令，实现营运车辆的实时调度，从而提高道路运输企业的能源管理水平，减少总体能源消耗，完善能源利用考核及评价体系。

1 系统总体设计

道路运输企业的营运车辆大多以柴油发动机为主，通过在每辆车的供油管路中安装两个流量传感器，以分别计量供油泵的输油量以及喷油泵与喷油器的回油量，利用“流量差法”获得营运车辆的瞬时油耗[6]。采用数字化温度传感器在柴油机油管进出口进行温度补偿，从而进一步提高油耗监测装置的精度和可靠性[7]。基于STC89C52的车载油耗实时监测系统能够采集营运车辆的瞬时油耗数据，通过配置GPS定位模块获取营运车辆的定位信息，以有线或无线的通讯方式实时显示消耗信息和车辆定位信息，方便随车人员准确掌握营运车辆的油耗状况及相关参数[8]。营运过程中的大量数据可以存储于油耗实时监测系统的存储器中进行分析，也可以通过GPRS通讯网络将各项数据传回监控终端上位机进行统计分析。

2 系统硬件设计

该油耗实时监测系统的硬件部分由电源处理模块、STC89C52RC主控模块、GPS模块、GPRS模块、时钟模块、液晶显示模块、流量传感器、温度传感器和存储器等部分构成，其主要元器件及型号见表1，其系统硬件结构如图1所示。

表1 监测系统主要元器件选配

图1 系统硬件结构框图

2.1 电源处理模块

稳定可靠的电源是油耗实时监测系统正常工作的关键，该车载系统的监测终端需外接24 V或12 V直流电源，通过相关电路和元件转换为5 V和3 V的内部模块所需电压，同时备有充电电池，以防系统突然断电无法正常工作，其电路原理如图2所示。

图2 电路原理图

系统终端通常由蓄电池或点烟器等车载电源供电，由于这些电源工作不稳定，极易导致油耗实时监测系统的数据失准，因此本文采用外接电源预处理技术，为终端内部模块及其它元件稳定提供电源。经过外接电源的预处理过程后，得到稳定电源VCC1作为单片机供电处理模块的输入电压，经过稳压器LM2576S-5.0进行稳压后获得单片机系统的供应电源VCC2。LM2576S-5.0操作简单，只需极少的外部元件，并且包含内置频率补偿和一个固定频率的晶振；在指定的输入电压与输出负载范围内，可保证±4%的最大输出电压误差以及±10%的振荡频率误差；集成外部关断电路，待机电流典型值仅为 50μA；输出开关具有逐周限流及故障状态下提供完全保护的热断功能。通过REG1117三端稳压器为GPS模块供电，能够稳定输出3.3 V的可用电源VCC3。

2.2 单片机主控模块

宏晶科技公司推出的STC89C52RC型单片机，最高时钟频率可达80MHz，片内含有8 k Bytes的可擦写Flash程序存储器和512 Bytes 的数据存储器，同时配备8 BitA/D、PWM、I2C、UART和看门狗等模块，其指令代码与传统的8051单片机完全兼容，具备超强抗干扰、低功耗、驱动能力强和程序保密性强等优点[9]。

2.3 油耗数据采集模块

利用抗干扰能力强、动态响应好的LS-04型流量传感器采集油耗脉冲信号，以提高车载油耗实时监测系统的精度，其脉冲信号采集电路如图3所示。LS-04型流量传感器的计数机构完全与油液隔离，依靠磁性传动；当接入管路并有燃油流过时，进出口两侧的压力差将推动活塞做回转运动，此时与活塞相连的磁性耦合器也随之转动；活塞每旋转一次，磁性耦合器就耦合一次，并输出持续时间为毫秒级的低电平。单片机STC89C52RC的输入端口INT1获得低电平电压，其下降沿可触发单片机的端口中断；当中断程序判断得出因INT1触发而引起中断时，则脉冲计数器加1，实现计数功能；由于活塞的转数正比于流过传感器的油量，因此单片机记录的脉冲数即流过传感器的油量倍数。

图3 脉冲信号采集电路图

2.4 GPS定位模块

监测系统配备了GPS 模块，用于实时获取营运车辆速度和里程等定位信息。系统采用瑞士u-blox公司推出的NEO-6M型定位模块，定位引擎跟踪灵敏度最高至-162dBm，信息捕获速度快，抗干扰能力强，同时具备UART、USB、DDC和 SPI 端口，低功耗，低成本，易于集成开发[10-11]。GPS无线通信模块的电路原理如图 4 所示，11号引脚外接天线，用于接受射频信号；5、6、7号三个引脚接存储单元；20、21号引脚接单片机STC89C52RC的UART串口，进行GPS 定位信息通信；22号引脚接配用电源。GPS通讯协议采用NMEA0183标准格式，其串行通信参数包括波特率为4800bps、数据位为8bit、开始位为1bit、停止位为1bit和无奇偶校验位等。为确保GPS数据的可靠性，在系统软件开发时必须进行检验计算和对比分析。

2.5 数据存储模块

监测系统配备了GPRS通讯模块，用来实时传输油耗数据及车辆相关参数；同时选用CH375接口芯片在硬件上集成了数据存储模块，用来存储营运车辆运行过程中的实时油耗信息。CH375芯片是一种USB总线的通用接口芯片，不仅支持HOST主机和SLAVE设备方式，还可方便挂接在单片机系统总线上；在接口插上符合规格的USB闪存驱动器，即可存储行车过程中的油耗和定位数据；运营结束后，监测系统终端管理人员可通过USB闪存驱动器将数据导入油耗数据库，便于进行统计分析，数据存储模块的电路原理如图5所示。

图4 GPS电路原理图

图5 数据存储模块电路原理图

3 系统软件设计

车载油耗实时监测系统的软件设计分为控制软件设计部分和上位机软件设计部分。控制软件设计部分主要是单片机软件设计，准确采集营运车辆的定位信息、油耗数据及无线通讯和发送控制命令；上位机软件设计部分主要是存储道路运输企业员工在工作区间内所驾驶营运车辆的行车里程、平均车速、瞬时油耗量和累积耗油量等信息，管理人员能够在监测终端实现数据汇总、统计和分析。

3.1 控制软件设计

控制软件设计采用模块式开发，既便于程序的调试和链接，又便于进行移植修改。STC89C52RC型单片机具有良好的集成开发环境，选用C语言进行编程能够大大节约开发时间，其主程序流程如图6所示。单片机上电或复位时，首先进行系统自检和初始化，然后读取GPS模块的定位信息，再依次判断功能模块的标志位，当标志位有效时执行该功能子程序，否则向下跳转执行。系统中断源包括油耗脉冲采集的外部中断、定时中断和串口通信接收中断。

图6 控制软件的主流程图

3.2 上位机软件设计

监测系统上位机油耗管理软件开发旨在实现油耗数据处理、油耗统计与管理、用户软件发布三个功能。油耗数据处理包括油耗数据的获得及保存、数据检索两方面内容；油耗的统计与管理部分主要是利用Microsoft Office宏及VBA语言实现VB与Excel之间的连接，从而进行统计、生成油耗曲线和报表、打印及存档等操作。

4 结束语

基于STC89C52RC的车载油耗实时监测系统操作方便，成本较低，兼容性强，具有广阔的应用前景。利用该车载油耗实时监测系统，可以实现瞬时油耗、累计油耗等油耗数据以及行车里程、行车速度等定位信息的实时显示，能够通过存储设备与GPRS无线通讯网络实现数据的即时存储和远程传输；利用油耗数据管理软件，道路运输企业的监控终端管理人员可以对营运车辆行车过程中的实时耗油量进行统计分析，结合生产计划进行燃料供给管理工作，从而准确评价员工的工作绩效，有效改善道路运输企业的燃油浪费现象，实现节能增效的目的。

【参 考 文 献】

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