Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы измерения и контроля расхода топлива на автомобилях 7
1.1. Структура систем измерения уровня и расхода топлива в автомобилях 9
1.2. Контроль расхода топлива по косвенным параметрам 11
1.3. Методы и приборы контроля фактического расхода топлива 16
1.4. Методы измерения уровня топлива 19
Выводы по главе 1 28
ГЛАВА 2. Анализ сигнала датчика уровня топлива 29
2.1. Основные уравнения и свойства реостатного преобразователя 31
2.2. Аналитическая оценка основных характеристик поплавкового реостатного датчика уровня топлива 35
2.3. Экспериментальная оценка основных параметров датчика уровня топлива БМ128-А 41
2.4. Анализ электрических характеристик сигнала с датчика топлива включенного в стандартную измерительную цепь 50
2.5. Основные погрешности измерения расхода топлива при использовании уровнемеров и методы их компенсации 55
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. Влияние угла наклона емкости на распределение жидкости 62
3.1. Модель распределения жидкости в емкости, располагающейся под определенным углом наклона 67
3.2. Методика вычисления реального уровня жидкости
3.3. Граничные условия и уравнения компенсации 79
3.4. Алгоритм компенсации погрешности измерения реального уровня топлива 90
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4. Реализация системы измерения и контроля расхода топлива 95
4.1 Аппаратная реализация прибора 95
4.2 Программная реализация прибора
4.3. Алгоритмы вычисления объема заправки, слива и расхода топлива ... 116
4.4. Алгоритм решения задачи с использованием цифровой фильтрации 127
Выводы по главе 4 133
Заключение 134
Список литературы
- Контроль расхода топлива по косвенным параметрам
- Аналитическая оценка основных характеристик поплавкового реостатного датчика уровня топлива
- Граничные условия и уравнения компенсации
- Алгоритмы вычисления объема заправки, слива и расхода топлива
Введение к работе
Актуальность темы. Основную часть расходов, связанных с эксплуатацией транспортного средства (ТС), на практике составляют расходы на топливо. В связи с этим информация о режиме расходования топлива, объемах заправок, текущем объеме топлива является весьма ценной и используется для ведения статистической и оперативной отчетности, определения себестоимости перевозок и других видов транспортных работ, осуществления режима экономии потребляемых нефтепродуктов и т.д.
По методу определения различают два вида расхода топлива: фактический и нормированный. При расчете расхода топлива конкретным ТС необходимо учитывать большое количество разнообразных эксплуатационных параметров. При этом существует ряд параметров, контролировать которые достаточно сложно. Поэтому такие параметры как профиль дороги, качество дорожного покрытия, рисунок и состояние протектора автомобильных шин, погодно-климатические условия, техническое состояние ТС и т.д., учитываются достаточно редко. На практике используются только основные: пробег автомобиля, масса груза, сезонные изменения расхода топлива. В результате вычисление расхода топлива по нормативным документам не всегда дает точные результаты. Практика показывает, что несоответствие расчетного расхода топлива фактическому может достигать 10% для легковых, и до 70% для грузовых ТС. В связи с этим разработка и внедрение в эксплуатацию систем контроля фактического расхода топлива является актуальной задачей.
Измерение фактического расхода топлива на ТС осуществляется с использованием расходомеров или уровнемеров, состоящих из двух основных модулей -первичного преобразователя (датчика) и модуля регистрации, обработки, хранения и передачи данных. До недавнего времени задача фактического контроля не получила широкого распространения, хотя определенные работы велись. Основная причина этого - сложность аппаратурной реализации второго функционального модуля, т.е. аппаратуры регистрации, хранения и дистанционной передачи данных.
Измерение текущего расхода топлива и вычисление на его основе суммарного объема израсходованного топлива при помощи расходомера, встраиваемого в топливную систему ТС, характеризуется высокой стоимостью, требованиями к чистоте топлива, зависимостью показаний от физико-химических свойств топлива и рядом других факторов, которые сдерживают распространение данного способа контроля расхода топлива.
Альтернативным способом является измерение расхода топлива с использованием уровнемеров, измеряющих уровень топлива в баке ТС. Расход топлива рассчитывается исходя из габаритных размеров бака и значений измеренного уровня топлива. При этом в качестве датчика может использоваться серийный (предусмотренный конструкцией автомобиля) датчик, либо устанавливается специальный датчик уровня топлива. Информация обрабатывается модулем контроля. Данный способ позволяет осуществлять контроль расхода топлива без внесения конструктивных изменений и является наиболее простым и дешевым с точки зрения
реализации, т.к. для получения результата требуется лишь укомплектовать автомобиль модулем контроля. Это наиболее дешевый и простой путь решения задачи контроля расхода топлива, который находит все большее распространение.
Актуальность исследования определяется необходимостью осуществления контроля за фактическим расходам топлива ТС в условиях эксплуатации с исполі зованием недорогих систем, определяющих его расход на основе результатов изме рения уровня топлива в баке ТС.
Цель работы; исследование и разработка аппаратно-методического комплеї са для решения важной научно-технической задачи - создания эффективной и экс номичной системы измерения фактического расхода топлива на основе уровнем* ров. Достижение поставленной цели требует решения следующих научнс технических задач:
на основе анализа существующих методов измерения уровня топлива оц( нить технические характеристики серийных датчиков грузовых ТС и возможное! их использования для решения задачи контроля фактического расхода топлива;
разработать методику достоверного контроля фактического расхода тоши ва при использовании уровнемеров в условиях изменяющегося наклона бака;
аппаратурная реализация системы измерения и контроля фактического раї хода топлива в виде электронного блока измерения уровня топлива и программної обеспечения.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, хараї теризующиеся научной новизной:
разработана методика компенсации погрешности измерения фактически расхода топлива при проведении измерений в условиях переменного угла наклої топливного бака ТС;
разработана методика, позволяющая осуществлять вычисление значені расхода топлива ТС на основе результатов измерений уровня топлива с использов нием серийного датчика уровня топлива автомобиля КамАЗ;
разработана и осуществлена аппаратурная реализация системы измерені и контроля фактического расхода топлива с использованием серийного датчиї уровня топлива, позволяющая повысить достоверность измерений за счет исполк* вания методов цифровой обработки сигнала.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Осуществлена практическая оценка и модернизация существующей си темы измерения расхода топлива автомобилей КАМАЗ с использованием пр граммных и аппаратурных средств на основе реализации оптимальных алгоритмов схемотехнических решений, позволяющих контролировать фактический расход т плива ТС на всех этапах его эксплуатации.
Разработана и внедрена система измерения и контроля расхода топли на 50 ТС марок КамАЗ, МАЗ и УРАЛ.
Результаты исследований используются в ООО КБ «Навигационные те нологии» при проектировании автоматических систем контроля параметров трап портных средств в условиях эксплуатации, что подтверждено актом реализации.
Положения, выносимые на защиту:
1) методика компенсации погрешности измерения уровня, возникающей
вследствие изменения угла наклона емкости при выполнении транспортной работы
в условиях пересеченной местности;
2) аппаратурная и программная реализация системы контроля расхода топли
ва в условиях эксплуатации ТС, основным элементом которой является модуль из
мерения уровня топлива в баке ТС, который подключается к серийным датчикам
уровня топлива, предусмотренных конструкцией ТС.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, из них две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Апробация результатов исследования. Результаты работы доложены на XII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и энергетика" (г. Москва, 2006), на научной студенческой конференции, посвященной «Дню энергетика» (г. Казань, 2006 г.), на двух Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерения физических величин» (г. Н. Новгород, 2007 г.), на II международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007 г.), на Ш международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии в профессиональной и научной деятельности» (г. Йошкар-Ола, 2008 г.), на XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008» (г. Томск, 2008 г.).
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются согласованием расчетных данных с результатами теоретических и экспериментальных исследований:
совпадением контрольных точек передаточной характеристики реального датчика, полученных при выполнении натурного эксперимента с датчиками марки БМ-128 в количестве 30 шт., с результатами, полученными на основе разработанных математических моделей;
совпадением результатов измерения расхода топлива в условиях переменного угла наклона ТС с расчетными данными
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором выбраны пути решения задач и схемы исследований в рамках выполненной им научно исследовательской работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 150 страницы машинописного текста, 6 приложений, 24 таблицы и 85 рисунков. Библиографический список включает 88 наименований.
Контроль расхода топлива по косвенным параметрам
По методу определения различают два вида расхода топлива: фактический и нормированный.
Фактический расход — это объем топлива, реально израсходованный ТС за определенное время или на выполнение определенной работы, который измеряется с помощью контрольно-измерительных приборов, в качестве которых используются уровнемеры и расходомеры. При отсутствии данных по фактическому расходу предполагаемый расход высчитывается по установленным нормам, исходя из модели ТС, пробега, нагрузки и ряда других факторов. Расход топлива, рассчитанный подобным образом, получил название нормированного расхода [20].
Нормы расхода топлива ТС предназначены для расчетов расхода топлива, ведения статистической и оперативной отчетности, определения себестоимости перевозок и других видов транспортных работ, планирования потребности предприятий в обеспечении нефтепродуктами, осуществления расчетов по налогообложению предприятий, осуществления режима экономии и энергосбережения потребляемых нефтепродуктов, проведения расчетов с пользователями ТС, водителями и т.д. Основным документом, регламентирующим нормы расхода ГСМ на текущий момент, является руководящий документ [21].
Нормы расхода топлива на транспорте классифицируют по нескольким признакам: степени агрегирования (индивидуальные и групповые); составу расходов (линейные, удельные и общепроизводственные); сроку действия и времени года (временные и постоянные, сезонные, квартальные) [22]. Индивидуальные и групповые нормы расхода являются основными показателями эффективности использования топлива.
Индивидуальной нормой называют количество топлива, необходимого на выполнение единицы транспортной работы в зависимости от типа ТС и конкретных условий эксплуатации. Их рассчитывают на основе исходных прогрессивных показателей и параметров топливоиспользования, именуемых в дальнейшем отраслевыми нормативами. Индивидуальные нормы являются исходными параметрами для расчета групповых норм. Индивидуальные нормы используют для сравнительного анализа эффективности энергопотребления при выполнении одноименной транспортной работы.
Линейной нормой называют расход топлива, устанавливаемый на непроизводительный пробег автомобиля, т. е. на перемещение собственной массы в определенных условиях эксплуатации. Линейные нормы расхода топлива определяют преимущественно экспериментальными методами. Однако эти методы нормирования не позволяют дифференцировать расход топлива по отдельным фазам дорожного движения: холостой ход, равномерное движение, ускорение, замедление. Например, при движении ТС без помех на го- ризонтальной дороге расход топлива на 20...25 % меньше по сравнению с сдвижением по городским магистралям.
Групповой нормой расхода топлива называют норму, охватывающую условия работы однотипных ТС, в конкретных условиях эксплуатации. Групповые нормы разрабатывают на основе линейных норм расхода топлива, характера транспортной работы и структуры парка. Групповую норму определяют аналитическим путем, на основе анализа статистических данных о фактических удельных расходах топлива за определенный период. Ее используют для комплексного анализа эффективности использования топлива на автомобильном транспорте.
Удельные нормы расхода топлива включают широкий класс различных нормативов на выполнение единицы транспортной работы или перевозку одного пассажира. Для грузовых автомобилей, выполняющих транспортную работу, удельная норма устанавливает расход топлива на выполнение 100 т-км и дифференцируется в зависимости от типа двигателя. Анализ данных по фактическому расходу топлива на единицу транспортной работы, определенный экспериментальным путем, в зависимости от грузоподъемности ТС и типа двигателя показывает, что норма расхода топлива на транспортную работу в большинстве случаев не соответствует фактическим показателям. Последнее связано с тем, что нормы на пробег порожнего ТС для большинства модификаций оставались на прежнем уровне или были снижены всего на 3—5%, в то время как нормы на транспортную работу снижены на 15—20% [23...28]. Таким образом, использование нормированного расхода при решении задач оптимизации нерационально, т.к. зачастую этот расход топлива отличается от фактического расхода в боль шую или меньшую сторону. Основная причина отклонения - отсутствие учета всех параметров, оказывающих влияние на расход топлива ТС.
Рассмотрим влияние сопутствующих факторов на фактический расход топлива. Расход топлива в реальных условиях эксплуатации может быть представлен как случайная функция постоянных и переменных дорожных условий [29]. К постоянным дорожным условиям относятся: продольный профиль дороги, конструкция дорожного покрытия, план трассы, ширина проезжей части и пересечение дороги с другими дорогами. К переменным дорожным условиям следует отнести: скорость, интенсивность и плотность движения, состав транспортного потока, частоту и продолжительность остановок, число циклов разгонов и торможения, сцепление с дорогой и видимость. Из числа перечисленных факторов, определяющих фактический расход топлива, следует выделить тип состояния дорожного покрытия и рельеф местности, по которой пролегает дорога [30]. Так, если принять расход топлива на дороге с асфальтобетонным покрытием в равнинной местности за 100%, то на такой же дороге в пересеченной местности расход возрастает на 30%, на дорогах с гравийным покрытием в среднем на 20%, а на булыжных мостовых и грунтовых дорогах на 30-60%о. Перепад нормативного расхода топлива в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия составляет 50% (расход снижается до 15% при работе на усовершенствованном покрытии и повышается до 35% при езде по бездорожью). В частности, фактический расход отличается от нормированного приблизительно на 10% (легковые) и на 70-80%) (грузовые) [31]. Дорожные условия оказывают существенное влияние на фактический расход топлива, однако на практике учитываются редко. Качество используемого топлива также оказывает существенное влияние на расход топлива, поэтому методам оценки его качества уделяется пристальное внимание [32].
Обобщенные данные о влиянии на расход различных неисправностей отдельных систем ТС, а также условий и режимов его эксплуатации представлены в табл. 1.1. Приведенные данные по фактическому расходу топлива Л(2т,п и &Отах являются результатом обобщения и группирования многочисленных литературных источников, иногда противоречивых [33...35]. В среднем приведенные данные объективно отражают влияние различных факторов, например, факторы В и ВЦ?, влияющие на расход топлива.
Аналитическая оценка основных характеристик поплавкового реостатного датчика уровня топлива
В качестве опытного образца рассмотрим стандартный датчик уровня топлива марки «БМ128-А» рассчитанный на бак емкостью 500л. Основные конструктивные характеристики датчика, представлены в таб. 1.
Конструкция датчика топлива «БМ128-А» представлена на рис. 2.11. В данном случае длина рычага датчика составляет 330±0.5 мм и определяется как расстояние между центром поплавка и осью поворота рычага. Максимальный угол поворота рычага атяк = 95 ± 0,5 град.
Оценим технические характеристики датчика уровня топлива с учетом его конструктивных особенностей. С учетом выражения (2.17) рабочий диапазон датчика равен Нтах = 2r sm(amax 12) = 2 330 sin(95 / 2) = 486 мм . При практической эксплуатации у датчика присутствуют мертвые зоны. Минимальное значение верхней мертвой зоны обусловлено диаметром поплавка или расстоянием, на которое поплавок не доходит до верхней крышки емкости:
В данном случае #HM3 =540-3-232-22/2-330-sin(95/2) = 50,6 мм. Таким образом, реальный рабочий диапазон измерения топлива в баке с размерами 1500x640x540 при использовании рассматриваемого датчика составляет НпР =НБ нвмз ннмз - 2Scm = 540 - 22 - 50,6 = 461,4 мм. При точных расчетах значений мертвых зон также необходимо учитывать глубину осадки поплавка.
Теоретический расчет функции преобразования вида a = f(H), определяющей зависимость угла поворота рычага а от текущего положения поплавка Н, производился с использованием математической модели, описываемой выражениями (2.11...2.13). При этом учитывались конструктивные размеры датчика и возможные положения рычага. Результаты вычислений представлены в табл. 2.3. Представленная таблица позволяет оценить функцию преобразования датчика, т.к. выходной сигнал датчика Rd зависит от угла поворота рычага a, который должен изменится на определенное значение amm для изменения на величину AR. Величина amin по сути является чувствительностью датчика. В рассматриваемом датчике используется проволочный реостат с постоянным шагом намотки проволоки. Таблица 2.3.
С учетом равномерного шага намотки витков реостата коэффициент связи между углом поворота рычага (ползунка) а и сопротивлением реостата (датчика) Rd рассчитывается согласно выражения kR =(Лтах -ЯоУ тах Ом/град.
С учетом данных из табл. 2.2. значение коэффициента связи составляет kR =(90- 0)/95 = 0,947. Окончательный вариант расчета значений теоретической функции преобразования Rdp - /(Я) для датчика марки БМ-128, полученной с использованием математической модели, представлен в табл. 2.5 и нарис. 2.12.
Использование разработанной модели позволило получить функцию преобразования вида Rd = f(H), учитывающую конструктивные особенности датчика, и приблизительно оценить основные метрологические характеристики датчика. Полученные значения дают оценку, которая не учитывает влияния многих факторов, определяемых технологией изготовления. В первую очередь это неравномерность шага намотки витков проволоки на каркас реостата и величина переходного сопротивления токосъемного контакта и обмотки. Во вторую очередь следует отметить наличие упругих элементов в конструкции датчика, снижающих повторяемость результатов измерений. Помимо перечисленных, существует ряд дополнительных факторов, которые не учитывались при моделировании. Основная причина этого заключается в сложности строгого описания вышеупомянутых факторов аппаратом классической математики. Анализ совокупности вышеперечисленных факторов показал необходимость проведения экспериментальной оценки метрологических характеристик датчика марки «БМ-128». Для проведения эксперимента были выбраны 30 шт. датчиков и собран испытательный стенд. Конструкция стенда представлена на рис. 2.14. Стенд представляет собой плоскую прямоугольную поверхность 1, на которой между направляющими 3 и 4 располагается подвижная измерительная шкала 2. В верхнем правом углу поверхности располагается основание 5, предназначенное для крепления датчика. На первом этапе опытный образец датчика закрепляется на основании при помощи винтов. Затем поплавок перемещается в крайнее нижнее положение. После этого шкала перемещается таким образом, чтобы нулевое значение измерительной шкалы установилось напротив нижнего края поплавка. Затем шкала фиксируется. Для измерения сопротивления использовался мультиметр UT57, обозначенный на рисунке цифрой 7. Один контакт мультиметра подключался к корпусу датчика, а второй к клемме 6, являющейся выходом датчика. На втором этапе эксперимента были проведены опыты, в процессе ко торых производились измерения сопротивления датчика при раз личных положениях рычага. Шаг перемещения рычага, через кото рый производились измерения, со ставлял 5 мм, при температуре ок ружающей среды
Граничные условия и уравнения компенсации
Для решения обратной задачи необходимо определить начальные условия. В начальный момент времени емкость находится в строго горизонтальном положении. При этом реальный уровень жидкости в емкости определяется переменной Нж. В следующий момент времени емкость поворачивается на некоторый угол аБ и жидкость в ней перераспределяется. В этом случае требуется составить алгоритм, позволяющий вычислять текущий уровень жидкости Нх в точке измерения Lx. После наклона емкости объем жидкости, находящейся в ней, не изменился, соответственно и площадь соприкосновения жидкости и передней стенки емкости тоже не изменяется. Таким образом, поставленная задача будет решаться с использование метода совпадения площадей фигур, которые образуются при соприкосновении передней стенки емкости и жидкости. В дальнейшем площадь соприкосновения жидкости и передней стенки будет просто называться площадью фигуры. Кратко рассмотрим принцип действия модели, показанной на рис. 3.4.
Работа модели описывает процесс заполнения жидкостью емкости прямоугольной формы, наклоненной на некоторый угол аБ. В начальный момент времени, когда угол наклона равен 0, жидкости занимает площадь SQ. Требуется определить положение и параметры фигуры, которую примет жидкость после наклона емкости. Фигуры в некоторых случаях имеют сложную форму (заштрихованные области на рис. 3.4в...3.4д), и их площадь рассчитывать затруднительно. Четыре возможных положения показаны на рис. 3.4. Для произведения расчетов указанные фигуры разделяются на две простые: прямоугольник и прямоугольный треугольник, как это показано на рис. 3.4.
С учетом этого условия нахождения решения записываются в виде: если 50 = S,, тогда жидкость в положении 1; если S0 = 521 + S22, тогда жидкость в положении 2; если S0 = S31 +S32, тогда жидкость в положении 3; если 50 = SH - S4, тогда жидкость в положении 4. Положение 1
Выполнение некоторых блоков алгоритма можно ускорить, если использовать аналитические выражения, позволяющие находить длину катетов прямоугольного треугольника по известному острому углу и его площади. Для нахождения выражений запишем следующие уравнения. Площадь фигуры до наклона (прямоугольник) и фигуры полученной после наклона (прямоугольный треугольник) равны S0=S]t следовательно, справедливы выражения:
Известны следующие величины: aE,HH,Lb. и НЖ,ЬХ. Требуется определить уровень Нх, измеренный в точке смещенной относительно левой стенки емкости на расстояние Lx. Переменная є — определяет точность, с которой будет найдено решение. Алгоритм решения обратной задачи для определения уровня Нх 1. Вычисляется площадь фигуры без наклона емкости S0 = НЖЬБ.
График показывает зависимость изменения уровня жидкости в контролируемой точке зависимости от места установки датчика Смещение датчика задается относительно левого края емкости Ось X растояние на которое смещен датчик, ось Y уровень жидкости в точке измерения
Соотношение высоты бака к его длине представляет особый интерес, поэтому вводится новое понятие «коэффициент геометрии бака» и обозначается переменной Кг. Его величина определяется соотношением Кг = НБ/ЬБ (3.7) В процессе моделирования была получена серия графиков иллюстрирующих степень изменения уровня жидкости в конкретной точке вследствие наклона емкости. Наиболее информативными являются двухмерные графики. Рассмотрим степень изменения текущего уровня в зависимости от двух динамически изменяющихся параметров Lx и аБ. Значения входных параметров при моделировании распределения топлива показаны в табл. 3.1.
Относительная погрешность измерения реального уровня Нж, показана на Максимальное значение погрешности при угле наклона 25 град и выше лежит в пределах 100...316%. Значения остальных характерных точек представлены в табл. 3.2. Таблица 3.2. Характерные точки значения относительной погрешности
Следующий график показывает распределение жидкости в емкости, для которой соотношение длины емкости к ее высоте равно 0,75. Реальный уровень жидкости так же как и в предыдущем случае составляет 0,25% от высоты емкости.
Алгоритмы вычисления объема заправки, слива и расхода топлива
В качестве дополнительных условий выдвигались требования простоты реализации и невысокой себестоимости.
Для работы микроконтроллера необходимо стабильное питание напряжением до 5 В. Бортовая сеть автомобиля имеет типовые напряжения 12, 24 В., а номинальные значения напряжений питания для микроконтроллеров лежат в пределах Uvcc = 2.7...5.5 В. Таким образом необходимо использовать понижающий стабилизатор напряжения. Для оцифровки аналоговых сигналов, снимаемых с датчиков, необходимо использование аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Контроллер может работать с сигналами, амплитуда которых не превышает напряжение его питания. Из ТУ видно, что амплитуда входных сигналов существенно выше, соответственно необходимо использовать различные схемы нормализации и масштабирования сигналов. В процессе анализа сигнала с датчика уровня топлива было установлено, что частота полезного сигнала лежит в пределах 0...1.6 Гц, а все остальные частоты и гармоники с большей частотой, являются помехами, которые необходимо фильтровать, т.е. включать в схему прибора фильтрующие цепи. Отсутствие контакта между датчиком уровня топлива и указателем уровня топлива (рис. 2.20) приведет к появлению в цепи напряжения равного напряжению бортовой сети, а при нормальной работе амплитуда в этой цепи для автомобиля «КАМАЗ» не превышает В. Для защиты от подобных ситуаций в цепь прибора включены различные элементы защиты. В итоге получается следующая функциональная схема прибора, показанная на рис 4.2.
Структурная схема прибора для контроля уровня топлива, где «Вход 1» - аналоговый вход для сигнала с датчика уровня топлива, «Вход 2» - аналоговый вход для измерения напряжения бортовой сети, «Вход 3» - дискретный вход наличия питания на датчике уровня топлива, «ипит» - плюсовой вход напряжения питания прибора, «Gnd» - минусовой вход питания. Прибор подключается к цепям электрооборудования автомобиля «КАМАЗ» по схеме, представленной на рис 4.3. На «Вход 1» подается аналоговый сигнал с датчика уровня топлива. «Вход 3» используется для контроля ключа зажигания Б3 и соответственно наличия питания в цепи датчик - указатель. На «вход 2» необходимо подавать напряжение питания датчика, т.к. от него напрямую зависит выходной сигнал датчика уровня топлива. В данной схеме включения видно, что напряжение питания бортовой сети и напряжение питания датчика совпадают, поэтому «Вход 2» можно подключить непосредственно ко входу питания прибора «Unum». Минусовой контакт питания «Gnd» подключается после выключателя массы автомобиля. Это обусловлено требованиями безопасности при эксплуатации автотранспортной техники.
Данным требованием полностью удовлетворяет 8-разрядный контроллер ATmega8-16AU производства фирмы Atmel. Данный контроллер имеет 1 Kbytes встроенной оперативной памяти и 8К Byte постоянной памяти для хранения кода программ, 10-ти разрядное АЦП на шесть мультиплексируемых каналов, 24 порта ввода / вывода. Из интерфейсов связи присутствуют UART и SPI. Помимо характеристик основными причинами выбора данного контроллера явились его широкое распространение, доступность и низкая стоимость [82...85].
Выбор акселерометра. Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Промышленность изготавливает достаточно большое количество разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерений ускорений, массу и габариты. Основное назначение акселерометров — измерение значений ускорений, но его можно использовать для измерения угла наклона относительно горизонтальной плоскости земли. Для этого, при помощи акселерометра производится измерение значения ускорения свободного падения. Для этого необходимо использовать двухосевой акселерометр, с диапазоном измерения близким к lg (ускорение свободного падения). После проведенного анализа представленных на рынке акселерометров, был выбран интегральный акселерометр ADXL202E, производимый компанией «Analog Device». Данный акселерометр позволяет измерять линейное ускорение по двум взаимно перпендикулярным осям, находящимся в плоскости кристалла. Для определения угла наклона кристалла относительно горизонтальной плоскости земли производится измерение величины проекции силы тяжести (ускорения свободного падения) на оси акселерометра. На основе полученных данных определяется величина угла наклона объекта, на котором закреплен акселерометр. Основные характеристики акселерометра ADXL202E приведены в табл. 4.1.
Выходным сигналом акселерометра ADXL202 являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению (ШИМ сигнал). Данный тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и простую обработку сигнала микроконтроллером, имеющим встроенный таймер [86].
Выбор блока питания. Блок питания является очень важным модулем прибора, т.к. для нормального функционирования контроллера требуется стабильное напряжение питания с минимальным уровнем пульсаций. Особенно это актуально при использовании встроенное АЦП контроллера для проведения аналоговых измерений и выбора в качестве опорного напряжения АЦП напряжения питания.
Проектирование блока питания производилось с учетом следующих основных характеристик: минимальное входное напряжение - Un; ( максимальное входное напряжение - /ах; выходное напряжение - 1/вых; максимальный выходной ток - 1вых; температурный диапазон эксплуатации Тор. В качестве основного напряжения питания микроконтроллера было выбрано значение Uvcc = 5 В, поэтому выходное напряжение блока питания также равно U((ЫХ = 5 В. Микроконтроллер в активном режиме, при напряжении питания Uvcc -5 В, потребляет 15 мА. Все порты микроконтроллера направлены на ввод, при этом максимальное значение тока для одного порта составляет 3 мкА. Потребление сторожевого таймера (WDT) составляет на 30 мкА. Таким образом, суммарный ток потребляемый контроллером ATmega8 в активном режиме Ivcc Соответственно мощность, потребляемая контроллером составит Кас = Uvcc hcc = 5 0.015 = 0.075 Вт. Требования к параметрам блока питания представлены в табл. 4.2. Ppac=(KaX-U6blx)-Inum=(32-5).0,015 = 0,4 Вт. Многократный запас по мощности позволяет использовать микросхему без дополнительных радиаторов охлаждения. Для повышения стабильности напряжения на входе и выходе блока питания добавлены конденсаторы С9 и С11 имеющие большую емкость. Диод Шотки VD4 осуществляет защиту от подачи напряжения обратной полярности. Варистор VD5 по своей сути является мощным стабилитроном, с напряжением стабилизации ЗЗВ. При превышении напряжения U 33 В, он начинает пропускать через себя большой ток и вызывает перегорания нити плавкого предохранителя F1, рассчитанной на ток 0,5 А. Полная схема блока питания прибора представлена на рис. 4.4.
