基于流量差法的内燃机车油耗实时计量装置的研究.doc

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1、中文摘要随着国民经济的发展，能源消耗也越来越多。我国的铁路系统，铁路运输能耗成本支出约占运输成本总支出的百分之二十。而内燃机车的燃油消耗是铁路系统运输成本的主要部分。为了提高燃油的利用率，减少浪费，合理使用，对燃油的控制、管理急需高精度的测量仪器来实现。本文中的内燃机车燃油实时计量装置能够随时提供内燃机车柴油机的油耗量，计量准确、操作简单，具有高精度、高可靠、高方便性的特点。内燃机车的油耗测量难度在于流量比较大，而油耗却比较小，典型的“大流量小消耗”测量。这不单单需要进油和回油两路管路都要精确计量，还需要基于流量差法的油耗计量的精确度也要非常高。文中提出从适合实际流量的窄量程范围标定仪表系数更

2、科学。利用称重法在实验室的水流量标准实验装置上做了大量实验，计算数据表明按窄量程标定仪表系数的涡轮流量传感器线性度和重复性更好。内燃机车上电后空打燃油泵时，进油流量等于回油流量，据此设计了仪表系数校正方案，提高了油耗实时计量装置的测量精度。内燃机车上电磁环境复杂，需要燃油实时计量装置具有很强的抗干扰能力。文中根据国军标GJB/Z 299B-98对关键易坏元件电阻器、电容器、光电耦合器等做了失效率分析，采取降额设计提高装置的可靠性。软件上也采用了四重冗余编码纠错设计，即使数据出错，也能对重要数据备份进行自救；设计了一键恢复仪表系数功能，方便了工作人员的使用和后期维护。关键词：内燃机车 仪表系数

3、校正 涡轮流量传感器 油耗 可靠性ABSTRACTWith the development of the national economy, energy consumption has been increasing. In Chinas railway system, energy consumption of rail transport costs about 20 per cent of the total transport expenditure,and the fuel consumption of diesel locomotive is the main part of t

4、he transportation cost in railway system. In order to improve fuel efficiency and reduce waste, high-precision measuring equipment urgently needed to be achieved. In this paper, the real-time oil consumption measuring equipment in diesel locomotives can readily get available fuel consumption of the

5、diesel engine with accurate measurement and simple operation, and it has the advantages of high-precision, high- reliability,high-convenience features.The difficulty of oil consumption metering in the diesel locomotive consists in relatively larger flux but little consumption , the typical large flo

6、wrate small consumption measure. This needs not only to measure oil flowrate accurately in two pipelines, but also to measure the oil consumption based on flux margin method with higher precision. It is more scientific that the flow-meter is calibrated in narrow-range near the actual flowing.A lot o

7、f experiments have been done using the method of weight balance with standard experimental equipment of water flow,and the data indicate that linearity and repetitiveness of the turbine meter is better under narrow-range than under wide-range. The return oil flowing equals to enter oil flowing when

8、the fuel pump works but no oil consumption.According to this principle,the project is designed to adjust meter factor and the equipments measurement precision is improved.The real-time oil measuring equipment must has strong anti-jamming capability on account of complex electromagnetic environment i

9、n diesel locomotives. In accordance with the GJB/Z 299B-98(Reliability prediction handbook for electronic equipment),the failure analysis of key components,such as resistors, capacitors, optocoupler and so on,is done.The equipments reliability is improved when the project design takes derating of co

10、mponent.The quadruplicate redundant code design is adopted in software system.It can backup key data and save itself even if the data in memory are destroyed.The design of one key restoring meter factor is convenient for workercontrol and maintenance .Key words: diesel locomotive,meter factor,correc

11、tion, turbine flow sensor, oil consumption,reliability目 录第一章 绪论 11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 课题的主要内容及创新点3第二章 油耗实时计量装置总体设计 52.1 柴油机、柴油、柴油机燃油系统简介52.1.1 柴油机简介52.1.2 柴油简介62.1.3 柴油机燃油系统62.2 油耗实时计量装置总体设计82.3 硬件电路研究与设计 102.4 软件程序设计与研究 13第三章 基于涡轮流量传感器流量系统的研究163.1 流量传感器的选择 163.2 涡轮流量传感器的工作原理 173.3 涡轮流量传感器

12、的实验研究 223.3.1 涡轮流量传感器的实验研究方法 223.3.2 实验数据及误差处理 253.3.3 实验数据分析 343.4 仪表系数校正 373.4.1 仪表系数校正原因分析 373.4.2 实验数据仪表系数校正 383.4.3 仪表系数校正实例分析马钢GK0072内燃机车 39第四章 可靠性设计444.1 降额设计和关键元器件失效率分析 444.1.1 电阻器的降额及失效率分析 454.1.2 电容器的降额及失效率分析 484.1.3 光电耦合器的降额及失效率分析 514.2 高频开关电源 534.3 电磁兼容性设计 544.4 软件抗干扰措施 564.4.1 软件滤波算法 56

13、4.4.2 RAM中数据冗余保护与纠错58II目 录4.5 仪表系数一键恢复 604.6 看门狗WDT的使用 61第五章 运行数据处理与误差分析635.1 实验过程 635.2 运行数据及效果 635.3 误差分析 64第六章 总结与展望65参考文献 66发布论文情况和参与科研情况说明 69致谢 70第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义在全球能源危机日趋严重的今日，如何减少能源消耗和浪费是世界普遍关注的焦点问题。随着国民经济的发展，我国的能源消耗也越来越多，各种能源的价格也是节节攀升。这就要求各部门单位对能源要节约利用，有效管理。在我国的铁路系统，铁路运输能耗成本支出约占运

14、输成本总支出的百分之二十12。特别是内燃机车的燃油消耗是铁路系统运输成本的主要部分，受国际油价上涨因素的影响，对运输成本的影响更为显著。仅在2000年国家柴油价格就先后上调了7次，由年初每吨2500元提高到3200元，到2006年中期更是涨到了5000元/吨以上！油价的上升造成铁路局燃料消耗成本的大幅度增长，是铁路局运输成本增长的主要因素之一。若能够采用科技手段，记录机车柴油机燃烧情况，改善柴油机热工状态，加强柴油消耗的管理，建立约束激励考核机制，特别是从根本上解决机车乘务员按班考核，进而达到促进机车乘务员机车操纵水平的提高，实现增运增收节支的目的。现行各机务段在对机车乘务员担当任务的燃油消耗

15、量的管理考核上，缺乏必要的科学手段，只能按机车组进行考核，不能实现按班考核。且在机车乘务员交接班过程中办理交接油时，只能靠眼睛观测，凭经验估计大概用油量，尚无较精确的客观计量依据。而目前内燃机车的燃油箱油标尺刻度线以100升为单位，小于100升的变化仅凭用肉眼观察无法达到必要的精确度，因此无法准确计算出每趟列车的乘务班实际的燃油消耗。由于机车停靠位置的差异性，从机车燃油箱油位标尺观察的燃油误差最大可达300多升，油耗量的计量极不准确。因此亟待提高机车燃油耗油量管理的技术水平，开发研制随车燃油实时计量装置，在机车运行中随时提供内燃机车柴油机的油耗量，为机务部门的燃油消耗管理提供客观依据，为实现增

16、效节支提供有效的管理手段；同时也便于掌握机车热力状态，为有针对性地开展维修工作提供科学依据，为机务部门实现机车维修制度改革，改“定期检查范围修”为“定期检查状态修”，即按需维修提供重要的监测手段。柴油机燃油系统进油管路中的燃油并没有完全燃烧掉，除了一部分成为废油外，相当多的燃油通过回油管路返回到油箱。要实现内燃机车燃油消耗量的准确计量，关键是要解决柴油机燃油系统“大流量小消耗”的精确计量问题。不但进油、回油要达到高精度测量，两者之差油耗的计量精度也要非常高才能够具有实用价值。同时计量装置的操作要简单易用、容易上手，具有较强的抗干扰能力，并且能够适应内燃机车复杂的电磁环境。内燃机车油耗实时计量装

17、置就是基于此背景下研制的，它的研制充分体现了“高精度性、高可靠性、高方便性”的“三高”特性。1.2 国内外研究现状由于内燃机车柴油机的燃油消耗的测量在实际工作中非常重要，国内外很多专家学者都对它作了大量的实验和研究，研究方法多见于专利和期刊中。查阅各种资料，总结归纳起来主要有如下几种测量方法：1.用电子天平原理和重量法对油耗量进行测量。技术关键为精确测量油耗时间和耗油重量，时间测量应用微机控制，采用高精度的晶振和脉冲分频计时（CTC），测量精度不低于10-4秒，重量测定采用天平原理和“单光点”的光电发讯器，保证天平在二次不同重量的平衡时刻能在同一水平位置发出光电讯号，从而提高了重量测定的精度。

18、此设备的本身精度为0.1%，系统精度0.2%3。此设备不作为随车燃油计量检测装置，不具备随车测量的功能或者采集信号传输处理进行计量的能力。只适用于机车工厂和机务段的内燃机车地面性能测试时使用，对于运行过程中的内燃机油耗计量无能为力，并且价格较高（当时约2万余元）。2.前苏联客运内燃机车上采用液位计式远距离油位指示器，由小油箱风管、两通阀、节流器、过滤器、针阀、塞盖、燃油表小油箱、油箱、油箱风管、从制动风管来的空气、三通阀等设备组成。用玻璃管液位计实时指示油箱油位，指示精度（6.25%），指示范围08000升，刻度值为500升，并不具备信号处理及信号远传功能4。该设备精度不高，对于两个班组交接时

19、的燃油计量误差太大，油耗的详细归属班次不明确，不能真正作为高精度的燃油计量仪器使用。3.利用间接参数测量，通过计算公式计算得到柴油发动机的燃油消耗率。发动机使用中的燃油消耗率（g）由公式计算得到。其中PE为运行中柴油发动机的输出；N为发动机转速；R为燃油控制标尺位置；单位时间的燃油输入量是预先得到的，它是关于R，N的函数；B为系数；为燃油比重5。本方法通过测量其他的间接量计算得到燃油消耗量，这将增加传感器的数量和装置处理的复杂程度。对于内部使用的调度机车，经常走走停停，柴油机各物理量都在变化，采集各参数信号后进行处理，误差叠加使得累积误差就更大了。在没有考虑温度对燃油比重的影响情况下，不能保证

20、测量精度的要求。4.测量内燃机车燃油管路中流量的流量表通过发射激光束/超声波测量安放在燃油管道中的叶轮的转速得到燃油流量6。内燃机车频繁、强烈的振动环境，对于激光和超声波的传送过程有很大影响，因此这种情况下不能用激光束与超声波测量叶轮的转速。5. 内燃机车油耗记录仪：本油耗记录仪是利用微型计算机技术来记录和测定机车油耗量的装置,由一次仪表、二次仪表和电源逆变器三部分组成。一次仪表采用涡轮流量传感器，安装在柴油机旁的进油和回油管中；二次仪表为电脑智能仪表，由单片机系统完成流量信号输入后运算和输出、显示功能；电源逆变器采用脉宽调制隔离稳压电路，是一次仪表和二次仪表的电源7。该设备计量油耗时没有考虑

21、温度的影响，进油和回油管中的燃油密度不同，仍按涡轮的频率计算流量会形成比较大的误差。6.确定柴油机燃油消耗的方法和实现这个方法的设备有一个注油泵和最少一个注油嘴，该注油嘴通过油管与其他注油嘴相连。测量注油泵产生的油压脉冲，把它转换为电气参数作为时间函数。该参数由电路板输出到可编程的微处理器，微处理器补偿只依赖速度而产生的误差8。这将增加特殊的设备，增大复杂性。测量柴油机油耗的设备和方法还有很多91011，综合各种油耗测量设备的方法，有直接测量法，有间接测量法，有的需要进行温度补偿，有的需要附加设备，有的利用液位测量，有的利用称重法测量，等等。但是，任何一个方法都不是尽善尽美的，也不是完全都适合

22、内燃机车上的使用。众所周知，内燃机车的振动很强烈，液位测量位置与停车位置有关，燃油管路大多是15mm的小口径输油管，燃油流量大，油耗很小，进油回油温度不同需要考虑温度补偿等等。对上述方法取长补短，可采用涡轮流量传感器的宽量程特性，应用温度传感器测温对柴油进行密度补偿，确保油耗计量装置的高精度；基于可靠性技术研究设计高可靠的流量积算仪用于对柴油的油耗计算和数据处理；设计界面友好，操作简单。这样具有高精度、高可靠、高方便使用的油耗计量装置才更适用于内燃机车上的实际应用。1.3 课题研究的主要内容及创新点本课题研究的主要内容有：1.在天津大学过程检测和控制实验室的“水流量标准实验装置02”上利用称重

23、法标定涡轮流量传感器的仪表系数，并且根据实验数据内容判断结论“选择适合实际流量工作点附近窄量程范围标定的涡轮流量传感器仪表系数更准确，涡轮的线性度和重复性更好，进而能够提高整机的精确度”的正确性。2.对流量传感器的选择和使用作了较为详细的阐述，根据内燃机车自身的特点（空打燃油泵时，进油管路燃油流量等于回油管路燃油流量）设计了仪表系数校正方案，提高油耗实时计量装置的测量精度。 3.根据国军标GJB/Z 299B-98对关键易坏元器件电阻器、电容器、光电耦合器等做了失效率分析，采取降额设计提高装置的可靠性，从基础的硬件入手构建平稳可靠运行的系统。4.对硬件和软件方面的抗干扰措施从可靠性的层面上进行

24、了阐述，对重要的数据采用了四重冗余编码纠错设计，即使数据出错，也能对重要数据备份进行自救，使得本装置在内燃机车的复杂电磁环境中也能正常工作、可靠运行。 5.设计了一键恢复的功能，即使校正后的仪表系数被破坏也能轻易修改回来，还原原始仪表系数，方便了工作人员的使用和后期维护。创新点有：1.针对马鞍山钢铁股份有限公司的内燃机车燃油流量范围，研究了油耗实时计量装置中涡轮流量传感器仪表系数的检定，适合实际流量窄量程标定的仪表系数具有更高的准确度。2.研究了内燃机车油耗实时计量装置中电阻器、电容器、光电耦合器等易坏器件的失效率分析，通过降额设计保证装置的高可靠性。3.软件系统中设计了一键恢复功能和四重冗余

25、编码纠错方案，提高了装置的方便性和可靠性。70第二章 油耗实时计量装置总体设计第二章 油耗实时计量装置总体设计考虑到使用本装置的工人状况、复杂的工作环境以及实用的精度目标，在内燃机车随车油耗实时计量装置的设计过程中主要从以下几点出发：1.了解内燃机车柴油机的构造和燃油系统的工作流程，充分降低因为柴油机“大流量小消耗”特性带来的计量误差，提高进油和回油管路燃油流量的测量精度，采取对燃油计量进行温度补偿的算法，选用高精度的涡轮流量传感器，对涡轮流量传感器的仪表系数检定进行优化，使之更能适合内燃机车窄量程流量范围的计量应用。根据内燃机车特有的操作规程，在上电后空打燃油泵的时刻对仪表系数进行校正，以减

26、小对燃油油耗的测量误差，提高整机的测量准确度，充分体现装置的高精度特点。2.内燃机车上常伴有大型电气设备的启动和停止，由此产生的浪涌电压使得电源电压极不稳定，电磁环境非常恶劣。为防止干扰噪声对信号采集和单片机系统的影响，硬件上可采用屏蔽技术、接地技术、滤波技术和信号隔离技术，搭建典型电路，选用典型器件，构建具有强抗干扰能力的硬件系统。同时在软件系统中采用滤波算法、指令冗余、软件容错技术，充分发挥软件抗干扰的灵活性。硬件设计和软件设计上采取有效的抗干扰措施，避免出现系统崩溃或者测量误差偏大的情况，充分体现装置的高可靠性。3.考虑到工人对新事物不易接受，出现故障不易维修的情况，制定的功能目标要明确

27、，不追求繁多复杂，重在简单实用。整机要求构造简单、原理易懂，使用方便、容易操作，界面友好、安装调试简单，充分体现装置的高方便性。 本章及以后各章节均是针对供马鞍山钢铁股份有限公司使用的内燃机车油耗实时计量装置论述的。该公司内燃机车车型主要是DF7C（12缸240）、GK（12缸190）和GK（6缸240），本文主要针对配备济南柴油机厂生产的12缸190型柴油机的GK0072号内燃机车进行讨论。2.1 柴油机、柴油、柴油机燃油系统简介为了使内燃机车油耗实时计量装置的设计更合理，更能适用于复杂的工作环境，需要对被测流体介质柴油加以了解。同时，也需要对承载、消耗柴油的设备柴油机做一个简要介绍。2.1

28、.1柴油机简介柴油机是一种以柴油为燃料，并在发动机内部燃烧的活塞式热力发动机。柴油机具有体积小、重量轻、机动性能好、功率和转速范围广，配套方便、造价较低廉、使用经济性好以及使用维修方便等优点，在动力机械中占有极为重要的地位 。内燃机车的燃油消耗情况是用油耗率来表示的，油耗率等于燃油消耗量与输出功之比，其单位为g/kWh。内燃机车运用中的利用效果最重要的指标是内燃机车柴油机的燃油运用消耗量和可靠性。而有效燃油消耗率是柴油机的主要性能指标的一种。柴油机每发出1kW（也有用1马力计算的）有效功率，在1h内所消耗的燃油量（g）称为有效燃油消耗率（简称比油耗）。比油耗可按下式计算： (2-1)式中：为柴

29、油机每小时的燃油消耗量，单位为，可由柴油机台架试验中测得。2.1.2 柴油简介柴油机以柴油为燃料。柴油的化学成分为碳87%，氢12.5%12.6%，氧0.4%0.5%，是一种碳氢化合物，其分子量在180280之间，柴油的沸点约为250360。机车柴油机采用轻柴油，柴油的物理性能和化学性能对柴油机的起动运转性能以及燃烧供给系统的工作和寿命都有影响。2.1.3 柴油机燃油系统马鞍山钢铁股份有限公司的GK0072号机车配备的是济南柴油机厂生产的Z12V190B系列柴油机。图2-1为Z12V190B系列柴油机燃油供给系统图1213。190系列柴油机燃油供给系统主要由输油泵3、燃油滤清器1、喷油泵5、喷

30、油器8、调速器6、喷油泵传动装置4和燃油管系等组成。燃油自燃油箱经油管与软管接头2相连进入系统，由输油泵压送到燃油滤清器，滤清后进入喷油泵。经喷油泵提高其压力，按不同工况所需的供油量和一定的供油顺序，依次定时的将燃油送入各缸喷油器，经喷油器喷入燃烧室。燃油供给过程中，喷油泵和燃油滤清器内多余的燃油，经回油管又重新回到输油泵进油管。而各缸喷油器内多余的燃油，则由喷油器回油管收集起来，但不再回到系统中去，由软管引出自行收集。此部分燃油也应算作总损耗的一部分，不能再正常使用。图2-1 Z12V190B系列柴油机燃油供给系统图图2-2 内燃机车燃油系统示意图与其他单管路液体流量测量场合不同的是，内燃机

31、车的油耗需要对进油和回油两个管路的燃油流量进行测量，通过安装在两管路上的流量传感器得到进油和回油管路燃油的流量，取两者之差，即为油耗。流量传感器安装的位置见图2-2内燃机车燃油系统示意图。2.2油耗实时计量装置总体设计通过内燃机车柴油机燃油系统的介绍可知，精确测量油耗的根本是把进油和回油管路的燃油流量进行高精度测量，然后利用流量差法得到瞬时油耗14。受工作状态、环境温度、行车速度等因素的影响，柴油机燃油系统进油管道里面的燃油温度和回油管道里面的燃油温度相差很多，温度的差异导致进油管道和回油管道里面的柴油密度不同，直接利用体积差来表示油耗极不准确。下面进行误差分析：根据“GB1885-83”的标

32、准体积公式可得到柴油体积换算公式15： (2-2)式中：柴油20时的体积，也称为标态体积； 柴油温度； 柴油在时的工况体积； 柴油体积温度系数。柴油密度为0.84时，设，代入公式(2-2)得： (2-3) (2-4)从公式(2-4)可见，如果不对进油和回油管道里的燃油进行温度体积补偿，则会带来2%的误差。显然这个误差太大了，不能满足装置测量高精度的要求，需要对进油、回油管道内的油温进行测量，补偿因温度变化带了的计量误差。所以除了流量传感器采集的两路流量信号以外，还需要温度传感器采集两管路燃油的温度信号，对流量进行温度补偿处理。综合上述可知，内燃机车油耗实时计量装置的总体设计应该包括以下几部分：

33、1.内嵌温度传感器的涡轮流量传感器（为何选择涡轮流量传感器见第三章）。负责进油和回油管道内燃油的流量信号和温度信号的采集。涡轮采用的是天大泰和自控仪表有限公司生产的高精度LWGY-15型涡轮流量传感器，内嵌的温度传感器是美国Dallas生产的单线数字温度传感器DS18B20161718。2.智能流量积算仪。负责对流量信号和温度信号进行运算、处理和分析，得到进油和回油瞬时流量、瞬时油耗、温度信号等，并将重要数据显示出来或者传送出去。流量计算公式为： （2-5）式中：瞬时流量(或)； 涡轮流量传感器的信号频率()； 介质密度(，取1时为质量流量；取0.85时为体积流量)； 燃油温度与标定温度间的差

34、值()； 仪表系数()； 涡轮流量传感器的温度修正系数(1/)。设为实际耗油量，为进油管道燃油流量，为回油管道燃油流量，修正后得标态下(油温为20)的体积流量分别为、，则实际耗油量： （2-6）流量积算仪采用的是天大泰和自控仪表有限公司生产的XLF-60型智能流量积算仪。3.手操器。用于置入系统的时间、涡轮流量传感器仪表系数K和温度修正系数E、燃油密度等参数以及给出仪表系数进行校正的信号、恢复仪表系数的信号等。内燃机车油耗实时计量装置构成如图2-3所示，涡轮流量传感器安装位置如图2-2所示，智能流量积算仪安装位置如图2-4所示。图2-3 油耗实时计量装置的构成 图2-4 智能流量积算仪的安装位

35、置油耗计量装置4.软件系统。软件系统主要是将接收到的流量信号和温度信号进行处理，实现人机交互、信号检测、数据传送和处理、显示、以及软件滤波抗干扰等内容。另外，还通过软件在内燃机车空打燃油泵时实现仪表系数的校正，克服因内燃机车“大流量小消耗”的特性而增大的计量误差，提高了装置的精度。2.3 硬件电路研究与设计内燃机车油耗实时计量装置在硬件设计方面遵循以下原则进行： 1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规方法，为系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件的结构。但必

36、须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间。因此选择软件方案时，应考虑此因素。 3.整个系统中相关的器件要尽可能作到性能匹配，选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗产品。4.可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、印刷电路板布线、信号通道隔离、硬件电路设计等。5.选用符合国家标准和部颁标准的元器件，以保证可替换性。在保证可靠性的前提下，尽量选用质优价廉的元器件，以降低成本，提高性价比。同时，也要尽量减少元器件品种、型号，以保证制造安装和维修的方便。图2-5 检测装置硬件原理框图在这些思

37、想的指导下，硬件设计在显示功能模块中都采用了串行元件，节省了单片机硬件资源，简化了印刷电路板的布线，提高了系统硬件的集成度和可靠性；应用了看门狗监控电路，从硬件上保证了系统的可靠运行；并在电源设计上考虑双电源供电，使得系统工作可靠，避免了电源造成的干扰。从故障来看，内燃机车油耗实时计量装置整体也可以看成串联系统，由积算仪、传感器、手操器等几部分组成。其中的任何一部分都不能出现故障，否则整个系统将出现问题无法正常工作，严重时甚至瘫痪。因此，硬件电路的设计必须采取有效的抗干扰措施。内燃机车油耗实时计量装置的硬件原理框图如图2-5所示，电路原理图如图2-6所示，下面对各主要电路模块进行说明。流量、温

38、度信号输入部分流量传感器送入与流量成比例的频率信号，经运放LM358构成的电压跟随器输入。为了避免干扰信号也随之进入，利用光耦4N25进行光电隔离，再送入单片机的T0、T1口。T0、T1口采用计数工作方式，DS12887每500毫秒中断一次，第二次中断记录每一秒钟进油和回油流量对应的频率数。温度传感器DS18B20采用的是单总线技术，把温度信号通过P1.2输入到单片机。软件程序根据采集的流量频率信号和温度信号进行运算就可以得到燃油的体积流量或质量流量。外接数据存储器掉电后数据保护是仪表可靠性的一项重要指标。仪表在各种恶劣环境下运行，掉电后必须可靠的保持设定参数及累积总量不变，如仪表系数、温补系

39、数、班累及总累数据等。键盘部分分为面板上按键及手操器按键两部分。面板上按键通过分别判断P1.3、P1.4、P1.5端是否为低电平来识别。手操器按键的识别通过P1.7端是否为低电平而进入键盘扫描子程序。当有键按下时申请中断，并通过由P0.7、P0.6、P0.5和P1.0、P1.1输入端口查询是哪个键按下，最后转入处理程序。显示部分本仪表通过MAX7219 以串行工作方式驱动LED八位数码显示管，与单片机之间连接了3根口线。分别为MAX7219的DIN（1脚）、LOAD（12脚）、DOUT（13脚）口，在软件中通过串行输出依次对以上各管脚置位而达到传送数据的目的。看门狗电路由于单片机有可能受到外界

40、的干扰而出现程序“跑飞“现象，在程序的执行过程中由MAX1232进行监控，如果在1200毫秒内没有及时“喂狗”，则程序有可能执行错误，于是MAX1232将对单片机和DS12887进行复位操作使程序重新开始运行。图2-6 内燃机车油耗实时计量装置电路原理图2.4 软件程序设计与研究内燃机车油耗实时计量装置中的单片机软件程序应遵循下列原则进行设计：1.选择流行的编程语言，要求调试方便，移植性好。2.软件采用原型法开发模式，可以根据功能、精度、外观、操作、响应时间等客户的要求不断补充和完善原型。3.采用结构化设计。先考虑总体目标，然后把任务分解成不同的子程序模块。子任务再分解，这样逐层细分，同时分析

41、层次间的关系与同一层次各任务间的关系，最后拟定出各任务的细节。4.采用模块化编程。为了使程序易于编码、调试和排除错误，也为了便于检验和维护，设法把程序编写成结构完整、相对独立的程序段。5.程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约内存容量，又使操作方便。6.实现软件的全面抗干扰措施。图2-7 软件总体结构遵循以上原则，根据系统的功能要求，设计了软件的整体思想。软件采用高级语言C语言编程1920，即当下流行的C51编程，大大提高了效率，并减少软件设计中的错误，缩短了开发时间。选用了LARGE编译模式，在硬件设计上扩充了一片RAM1215，这样在实际编程过程中，可以减少变量空间不够的约束。但XDAT

42、A的变量越多，程序量相对越大，运行时间越长。所以使用变量的一个原则是：合理使用内存和外存，频繁使用的变量尽量放在内部RAM区中21。内燃机车实时计量装置软件系统的总体结构如图2-7所示。主要包括四大功能模块：时间显示模块通过DS12887实时时钟芯片实现日历年、月、日、时、分的功能；同时该芯片也为软件程序提供周期中断。数据计算模块根据传感器数据（流量信号和温度信号）进行分析处理，考虑温度补偿，计算出进油和回油流量、油耗；将各班组累计油耗和总累计油耗存入相应地址。键盘操作模块实现上翻查询和下翻查询，查询一个月最多共计99个班组的油耗及交接班时间情况。同时，通过按钮的复用实现交接班操作。手操器模块

43、判断按键，置入时间、仪表系数、温度补偿系数、燃油密度等参量；对各班组油耗和总油耗实现清零操作；同时也决定校正的状态以及一键恢复仪表系数的操作。内燃机车油耗实时计量装置的软件系统主程序流程图如图2-8所示，相关说明附于标注框中。初始化各芯片等手操器置入时间、表系数、温度补偿系数、燃油密度等，清零操作，校正状态及一键恢复仪表系数操作。两个按键同时按下进行交接班操作记录当前时间F按键功能显示：瞬时流量、当班油耗、温度、当前时间初始化的标志位，如上电标志等上电第一秒无信号调用备份仪表系数瞬时流量、油耗的计算，K的校正等上翻按键、下翻按键查询各次班累图2-8 单片机主程序流程图第三章 基于涡轮流量传感器流量系统的研究第三章 基于涡轮流量传感器流量系统的研究流量传感器作为构成内燃机车油耗实时计量装置硬件系统的主要组成部分，对装置的可靠性起着举足轻重的作用。流量传感器把采集来的流量信号转换成便于处理和传输的电信号，传送到智能流量积算仪进行运算处理。如果流量传感器选用不当，将直接影响到整个装置的性能与可靠性水平，也关系到整机的经济成本和日后的维护与正常使用。本章主要讨论内燃机车油耗实时计量装置