基于单片机的电容传感器测量油箱油量方法的研究

作者：不正经 | 2024-06-01 18:01:27

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摘要 : 介绍了一种基于单片机的电容传感器测量飞机油箱内油量的方法，利用电容式传感器的电容随油面高度的变化，构建了以单片机为核心的油量自动测试系统，给出了该油量测试系统的测量原理、硬件设计和软件设计。实际应用表明，该油量测量系统具有结构简单、测试精度高、可靠性好等优点。

关键词 : 单片机; 电容传感器; 自动测试系统

0 引言

目前飞机油箱油量测量时利用电容式传感器构成的模拟电路来测量油箱内燃油体积，其测量原理框图如图 1 所示，它是利用圆筒形电容传感器把油面高度的变化转换为电容的变化，再经自平衡电桥

将电容的变化转换为相应的电压输出，此电压经放大器放大后通过随动系统使指示器指示出油箱的剩余油量。这种测量方法存在的主要问题是精度高，响应速度慢等。

该文提出了基于单片机的电容传感器测量油箱油量的一种方法，利用单片机对测量的油量误差进行补偿，提高其测量精度，又克服了随动系统响应速度慢的特点。

1 电容式传感器工作原理

电容式传感器的示意图如图 2 所示，采用同心圆筒形极板组成的圆柱形电容器。

对于横截面积一定的油箱来说，电容传感器电容的变化反映了油箱中油面高度的变化，这样就把对油面高度的测量转换成对传感器电容的测量。

2 硬件设计

目前飞机上油量的显示有两种方式，一种是利用飞机上的平显系统和下显系统进行显示，另一种是采用指针表头联合指示的方式，该文设计两种显示方式就考虑在内。

基于单片机的电容式油量测量系统的原理方框图如图 3 所示，该测量系统主要由运算放大器式电

路、滤波器、8098 单片机、程序存储器、数据存储器、执行机构等组成。

2． 1 运算放大器式电路

2． 2 8098 单片机

8098 单片机具有高速的数据处理和频繁的输入输出能力，当晶振为 12 MHz 时，其测量或产生的脉冲分辨率为 2 μ s ，因此它具有响应速度快的特点。 8098 单片机数据总线结构为内 16 位 / 外 8

位，64KB 可寻址空间，232 字节的内部ＲAM ，全双工串行口，8级可屏蔽中断口，带有内部采样 / 保持的 4 通道 10 位 A/D 转换器，内部有 WATCH －DOG 电路，需外扩一片程序存储器和一片数据存储器。

8098 单片机完成输入量 U 的采集、滤波、误差修正，解算出油箱内的真实油量，并完成油量的传输和指示器的控制，同时对各部件和输入量超限进行检查，如有故障则进行告警。

采用平显系统和下显系统显示油量时，8098 单片机将油量值直接输出给平显系统和下显系统进行显示; 当采用指针表头显示时，8098 单片机输出的油量值通过控制执行机构来实现。

2． 3 执行机构

执行机构结构框图如图 4 所示，由反馈电位计、直流差分放大器、乘法器、移相放大器、功率放大器、伺服电机、减速器等组成。

来自 8098 单片机解算出的油箱油量的信号与反馈电位计的反馈信号进行差分，经差分放大器输出与差分信号成比例的电压信号 Δ U ，差分信号的正负决定了 Δ U 的符号 ( 输入信号大于反馈信号时ΔU 为正 ) 。该信号经由乘法器调制后变成交流信号 U 0 = Δ U × U y ， U 0 经移相放大电路进行相位调整，使其输出电压的相位与电机的激磁电压相位差为90° ± 20°，再经功率放大后控制伺服电机转动，伺服电机一方面带动指针转动，另一方面经减速后带动电位计跟随油量表的输出，直到差分放大器的输入失调信号为零，伺服电机停止转动。

3 软件设计

该油量测量系统软件采用 8098 微处理器的宏汇编语言编写，它由主控程序、计算程序和自检程序三部分组成。

3． 1 主控程序

主控程序是油量测量系统程序的主体，它将各程序模块有机地联系起来，包括初始化程序和主程序。初始化程序包括对软、硬件进行初始化，其中包括 CPU 初始化和 8155 接口初始化。主程序采用查询方式，完成数据的采样和滤波，调用计算子程序计算出油量，驱动执行机构进行油量模拟指示或送到平显系统、下显系统进行油量的数字显示，并将有关计算结果保存，通过串行接口将计算结果送给其他设备，完成空中自检并进行故障综合等。

3． 2 计算程序

计算程序主要完成数据采样到油量的转换，从而推算出油量，并进行相应的误差修正。电容式油量测量系统的误差主要有温度误差、换油误差和姿态误差 3 种，温度误差和换油误差是指当温度变化或更换燃油时，燃油的密度和介电常数要发生变化，油量表的指示会出现测量误差，前者称为温度误差，而后者称为换油误差。姿态误差是指飞机在飞行过程中，姿态的改变使油面的高度与燃油体积的关系与设计飞行姿态下油面高度与燃油体积的关系不同，这种误差称为姿态误差。

3． 3 自检程序

自检程序是提高油量测量系统的可靠性和可维护性的手段之一，它主要是针对系统的软硬件进行测试，及时发现故障并发出告警信号。它具有对偶然故障进行过滤的功能，当故障清除后，系统可自动恢复。主要包括 CPU 检查、片内ＲAM 检查、片外ＲAM 检查、 EPＲOM 检查和油量超限检查。

CPU 检查主要是对程序中常用的指令，如算术运算指令、逻辑运算指令、跳转指令等进行检查，运算结果与预定值相等表示 CPU 正常，否则置故障位 D 4 。片内ＲAM 检查主要是对所有片内ＲAM 单元写 “ 00H ” 和 “ FFH ” ，然后读出，把读出结果和写入值进行比较，全部检查完后，若有 2 次写入值与读出结果不一致，则认为ＲAM 区有故障，置故障位 D 3 。片外ＲAM 区检查方法同片内ＲAM区检查，如有故障置故障位 D 2 。 EPＲOM 检查是逐一对 EPＲOM 单元内容相异或，总和与总和结果单元内容比较不相等，置故障位 D 1 。油量超限检查将电容传感器输出的电压信号与传感器相应测量范围的极限值进行比较，如在范围之内，则这次的电压值可以用于计算，否则置故障位 D 0 。最后进行故障字综合，将所有的故障字进行综合，当 6 次有故障时进行故障告警，故障字定义如下 ( “ 1 ” 为有故障)

4 结论

该文在对电容式传感器测量油箱油量的工作原理的分析基础上，采用擅长于高速控制功能的 8098 单片机和集成的运算放大电路设计了一种电容式传感器油量测量系统，该系统不仅可提高飞机油箱内油量的测量精度，同时具有结构简单、使用方便、便于实现，具有一定的经济效益，为以后的工程实现提供了理论依据。

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