飞机燃油油量测量系统的设计

第1章 前言

1.1 飞机燃油油量测量技术概述

飞机在空中飞行时，飞机油箱中的剩余油量的多少将直接影响飞机的飞行安全。本题目要求设计一种飞机燃油测量系统，能够准确的测量并显示飞机油箱中所剩余的油量，作为飞行的重要参数。

现阶段飞机上所运用的燃油测量系统就显示而言分为模拟式和数字式，但就对油量的测量方法都采用传感电容容值与油量液面高度的正比关系，再结合一定的模拟运算电路，通过单一的抗干扰传输线由油箱向数据处理、显示电路传送单模交流电压信号，再由后者最终显示实时的油量。

飞机在飞行过程中机体内部的电磁干扰是一个十分严重的、不可忽视的影响各系统正常工作的因素，因此在电路设计中除了抗干扰的屏蔽手段之外，在传输线上传输抗干扰能力强的信号是一个很必要的手段。现役的测量系统由于以模拟电压信号作为传输信号，因此极易受到各种干扰。虽然对传输电缆做了一定的屏蔽措施，但在飞机的飞行过程中，系统始终未能很好地抵抗干扰，造成系统测量的可靠性不高，工作不稳定等情况。

在飞行过程中，及时了解飞机的油量，对于完成飞行任务和保障飞行安全，有着重要意义。而飞机上的油箱其形状都是不规则的，这样就给油量的测量带来了许多问题。飞机燃油系统包括油箱、供油和卸路、油量测量器件等部分组成。

飞机燃油系统主要用于存储、输送飞机飞行所需要的燃油。飞机燃油量的测量及管理系统是飞机燃油系统中的一个非常重要的子系统。实时、准确地测量油箱中的剩余油量可以精确地计算飞机续航时间，保证安全飞行。同时，通过对飞机中各个油箱燃油储量的精确测量，还可以便于燃油的综合管理，调整燃油系统中各油箱的分布，实现耗油顺序的优化，确保飞机重心自动保持和调整到飞行需要的范围内，改善飞行品质。

在飞机飞行的各种条件和姿态下，需准确提供飞机剩余油量及特征油量信号指示，以便飞行员能够顺利完成飞行任务。油量一高度曲线和面心一高度曲线是设计和敷设油量传感器的依据，其精度直接影响飞机飞行任务的执行和飞行安全。因此，

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进行准确的剩余油量测量计算、进行测量误差分析与油量传感器敷设方案优化是保证飞行安全的重要环节。

目前，采用的电阻式、电容式油量表结构复杂，工作稳定性差、误差大，指示不稳定、还存在读数误差。在工作过程中，由于内部和外部条件的影响，其性能可能发生变化。为了做好油量表的维护工作，我们必须随时了解变化着的情况，这就需要对它进行检查，这种检查工作是非常烦琐和困难的。

随着科学技术的发展，特别是电子技术的发展，近些年来，出现了许许多多功能齐全、使用方便的电子元器件，一种集 CPU，RAM，ROM 和 I/O 接口于一体的单片微型计算机相继问世，而且性能价格比越来越高。由于单片机具有体积小、重量轻等特点，所以十分适合测量仪器。油量测量仪一旦采用了单片机，再加上合理的算法和软件支持，那么无论是仪器使用的方便性还是仪器测量的准确性都将大大提高。如果采用晶体管数码显示，使读数更加精确，减少了人为误差。而且外场维护和检查也非常方便，这样便为机务人员节约了大量的时间和精力。由于温度变化引起的误差在老式测量仪总的误差中占有较大的部分，而目前的产品之所以测量精度提高不上去，主要是温度补偿方法不合适，本课题准备采用一种区别于目前产品的温度补偿方法，从而使油量测量仪的精度有所提高。所以，该研制的测量仪具有测量误差小、读数精确、检测、维护、使用方便等特点。由此可见，通过本仪器的研制，不仅可以使油量的测量精度有所提高，还可以扩大测量范围和温度使用范围。因此，研制本仪器是非常有必要的。用高科技产品研制各种仪表来取代各种老式仪表是目前改装工作的主要内容。符合现代化装备的需要。

本课题针对飞机的油量测量系统，力求解决测量系统所存在的传输线上信号的干扰的问题，提高系统的可靠性。

1.2 燃油油量测量系统发展

1.2.1 系统工作概述

燃油油量测量系统的根本目标就是提供精确的燃油油量信息，而影响燃油测量精度的因素很多，主要包括传感器制造误差、油箱容差、燃油属性、燃油污染和系统安装误差等。对这些影响因素都将进行大量研究与投入。目前，这此研究主要是：

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高精度测量传感器的研制、传感器优化布局，测量误差的补偿与修正技术，油量显示的数字化技术等方面。燃油测量系统主要由油位测量传感器，燃油测量与处理任务计算机和油量显示等部分组成的。

燃油油量测量系统的基本工作过程为：首先由油量测量传感器测出油箱中的油面高度，飞行姿态和存储在内部的油箱数学模型等信息，计算出对应的燃油体积，结合燃油密度传感器所测得的燃油密度，即得油箱所载燃油的质量。燃油测量任务计算机将燃油质量通过数据总线传给座舱显示系统和飞行管理任务系统等。

1.2.2 系统数字化已成必然趋势

经过半个多世纪的发展，尽管燃油测量精度在不断的提高，系统可靠性、维护性等性能在不断改进，但燃油测量系统的基本体系结构几乎没有任何变化，都是按照其体系结构在发展，在这个发展过程中，微电子和计算机起了决定性作用这主要体现在以下几个方面。

1）随着微电子技术的发展，在系统电路设计中，传统的模拟电路正在逐渐被数字电路取代。这使系统在结构，尺寸，重量方面得以改善，并且大大提高了系统的工作效率，测量精度，可靠性和可维护性。

2）当油位测量传感器线性变化时，就标志着油量测量任务计算机已经进入特性化时代。将传感器所包含的物理特性信息储存到测量任务计算机中，由其进行数据分类，计算，插值，存储和调用等各种复杂运算，以及实现系统故障检测，油量预选与报警等功能。

3）在燃油密度测量方面，由于航空燃油时烃类产品的一种复杂混合物，其属性随产地不同而变化，而且存在着各种污染，导致燃油密度与介电常数的关系并不总是恒定的，并且系统对测量精度的要求在不断提高，故放弃了介电常数测量的间接测量密度方式，相继研制了各种直接测量的密度计，如放射性燃油密度传感器，谐振式密度传感器，已在波音767，波音777，C-130,F-22等飞机上成功运用。

4）在油位测量方面，经历了从油尺、电容式测量到超声波、放射性、光纤等各种先进的测量方式并存的时代。其中电容式油位测量传感器经历了从特性传感器到线性传感器的转变，这得益于计算机技术的发展，使实时的体积计算成为现实，放弃了用传感器的非线性电容变化来反应燃油体积变化的测量方式。

1.3 我国燃油测量技术研究现状及存在主要问题

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加装燃油时，不少都碰到过燃油短缺的现象，或少则多，甚至更多。如果在开航后才发现加油短缺，势必给公司或国家造成经济损失，甚至可能影响航行安全。近几年来，由于油价飞涨，供油船的小动作、小手段越来越多，稍不留意，就会被蒙骗，造成“短油”。因此，如何确保加油数量值得我们重视。在一些国家和地区加油特别是、新加坡、韩国等地应格外小心，认真防范、严格把关。 目前，国内飞机上普遍采用两种方法来测量飞机上的油量。一种是电阻式油量表，它利用“浮子”将油面的高低转换为电位器电阻的变化。另一种是机电式油量表，它利用电容器将油面的高低转换为电容量的大小。

我国对燃油测量技术的研究起步较晚，从上世纪70年代才开始相关技术的跟踪与研究，并且研究工作仅限于个别场所，在这之前仅限于简单的仿制与生产。真正开展燃油测量技术和数字式燃油测量系统研究是近10年之内。目前，我国燃油测量技术仍停留在电容式油量测量阶段，采用电容式油位测量传感器测量油位，采用介电常数测量的间接方式测量密度，系统的数字化程度低。只有个别机型采用了数字式燃油测量系统，但系统测量精度和可靠性还有待提高。

1.3.1 电容式油量表的原理

利用电容器的电容量随油箱液面高度变化来测量油量的仪表。由电容式传感器和伺服指示系统组成。传感器是由数个同心圆筒形极板组成的电容器，垂直地插入油箱，燃料的介电系数大于空气的介电系数，油箱内燃料高度变化时电容量也相应的变化，经伺服指示系统变换成相应的电信号，指示相应的油量值。电容式油量传感器无机械活动和电接触部件，工作可靠，测量精度较高。

电容油量表是一种机电式的仪表。它是目前普遍采用的一种仪表。传感器是由同心圆筒极板组成的圆柱形电容器。其原理是基于圆柱形电容器的电容量与油面高度具有单值的函数关系。然后由自平衡式测量电路将与油量对应的电容量转换为指针的转角。自平衡式测量电路包括阻容电桥、晶体管放大器、两相异步电动机、减速器、刻度盘和指针等部分组成。

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第2章 方案论证

2.1 飞机燃油测量系统的基本工作原理

根据本课题的任务要求，可以初步确定其基本工作原理：设计和制作一个简易的飞机燃油测量系统，利用定时器及传感器设计一个多谐振荡器，多谐振荡器的振荡频率随电容值的改变而变化，利用单片机、LED数码管及相关元器件设计一个测量、数据处理及显示电路，使得油量变化与显示成正比，最后测出燃油的油量。

2.2 设计方案

方案1 雷达液位测量系统

飞机油箱雷达液位测量系统由一片系统型MCU芯片C8051F020完成,大量压力、温度、品质、震动、姿态信号及通过连续波雷达照射获得的代表液位信息的差频液位信号分别传送给单片机,经多路开关在其内部完成放大、A /D转换、傅立叶变换等处理后,获得表征燃油质量的各项参数并发送给飞机燃理系统,从而实现对油箱液位情况的实时监测、调整。飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图如图2.1所示。

TR组件 电 源

传感器组 放大滤波 A/D转换 FFT C8051单片机 接口部分 信号处理部分 RS485接口 数字处理部分 PC机 图2.1 飞机油箱雷达液位测量系统的原理框图

方案2 浮筒式光纤液位测量系统

浮筒式光纤液位测量系统的实物图如图2.2所示，原理如图2.3 所示, 光源4 发

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出的光经导光光纤5 传光后照在弹簧2 上,弹簧表面贴有线状反射面(晒纸) , 反射面形成一个个亮条纹, 通过透镜将条纹投射到光纤传像束的端面, 由传像光纤将条纹图像传到光纤另一端, 再经过透镜将条纹投射到CCD 光敏面上, 由CCD 进行数据采集, 测出条纹间距。当液位为零时, 弹簧伸长量最大, 由CCD 测出的条纹间距也最大。当液位升高时, 浮筒的一部分被液体浸没, 由于受到浮力的作用而使浮筒向上移动, 弹簧缩短, 弹簧节距变小, CCD测得的光强峰值间距随之变小, 将CCD 与计算机连接, 可直接显示出液位变化, 实现贮罐液位的在线检测。

图2.2 浮筒式光纤液位测量系统

1-浮筒 2-弹簧 3-导杆 4-光源 5-传光光纤 6-传像光纤 7-CCD光电检测系统

图2.3浮筒式光纤液位测量系统原理框图

方案3 同心电容式液位测量系统

目前国内多采用同心电容式油量测量系统，通过电容值的变化感知油面的高度来测量油量。电容式液位测量，液体作为一种介质或导电体，是电容器的一个组成部分，其液面的高低，总是直接影响电容器的容量，即电容器的电容量是液位高度的单调函数。原理框图如图2.5所示，被测液面变化导致被测电容的变化，从而引起

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振荡器频率（或周期）发生变化。由于其变化率对于单片机而言太快，因此，首先对振荡信号进行分频处理，对应于电容的振荡频率被分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机中，最后进行显示。

其中： h--电容器总高度； x--电容器浸入液体的深度； R--同心圆电极的外半径； r--同心圆电极的内半径； ε1--被测液体的介电常数； ε2--空气的介电常数 图2.4电容式油量测量系统

LED显示 图2.5 电容式液位测量系统原理框图

数码显示 单片机 报警 分频器 电容（液位） 振荡器 电源 2.3 方案比较

数字式燃油综合管理和控制系统是当前和未来飞机控制系统的重要组成部分,燃油系统数字化是先进飞机控制技术的发展趋势。燃油测量是飞机燃油系统的主要任务之一。由于油箱内燃油温度、品质以及飞机飞行姿态的改变,总是给飞机燃油测量带来较大的误差,雷达液位测量系统具有精度高、适用性强和免维护的特点,在飞机油箱液位测量中具有很好的应用性，但其结构复杂成本较高所以很难普遍推广。

浮筒式光纤系统通过光纤及CCD 光电检测系统测出弹簧节距变化实现油量液位的测量，由于光源及测量系统都远离现场, 实现了现场无电在线检测, 从根本上解决了防爆问题。制作工艺繁琐制作费用昂贵，在飞机领域中很难广泛使用。

针对飞机油箱外形复杂的特点，本文系统地研究了运用同心电容式传感器对油

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箱内剩余油量进行测量，电容式传感器因为结构简单、不需传动机构、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、使用维护方便、能在恶劣的环境下工作等特点,被广泛用于各种测量场合。差动结构的电容式传感器可以大大降低其非线性,提高其灵敏度。同时,还能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差,加上其良好的稳定性和极好的抗过载性等特点,得到了极为广泛的应用。

小结：

根据现实飞机原理需要及其实际要求，且该电路运用的器件较现役系统有所减少，具有可行性和稳定性，而且可靠性也较高。在长时间的测量中能够表现出较稳定的效果而且精度较高，综合考虑后，设计者决定选择方案3作为本课题的最终方案。据此，课题将以方案3详细展开。

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第3章 系统设计

3.1 电容式传感器测量油量系统的硬件设计思想

电容式传感器是利用电容器原理,将非电量转化为电容量,进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比,具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点,在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用,是一种具有良好发展前景的传感器

本设计所采用的电容式传感器的测量原理就是以所测油箱的燃油作为电容的电介质，根据油量不同，所呈现的电容值不同来测量油箱的油量的。不同的油量之所以能够改变电容器的电容，根本原因是由于电介质的极化所造成的。

由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=εS/d。可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型：.变间距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。

飞机盛装油量的容器种类很多，构成的电容器种类也差别很大，一般圆柱行容器可使用同轴型或弧极板型电容模式；方形则可用平面极板性电容模式。不管那种类型模式，液体作为一种介质或导电体，是电容器的一个组成部分，其液面的高低，总是直接影响电容器的容量，即电容器的电容量是液位高度的单调函数。要推算出电容器的解析公式往往不易，即使得到该公式，要想在单片机级水平的仪器上也难进行编程且运算起来也难实施。在实际应用中，除非是平板型电容等简单的情况，否则一般可按实测值拟合一条最逼近的曲线作为测量曲线。液面测量装置用于圆玻璃瓶内溶液高度的无人监测，首先紧贴玻璃瓶放置两块圆金属薄片作为电容电极，薄片高度与玻璃瓶有效高度一致，薄片之间两边间隔同长，构成一个带狭缝的长直圆柱面电容器，截面如图3.1所示。

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图3.1带逢长直圆柱电容器截面图

设油箱高度为L，外径为a，内径为b，为各向同性均匀介质，介电常数为e1，满足条件L≧a，内部盛满的液体也是各向同性均匀介质，介电常数为e2，两块圆金属片两边与轴心间夹角为2δ，则这个带缝的长直圆柱面电容器的电容量表示公式3.1为：

式3.1

飞机的飞行环境十分复杂，其中电磁干扰往往十分严重。干扰往往会对传输线上的传输信号造成很大的影响。因此该系统应当是具有一定的抗干扰能力，以提高系统工作时的可靠性。

测量系统也应该具有一定的报警功能，在飞机燃油不足的情况下提醒飞行员当前的燃油短缺情况。由于系统基于单片机，整个测量处理过程中都是以数字形式完成，因此在基本测量功能完成的情况下，可以对系统增加一些额外的功能，比如加油可控，温度测量加以修正。

综合上述思想，硬件电路将以上述基本情况进行展开、设计。

3.2 电容式传感器油量测量系统硬件电路整体设计

由前文可知电容与液面高度的关系，大多情况下C和h成线性关系，但是，高液位及低液位的情况下无法得到准确的解析公式。基于这一现状，在实施中采用以理式为准则，以实测数据为依据建立拟合测量曲线的方法。对于液面高度变化不是太特别快的动态也面测量，使用一个简单的多谐振荡器就行了。测量震荡器的周期TXOSC，可反演出决定振荡器周期的电容C（因电容C决定振荡器的充放电时间），而根据电容C则可反演出液面高度h（C是h的单调函数，h也是C的单调函

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数）。RC振荡器是利用CMOS反相门电路构成，如图3.2所示，右边反相门通过R1和C实现持续充放电过程；左边反相门通过R2使振荡器加强，并具有增加频率稳定性的作用。该电路振荡频率为：

式3.2

若R2》R1（如R2=10R1），则上式可简化为：

式3.3

图3.2 RC振荡器原理

这种电路振荡频率可高达数兆赫兹，要直接测出其频率或周期并不容易，为此，有必要构造一个间接方式的廉价测量电路。图3.3是基本的原理框图。被测液面变化导致被测电容的变化，从而引起振荡器频率（或周期）发生变化。由于其变化率对于单片机而言太快，因此，首先对振荡信号进行分频处理，对应于电容C的振荡频率进行分频，分频后的方波信号（周期为T）送进单片机的中断口INTO，作外部中断源。

电容传感器（液位）

分频器

报警

LED显示

图3.3单片机电容油量测量仪

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振荡器 单片机ATC51 串行接口 数码显示 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）

当方波下降沿到来时，单片机启动定时器开始记数，下一个下降沿到来时（分频后的一个周期），单片机将记数值送交计算处理程序去计算出液面高度h值，然后将相应的数据串行输出到相应控制数码管的电路用以显示。LED显示以及声音报警。在单片机将记数值读出的同时，单片机对计数器清零并重新启动定时器开始下一轮处理。这时，可导出在线性段的h与分频后的方波周期为T的关系。振荡器的电容C实际上是测电容与C0的并联，C0为杂散电容与芯片输入电容之和。由(3)、(5)和214(16384)分频关系得：

因此

式3.4

式3.5

可见，被测液面高度h与方波周期T为线性关系，使用一个具有振荡和14级分频功能的芯片CD4060，可使电路简化。使用ATC51单片机既廉价又方便修改程序（它的程序ROM为flash）；单片机的I/O管脚可直接驱动数码管和LED显示。当要显示多位数码时，可采用动态扫描显示技术。声音报警可采用廉价的门铃IC，而串行接口则可用AD公司的ADM101E，它具有电压反转功能，无需外加负压即可将TTL电平的串行信号转成RS-232标准信号以方便和微机通讯。由于其功耗极小，电源采用一个小型的AC-DC就足够了，这样整套装置的重量和体积可以做得很小。

3.2.1电容信号提取与转换电路的设计

本部分介绍电容信号的提取与转换电路组成、工作原理以及转换电路所输出的矩形波宽度与所转换电容之间的关系。

电容信号转换电路的工作原理：

由于电压控制端5悬空，比较器C1高电平触发端6的触发电压为2Ec/3，比较器C2低电平触发端2的触发电压为Ec/3。2 端为单稳触发器的触发端，与触发信号Vi相连。电源接通后，Ec通过电阻R 向电容器C充电，当Vc上升到高电平触发电压2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0为低电平，同时电容器C通过三极管T1迅速放电。但是，由于比较器C2的低电平触发端2未接在电容器C上，因此电容器C放电不影响触发器的状态。当2端外加触发脉冲Vi，并且它的值小于Ec/3时，S为低电平，使触发器翻转，V0变为高电平，同时使三极管T1截止。电

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源Ec通过R再次向电容器C充电，直到Vc上升到2Ec/3时，R为低电平，使触发器复位，V0变为低电平。由此可见，对于该单稳触发器，只要在其触发端施加一个触发信号，它便会输出一高电平信号，该高电平持续的时间为电容C上的电压由零上升到2Ec/3所需的时间。由于电阻R为固定值，因此电容器C充电的时间只由电容C决定。所以根据单稳触发器所产生的高电平的持续时间，便可知道电容C的大小。这就是电容转换电路的工作原理。

电容信号转换电路的组成：

该电路的核心部件为一个 555 集成块如图3.4所示

图3.4 555集成块原理图

图中虚线框内为555的原理电路，555电路包括一个三极管开关T1，两个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器，以及由三个阻值为5K的电阻组成的分压器。555各引脚名称如下所示。

555电路引脚功能： 1、电源地端 2、低触发端 3、输出端 4、复位 5、电压控制 6、高触发端 7、放电端

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8、电源

电阻R为高精密的固定电阻，该电阻的电阻温度系数极低，因此可以认为该电阻的阻值不随温度变化。电容C为传感器的电容。传感器电容C、高精密电阻R以及555集成块构成的电路实际上就是一个单稳态触发器。

信号提取电路由传感电容、电阻、555多谐振荡芯片，输出缓冲组成，其结构如图3. 6所示。该电路的输出数字脉冲的频率与传感电容满足式 其中

式 3.6

该电路输出脉冲波形占空比始终大于50%，其占空比q满足

式 3.7

合理选择R1与R2对输出脉冲波形占空比接近50%，但考虑到所选计数芯片CD4040是以该脉冲信号的下降沿作为计数触发的性质，且传输线上的干扰是随机的，因此在理论上可以忽略波形占空比，但实际设计中将占空比调节到60%左右，经过一反相器后使得信号在观察上显得很直观。

图3.5 信号提取电路原理图

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现役油量测量系统的传感电容容值变化范围受到飞机油箱的深度影响，其主要有10nF-100nF、1000-2000pF两种。由于飞机发电机输出电压频率为400Hz，测量系统传输电缆主要受此频率的电磁波及其高次谐波干扰，因此传输线上的频率应该远高于400Hz。数字脉冲串频率大小会影响电路所需要计数时间的长短，过长则影响程序运算周期，过短则影响数据精度。这里电路最高振荡频率需要根据计数电路的实际情况再作定夺，因此不在此详细分析。

这里以传感电容容值范围为10-100 nF的传感电容做了一次简单的测试，该电路输出脉冲频率与传感电容参数变化的关系如图3.7所示。

表3.1 电路参数表

Cw 10 nF 20 nF 30 nF 40 nF 50 nF 60 nF 70 nF 80 nF 90 nF 100 nF

f R1、R2 R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ R1=30kΩ，R2=20kΩ 脉冲频率f 412 kHz 375 kHz 343 kHz 317 kHz 294 kHz 275 kHz 258 kHz 229 kHz 206 kHz 188 kHz 412KHz 188KHz 10 nF 100 nF Cw

图3.6 传感电容—频率关系

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本仪器信号转换电路的特点：

1）解决了现有的一些仪器油量测量范围较窄这一问题。

为了解决信号干扰问题，在测量燃油油量时，一般都对燃油进行几至十几次的连续采样。目前利用电容式传感器进行油量测量的仪器，一般使用的都是和本仪器相类似的转换电路。对于这样的转换电路，每次采样都需要发出一触发脉冲。所以完成一次完整的测量，需要间断地发出几个至十几个触发脉冲。一般这些触发脉冲都是等间隔的。而且对于不少仪器,这些脉冲都是由硬件电路完成的。由硬件电路产生触发脉冲的最大优点是不占用CPU时间，缺点是产生的脉冲间隔不能根据需要而方便地进行调整。这样，当燃油的油量较大时，传感器电容将较大，电容转换电路输出的矩形波将很宽，以至于下一个触发脉冲到来之前还没有结束，这样就进行不了第二次采样，仪器不能正常工作。从而了仪器测量范围。而本仪器的触发脉冲由软件来产生，这样便可根据需要进行灵活的调整。

2）解决了现有的绝大部分仪器使用温度较窄的问题目前绝大多数仪器都采用了热敏电阻测量燃油温度，但转换电路采用的都是A/D转换器。由于A/D转换器的正常工作温度范围为 0°C～70°C，所以这些仪器一般都不适合寒冷地区使用。而本仪器的电阻转换电路为一块555集成块构成的单稳态触发器，555集成块的温度范围很宽，这不但降低了成本和功耗，而且还加宽了仪器的使用温度范围。555振荡电路输出的脉冲信号经过一级7414芯片的反相后输出，7414（施密特触发）芯片能够很好的对振荡电路给出的脉冲沿进行整形，使脉冲信号变得十分规整。如果需要功率较大的输出信号,这里可以将7414输出信号再过一级功率电路，使得其输出电流加强，降低系统对传输线阻抗匹配的要求。

3.2.2 计数电路的设计

由于飞机油箱的结构、所处位置都不同的原因，系统的设计需要对各个油箱的具体情况加以分析。油箱较大的，其传感电容也大，油箱较小的，传感电容也就教小，这样就造成了各个油箱内的信号提取电路所给出的脉冲会存在频率上的差异。

单片机内部包含两个计数电路，可以对外部脉冲信号进行计数，由于硬件自身的，外部脉冲的最高频率会受到。这种情况下，单片机自带的计数电路就不太适合频率差异较大的多脉冲的计数；另外，由于调用该功能需要占用一个中断

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源，而单片机的中断源与中断嵌套深度十分有限，中断源的占用将大大降低系统的扩展性。因此这里需要设计一个测量频率广、计数位数较大、通用性较强的多路脉冲计数电路，以此来取代单片机的计数功能，使系统更好地工作。

计数电路主要由一片12位计数芯片CD4040、一片8选一的数控开关CD4051、一片四总线缓冲器74LS125和一片八双向总线收发芯片74LS245组成。电路基本原理如图3.8所示。下面首先详细说明脉冲频率与闸门时间的关系，随后说明电路工作原理及接口作用，最后简要介绍一下电路中所运用到的芯片的基本情况。

图3.7 计数电路原理图

在前面的分析中已提到，由于飞机油箱的不同，往往装于内部的传感电容大小不同，这就使得传感电容的容值的变化范围发生改变。对于一个555振荡电路而言，可以通过改变电路中电阻参数来使得不同的两个振荡电路具有相同的振荡频率。

上一节中给出了两个主要传感电容的容值变化范围，现将上述对10-100nF传感电容的测试数据为例说明计数闸门时间与频率之间的关系。

该计数电路是12位二进制计数器，其计数范围为0—4095。由于传感信号的频率f范围被设定于420-188KHz之间，因此这里选用10ms作为闸门时间T。若在一次计数过程中，将计数器记录的数据用D表示，则

式 3.8

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这里我们对微调电阻作一定的调节，使得振荡电路输出最高频率为409KHz，则计数电路在输入最高频时便是满量程计数；当传感电容容值下降时，振荡电路的输出频率也随之降低，此时以同样的闸门时间对脉冲计数，就会得到一个数值较小的计数。以此方法就可以得到一个数值随传感电容容值下降而上升的计数数值。另外，从式3.8中我们还可以看出，闸门时间的选定对计数的精度与范围有直接影响：对于同一个信号而言，闸门时间太长，会导致计数器的超量程；闸门时间太短，则未能使计数器满量程工作，使得计数数值较小，影响计数精度。

计数电路基本工作原理级各接口作用：

该电路是一个八路12位二进制计数电路。电路左端端口均为输入，右端则均为输出，如图3.8所示。电路数据输出端口具有高阻态，其中数据输出D0-D3与D8-D11以时分复用的方式由输出端口低四位输出。图3.8中的H-En与L-En控制数据输出低八位与高四位。当L-En与H-En输入同时为高电平时，两片三态缓冲芯片输出口均为高阻态，此时电路输出不占用数据总线；当L-En输入信号为低电平而H-En输入为高电平时，三态缓冲芯片74LS245被选中，而74LS125仍然维持高阻态，此时计数器低八位数据从八位输出端口输出；当L-En输入为高电平而H-En输入为低电平时，三态缓冲器将计数芯片高四位数据送往数据总线低四位，而74LS245维持高阻态。需要注意的是，这里L-En与H-En输入信号绝对不可以同时为低电平，因为在这种情况下数据总线低四位会出现冲突。在不调用计数电路的情况下，L-En与H-En输入信号也都应当为高电平，以免和其他外部电数据端口发生冲突。L-En与H-En信号相当于计数电路的片选信号。Rst输入端为芯片CD4040的计数清零输入端，该输入端为高电平时，CD4040全部输出管脚都被置为低电平，计数器被清零。C-En输入端为芯片CD4051的输出允许信号，该输入端接入低电平时，芯片被允许输出，其输出为二进制地址输入端口A，B，C所选中的8路输入信号的某一路，当该信号为高电平时，芯片禁止输出，输出端维持低电平状态。该输入端在运用中接时钟闸门信号。

本计数电路对第三路脉冲进行一次计数，流程如表3.2所示：

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表3.2 单路计数工作流程

时序 1 2 3 4 5 6 C-EN H H L H H H Rst H H L L L H ABC XXX 010 010 010 010 XXX H-EN H H H H L H L-EN H H H L H H D7-D0 高阻态 高阻态 高阻态 计数数据低8位 计数数据高4位 高阻态 最后简要介绍一下该电路涉及的芯片： 1．CD4040

该计数电路核心为芯片CD4040，该芯片是12位二进制串行计数芯片，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数，Rst端为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用了施密特触发器，因此对脉冲上升和下降沿时间没有，所有输入和输出均经过缓冲。该芯片在5V工作电压时，其对外部脉冲计数频率最高为3.5MHz。该芯片军用类工作温度范围为-55℃—125℃。 2．CD4051

芯片CD4051是8选一的数控模拟开关，由三个二进制控制输入端与A、B、C与

共同控制8路输入信号，并选择其中一路输出。该芯片具有低导通阻抗和很低

的截止楼电流。该芯片具有极低的静态功耗。该芯片军用类工作温度范围

-55℃—125℃。该芯片在负载阻抗很高的情况下可以传输频率超过10MHz的信号。该芯片在电路中的作用是利用数字信号控制CD4040的计数芯片对各个油箱传感器作时分复用的计数，这样一来便可以使得计数芯片以一对多的工作方式工作，节省电路元器件，增加电路的工作效率。 3．74LS125、74LS245

芯片74LS245与芯片74LS125均为总线缓冲芯片，前者是八位双向缓冲器，后者则是4位单向缓冲器，两芯片共同组成一个12位的数据缓冲器。两芯片在

信

号无效时，输出端均呈现高阻态。由于CD4040 计数芯片输出端没有三态功能，因此需要上述芯片组合作为12位输出电路，这样可以十分方便的配合数据总线进行时

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分复用，而不必单独占用一个I/O口，节省单片机端口资源。

3.2.3 显示电路

考虑到现役测量系统的显示只采用了两位有效数字，又油量数据的采集及处理可能会造成程序运行的周期过长，因此显示电路的设计不宜采用动态扫描形式。这里本人采用由三个七段LED驱动芯片CD4511构成的显示电路。其电路原理图如图3.9所示。

图3.8 显示电路原理图

电路工作流程：

该电路采用静态显示，电路工作时，首先清零B1，B2，B3，此时输出全灭。工作时先置L1为低电平，L2，L3为高电平，此时另数据输入端ABCD为第一个数码管所要显示的BCD码，置L1为高电平后，芯片1输出被锁定；同样以此时序对芯片2，3 进行操作后，置B1，B2，B3为高电平后，LED显示数据，此后数据总线输出将不对该电路造成影响，直到L1、L2或L3状态发生改变。

该电路核心芯片介绍：

芯片CD4511是BCD-7段锁存译码驱动器，CD4511具有低静态耗散和高抗干扰能力，该芯片可以直接驱动LED及其他显示器件。芯片输入端A，B，C，D为

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二进制数据输入端，为输出消隐控制端，当该管脚接入低电平时，芯片输出全零，LED灭；当该管脚为高电平时，LED显示输入ABCD所代表的十进制数。LE为数据锁存控制，该管脚为低电平时，锁存无效，此时显示随输入ABCD的译码；当该管脚跳变为高电平时，输入信号被锁存，此时显示不随输入ABCD改变而变化。为测试端，正常应用时，该管脚只要接高电平。

3.2.4 最小系统ATC51介绍

ATC51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMET公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程，因此ATC51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便的应用在各种控制领域。

另外，ATC51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零，并提供两种可用软件来选择的省电方式----空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结“，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，只到下一次硬件复位为止。

ATC51单片机的基本组成

图3.10 所示为C51带闪存(Flash ROM)单片机的基本结构框图。

在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即C51单片机芯片内包括：

(1)一个8位的80C51微处理器(CPU)。

(2)片内256字节数据存储器存RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。

(3)片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。 (4)4个8位并行I/O端口P0~P3，每个端口即可作输入也可作输出。

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振荡器和 外中断 控制 地址/数据 内中断 外部事件计数输入 时序OSC 程序存储器4KBFlash ROM 数据存储器256字节RAM/SFR 2*16位定时器/计数器 C51 CPU KB总线扩展控制器 可编程I/O 可编程全双工串行口 串行通信 图3.9 C51单片机结构框图。

(5)2个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

(6)具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。

(7)一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。

(8)片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz。

(9)C51单片机与8051相比，具有省电工作方式，即休闲方式及掉电方式。 以上各个部分通过片内8位数据总线相连接。 ATC51单片机芯片内部结构

C51单片机与早期的Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用Flash RAMROM替代ROM/EPROM而已。

一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器(ROM/RAM)和I/O接口组成。各部分功能简述如下。

1.处理单元(C51 CPU)

CPU是单片机的核心，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件

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组成。

1)运算器

运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算单元ALU，8位的暂存器1(TMP1)、暂存器2(TMP2)，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。

ALU：可对4位(半字节)、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作，如能做加、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和“与”、“或”、“异或”、“求补”及“循环移位”等逻辑操作。

ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在C51内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是最忙碌的一个寄存器。在指令中用助记符A来表示。

PSW：程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。

B：8位寄存器，在乘，除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘，除运算，则可作为通用寄存器使用。

另外，C51片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器，专门用于处理位的操作，如可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0转移、位等于1转移并清0以及位累加器C与其它可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其它可寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位C中。

2)控制器

控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。

程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就改变程序执行的方向。

指令寄存器IR及指令译码器ID：由PC中的内容指定Flash ROM地址，取出来的指令经指令寄存器IR送至指令译码器ID,由ID对指令译码并送PLA产生一定

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序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。例如：控制ALU的操作，在C51片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I/O口或存储器之间通信的控制信号等。

振荡器及定时电路：C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容，其频率为0~24MHz。该脉冲信号就作为C51工作的基本节拍，即时间的最小单位。C51同其他的计算机一样，在基本节拍的控制下协调的工作，就像一个乐队按着指挥的节拍演奏。

2.存储器

C51片内有Flash ROM(程序存储器，只能读)和RAM(数据存储器，可读可写)两类，它们有各自的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不同。

1)程序存储器（Flash ROM）

C51片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。

2)数据存储器（RAM）

C51片内存储器为128字节，地址为00H~7FH，用于存放运算的中间结果，数据暂存以及数据缓冲等。

在这128字节的RAM中有32字节单元可指定为工作寄存器。这同一般微处理器不同，C51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。

C51单片机内部还有SP、DPTR、PCON、IE和IP等多个特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址为80H~FFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器(SFR)，这些特殊功能寄存器还包括P0~P3口锁存器。

3.I/O接口

C51有4个与外部交换信息的8位并行接口，即P0~P3。它们都是准双向接口，每个端口各有I/O线，均可输入/输出。P0~P3口4个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器(SFR)来寻址。

除4个8位并行口外，C51还有一个可编程的全双工的串行口(UART)，利用P3.0(RXD)和P3.1(TXD)，可实现与外界的串行通信。

3管脚说明：

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图3.10 ATC51芯片引脚结构

ATC51芯片引脚结构如图3.11所示，引脚说明如下： VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

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P3口也可作为ATC51的一些特殊功能口，如下表所示： 接口 备选功能

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

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3.3 长线传输干扰抑制电路

本电路的设计是为了抑制传输电缆上存在的干扰，进一步提高系统的可靠性。 由于飞机燃油箱分布机体的各个部分，因此长线传输是一个相对经济的手段。长线传输中信号在传输线上的反射、串扰、其他噪声等随之二来。这里应当给出一个概念：所谓长线传输是指当信号沿线传播的延时能和信号变化时间比拟时，线路不均匀匀性和负载的不匹配性引起的信号反射就很容易地在传输线上引起“振铃”，这样的传输线就称为长线。

由于双绞线与同轴电缆相比，虽然在频带上较差，但波阻抗高、抗共模噪声能力强。另外双绞线能使各校环路的电磁感应干扰相互抵消，对电磁场具有一定的抑制效果。综合上述优点，本设计采用双绞线作为系统的传输线。

电路采用双绞线传输与光耦合器件联用的手段，电路示意如图3.7。光耦合器件在这里的运用一方面起到了隔离两个系统地线的作用，使量个系统的电源可以相互。另一方面，光耦合期间的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送方式。由于电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，因此提高了系统的抗干扰能力。该器件常被用于有噪音干扰的环境下传输信号。

光耦合器件输入为发光二极管，且与双绞线相连，因为传输线上的共模干扰信号同影响传输信号的信号电压与信号地电压，但两者电压之差始终维持不变，因此该电路的输入端在某种意义上讲就类似于差分放大器，只对差模信号敏感，抑制共模干扰。但该电路在抑制干扰的幅值大小方面却不像差分放大器那样会受到工作电压的，因此该器件是很好的抑制共模干扰的器件。另外，光耦合器件的光敏晶体管的基极接有电容C及电阻Rb，输出接有施密特触发集成电路驱动器，抗噪能力被大大加强。

在综合了数字脉冲信号、双绞传输线、光耦合器件各自的抗干扰有点，该电路的在传输可靠性方面已经远远超过了现役的测量系统中的传输电路。更为重要的是，运用的器件相比现役的电路有所减少，工作电压单一，无疑从硬件安全性方面提高了电路的可靠性，因此该设计从两个方面全面提升了系统的传输可靠性。

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图3.11耦合接口电路

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第4章 软件设计

4.1 单片机软件部分设计思想

本系统采用C51作为测量系统的处理芯片，程序采用51系列芯片的通用C语言进行程序的编写。该测量系统的程序主要包括外围电路调用子程序，数据处理子程序。编写程序时应注意到的几点：程序应尽量简洁明了，程序语句应尽可能精炼，程序可读性强，程序规范，可调用性强。

油量的测量对系统的实时性要求相对比较高，这就要求系统能够在较短的时间内做一次完整的测量。一般情况下一个测量系统的测量可靠性可以从多方面得到提高，除了硬件电路之外，我们可以通过软件的编辑来解决一些硬件很难解决的问题。这里就油量测量而言，利用软件作多次测量取后取得的平均值，将平均值作为本次处理的最后结果。这种算术平均值法可以很好的抑制随机干扰信号，这里可以解决对油面高度信号围绕某一数值上下浮动的情况，然而硬件电路却无法有效地处理该问题。像这类的利用软件提高系统的可靠性的运用事例很多，虽然该方法确实提高了系统的稳定性，但是对于一些运算速度较慢，内存资源较为有限的单片机系统而言就可能不太适合。原因是其可能占用较大的内存资源，且运算周期较长，使得系统的实时性下降。因此在软件的编写过程中应当作合理取舍。

基于上述分析，设计者将以系统的可靠性为前提编写程序，以上述几点为目标进行程序的编写。

4.2 系统程序设计说明

本测量系统是一个由单片机系统与外围硬件电路构成的测量系统，有别于早期的指针式的模拟测量系统。早期的模拟测量系统完全由硬件电路完成整个测量过程，其可靠性，通用性都较差。本测量系统可以通过程序的编写克服许多模拟系统无法解决的问题，因此在可靠性，通用性方面都有着其他系统无法比拟的优势。下面将介绍系统程序设计的整个过程。

4.2.1 系统主程序

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主程序是系统工作的总指挥，它的编写决定着整个系统的工作流程。主程序主要包括一些基本的初值的设定与子程序的调用。读者在读完主程序后就能知道系统的工作过程，那么该主程序便是一个逻辑清晰，结构合理的主程序。

该系统的主程序是一个结构十分简单的程序。程序开始设置地址与堆栈指针初值，这是所有较为复杂的程序所必需的。程序进入主体部分后，先调用计数电路子程序，采集油箱内的油量数据后，存入单片机制定内存中；随后，程序立即调用一个油量数据处理子程序，该子程序通过一定的算法将采集的油量数据变为可以直接反映燃油油量的数据；在数据处理完毕后，程序需要调用显示子程序驱动显示电路显示燃油数据。完成上述步骤之后，一次基本测量显示工作就算是完成了。这里我们令主程序无条件跳转，这样系统就会重复上述工作，成为一个真正意义上的测量系统。主程序流程图如图4.1所示。

开始 初始化 调用计数 子程序 调用数据 处理子程序 调用LED 显示子程序

图4.1 主程序流程图

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4.2.2 系统计数子程序

前一章里以简要分析了设计计数电路的必要性，因此这里需要编写一个程序去控制该电路工作。程序需要调用计数电路对多路脉冲信号进行计数，在完成数据采集后交出数据总线权。

该程序需要对多路脉冲信号进行计数，由于计数电路输出是12位二进制计数，因此每个油箱的燃油数据需占用一个字的内存空间。计数电路可以通过单片机给出的二进制的地址进行对应油箱的数据采集，采集过程中的闸门时间依照各个油箱的不同而作具体的选择。在采集完成后将数据存放于指定内存中，这样就算是基本完成了一次采集任务。该程序流程图如图4.2所示。

计数子程序 给出油箱地址 开始计数 数字滤波处理 修改数据地址 数据存入指定内存 修改油箱地址 各油箱测量完毕？ N Y 返回

图4.2 计数子程序流程图

4.2.3 系统数据处理子程序

数据处理程序对计数电路采集的油量数据作进一步的处理，将传感数据转化为实时的油量数据，并将处理结果存入显示存储单元，供显示电路显示数据。

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该程序首先对各个油箱所对应的内存空间内的数据作线性变化，得到燃油液面高度数据，根据数据所对应的油箱号码，找到该油箱的高度-油量兑换表将实时的油量转换出来，存入内存中；该过程不一定需要通过查表指令，这里也可以通过数学建模得到油量与高度的逼近函数，将测得的高度数据代入函数，就可以得到对应的油量。两种方法均可以得到实时的油量数据。虽然查表指令在程序的运行上较后者快，更容易满足实时性；而利用逼近函数虽然在运行上速度明显不如前者，但是后者不需要占据较大的程序存储空间，因此两者的选择需要综合考虑。程序基本流程如图4.3所示。

数据处理子程序 读取油箱编号 读取采集数据 计算油面高度 修改数据地址 计算燃油油量 修改油箱地址 油量数据处理 N 处理完毕否 Y 数据存入显示区 返回主程序

图4.3 数据处理子程序

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第5章 调试与分析

5.1 硬件的调试与分析

硬件的调试在整个电路设计过程中是必不可少的。现在许多软件都带有较为强大的仿真功能，设计电路的开始阶段，设计者可以完全脱离现实，只在EDA或Proteus软件提供的开发环境下进行整个系统、或者部分电路的设计与仿真。由于软件所能考虑到的情况往往是十分有限的，且在软件环境中，器件的一致性明显要强于实际硬件。由于条件，调试过程以验证电路可行性为目的，无法验证其可靠性。

5.1.1 传感电路的调试

该电路调试需要的设备：电源、示波器。

该电路的调试过程较为简单，将电路接通电源后，调解可变电容，利用示波器观察到的脉冲信号频率随电容容值得升高而下降，符合基本运用的条件。

调试过程中出现脉冲信号频率不符合理论计算，输出波形存在一定的畸变。出现上述状况的原因如下：电路由最普通的芯片构成；传感电容以可变电容代替，其稳定性较差；元件各管脚间以普通导线连接，存在较大寄生电容。

5.1.2 计数电路的调试

该电路调试需要的设备：PC机、伟福仿真器及软件。

该电路的调试过程比较复杂，首先需要将计数电路板各个接口与C51最小系统板连接，利用仿真头作为最小系统的单片机，通过在线编程、在线运行、观看MCU内部数据的变化，确定电路基本功能的实现。

该电路全部由芯片构建，因此不在此进行参数分析，芯片详细参数可参见附录。

5.1.3 显示电路的调试

该电路的调试需要设备：PC机、伟福仿真器及软件。

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该电路的调试过程与计数电路基本相同，唯一不同的情况是可以直接通过显示电路中LED的正确显示来确定电路功能的实现。

在整个制作的过程中出现过很多的低级的失误，包括没有验证数码管的好坏就开始了焊接，还包括共阴级与共阳级的选者错误，上拉电阻的焊接事务等等。

5.1.4 数据处理程序的调试

该程序的调试需要设备：PC机、伟福编译仿真软件。

对该程序的调试相对硬件电路而言，要方便一些。程序编译通过后，利用单步运行观测各个内存中数据变化情况，发现问题及时修改，循规蹈矩地完成每一步，便可以确保程序的正确无误。

调试过程如下：

1．在数据处理子程序中建立一个虚拟油箱，其高度-油量对照曲线如图5.1。 2．建立一组虚拟的计数数据以代替油量传感信号。 3．运行程序，记录结果。

4．与虚拟油箱数据作对比，判断程序运算正确否。

表5.1 某油箱测量数据、油面高度与油量数据关系表

数据组 1 2 3 4 5 测量数据 0FFEH 0EABH 0BBCH 09D7H 07FFH 计算得到的高度数据 0.0 15.6 53.2 76.9 99.9 查表得到的油量数据 00.0 38.5 88.6 97.1 99.9

这里对上述测试数据的测试方法作个简要说明：测量数据实质就是对前端传感电路产生的脉冲波的计数数据，该计数数据与燃油液面高度成线性关系，因此可以通过一个简单的线性算法得到实际的液面高度数据；由于飞机油箱的结构往往都是很不规则的，因此我们就不可以直接利用油面高度数据来计算实际的燃油油量数据，这里只能预先通过一定的测量手段预先得到油箱的油量与液面高度数据的关系曲

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线，将该曲线制成表存入单片极内，以供程序利用液面高度数据查询实际的燃油油量数据。

上述测试数据表明，程序很好的完成了从计数到高度数据的转换，最后查表得到了实时的油量数据。

5.2 综合调试与分析

综合调试需要的设备：电源、PC机、伟福编译仿真软件、示波器。

综合调试式对系统的总测试，以此判定系统是否可行。该调试过程相对上述的性的调试要复杂很多，调试前需要将所有电路准确连接，利用软件对这个系统进行在线运行，出现问题及时改正，最终达到能够通过改变电容使显示随之发生改变的的功能，从实际电路上确保系统的可行性。

由于在综合调试前，设计者已将电路各个子电路或者子程序作了详尽分析和调试，因此各个程序可能出现的占用同一个内存单元而发生冲突、调用子程序时可能出现的跳转出现错误。这里通过综合调试对程序中的一些参数进行进一步修改，对程序作优化，使程序尽量简单明了，使电路工作时序更为合理。

综合调试过程中值得关注的问题主要有以下几点：

1．电路接口分布合理将有利于导线的连接，减少外部环境对电路的干扰。

2．子程序的通用性强将有利于主程序的书写，使程序在结构上显得十分简单，可读性明显加强，这样有利于错误的查找。

3．选用每个器件焊接之前一定要做好可用性的鉴定工作，不可拿来就用，在此次的焊接过程中设计者在没鉴定好坏、没有测量好实际值就焊接等等，出现了好多的问题。

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第6章 效益分析

本次设计的测量系统从某一测量支路的元件数量与原有测量系统相比，有了明显的减少，虽然这里设计者不太了解军用器件的价格，但是光从系统的可靠性而言，先前也已详细交待。由于该系统的可靠性将直接影响到飞行安全，因此军用设备往往以安全因素作为首要考虑点，因此这里的效益实质上就是系统的安全性。该问题在方案论证一章早已详细说明，因此不多加分析。

由上述简单说明，本人认为该设计在效益方面相对现役系统还是有一定优势。

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第7章 设计总结

此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来社会重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘制电路图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改电路图，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了飞机燃油油量测量系统的用途及工作原理，熟悉了飞机燃油油量测量系统的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如通过毕业设计设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过的方案包括3个，和芯片上的选择。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上仿真电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我做毕业设计同时也是对课本知识和各个方面的课程巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时时间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且内容有限，所以在这次毕业设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完毕业设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。经过这段时间的实习和实践，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践

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相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人。

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参考文献

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版社，2002年8月

[20] 姜波编：《飞机检测与维修实用手册》（共4册），2005年

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致 谢

在这次毕业设计中，对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

在毕业设计结束之时，我要特别在此感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

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附录Ⅰ 程序清单

#include

unsigned char code dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00}; unsigned int second; unsigned char keycnt; unsigned char tcnt;

void main(void) {

unsigned char i,j;

TMOD=0x51;

TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TR0=1; ET0=1; EA=1; second=0;

P1=dispcode[(second/100)%10]; P2=dispcode[(second/10)%10]; P0=dispcode[second%10]; while(1) {

while(P3_5==0);

//for(i=20;i>0;i--) //for(j=4;j>0;j--);

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//if(P3_5==0) //{ //keycnt++; //switch(keycnt) //{ //case 1: //TMOD=0x51; //break; //case 2:

while(P3_5==1); second=second+1 ; //case 3: //break; //

//keycnt=0;//(t/100)%10;a[3]=(t/10)%10a[4]=(t/1)%10; //P1=dispcode[(second/100)%10]; //P2=dispcode[(second/10)%10]; //P0=dispcode[second%10]; //second=0; //break; //}

//while(P3_5==0); //} } } //}

void t0(void) interrupt 1 using 0 { tcnt++; //if(tcnt==20) if(tcnt==4) {//P1_1=0; tcnt=0;

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//second++;

//P1=dispcode[(second/100)%10]; //P2=dispcode[(second/10)%10]; //P0=dispcode[second%10]; P1=dispcode[(second*5/100)%10]; P2=dispcode[(second*5/10)%10]; P0=dispcode[second*5%10]; second=0; } }

#include

unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; unsigned int Count;

void delay10ms(void) {

unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); }

void main(void) { Count=0;

P1=table[(Count*1000/100)%10]; P2=table[(Count*1000/10)%10]; //P2=table[Count/10]; P0=table[Count*1000%10]; while(1) {

if(P3_5==0) {;

//delay10ms();

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if(P3_5==0) {

Count++; //1. P1=table[(Count*1000/100)%10]; P2=table[(Count*1000/10)%10]; //P0=dispcode[second%10]; //P2=table[Count/10]; //2

P0=table[Count*1000%10]; //3 //while(P3_5==0); //4 }while(P3_5==1){Count=0;} } } }

#include

unsigned char code dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00}; unsigned char second; unsigned char keycnt; unsigned int tcnt;

void main(void) {

unsigned char i,j;

TMOD=0x02; ET0=1; EA=1; second=0;

P2=dispcode[(second/10)%10]; P0=dispcode[second%10]; //P0=dispcode[second%10]; while(1)

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{

if(P3_5==0) {

for(i=10;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); if(P3_5==0) { keycnt++; switch(keycnt) { case 1: TH0=0x06; TL0=0x06; TR0=1; break; case 2: TR0=0; break; case 3: keycnt=0; second=0;

P2=dispcode[(second/10)%10]; P0=dispcode[second%10]; //P0=dispcode[second%10]; break; }

while(P3_5==0); } } } }

void t0(void) interrupt 1 using 0 { tcnt++; if(tcnt==4)

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{ tcnt=0; second++;

P2=dispcode[(second/10)%10]; P0=dispcode[second%10]; //P0=dispcode[second%10]; } }

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