毕业设计论文汽车油量检测报警器.docx

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毕业设计论文汽车油量检测报警器

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）

论文题目：

汽车油量检测报警器

所属系部：

自动化工程系

指导老师：

张玉莲职称：

教授

学生姓名张振龙班级、学号:

09603424

专业：

电气自动化

西安航空职业技术学院制

2011年12月7日

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目：

汽车油量检测报警器

任务与要求：

1用五个指示灯分别指示五种油量位置，当汽车油量低于规定油量下限时发出报警信号，提醒驾驶员及时补充油量。

时间：

年月日至年月日共周

所属系部：

自动化工程系

学生姓名：

张振龙学号：

09603424

专业：

电气自动化

指导单位或教研室：

应用电子教研室

指导教师：

张玉莲职称：

教授

西安航空职业技术学院制

年月日

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

2011.10.25

至

2011.10.26

根据学校安排指导老师发放题目，确定论文题目。

2011.10.27

至

2011.11.1

查阅资料，整理资料，确定设计方案

2011.11.2

至

2011.11.23

根据设计要求及查阅到的资料进行控制电路设计

2011.11.24

至

2011.11.30

和指导老师进行交流，对设计进行修改完善

2011.12.1

至

2011.12.7

请指导老师对完善后的设计进行审查修改

教师对进度计划实施情况总评

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

汽车油量检测报警器

摘要：

监测报警器由油量采集、放大电路、阈值控制、电压比较、单稳态电路、驱动电路组成。

实现的具体功能是当油箱的存油量达到预置的油量水平以下时警示灯常亮直至油量达到适当水平，声音报警时间约5S。

为实现油量的监测，本设计将油箱内油量变化转换为电阻阻值的变化，首先通过电桥电路来转换电压信号实现油量采集，再通过比较器设置的比较电压进行比较，判别是否低油量，再确定报不报警。

关键词：

油量采集，单稳态电路，电压比较，声光报警

目录

1引言---------------------------------1

2什么是油量检测报警器-----------------------2

2.1汽车油量检测报警器设计------------------------

2.2设计思想-------------------------------

2.3系统设计目标-----------------------------

3油量检测报警器设备的组成---------------------

3.1系统设计原则-----------------------------

3.2系统组成------------------------------

3.3系统功能-------------------------------

3.4系统特点-------------------------------

3.5几种长见的油位测量技术------------------------

3.6传感器的原理-----------------------------

3.6.1油位传感器的发展方向---------------------

4电路工作原理-----------------------------

4.1主电路工作原理----------------------------

4.1.1主电路元器件选择----------------------

4.2各组合电路的设计及其工作原理---------------------

4.2.1油量采集及放大电路设计---------------------

4.2.2电压比较器电路设计------------------------

4.2.3555单稳态电路设计------------------------

4.2.4电源电路设计---------------------------

4.3555定时器的工作原理-------------------------

4.4555定时器的电路调试-------------------------

5主电路的调试-----------------------------

5.1主电路的调试-----------------------------

结束语-----------------------------------

谢辞------------------------------------

参考文献----------------------------------

1引言

随着电子技术的飞速发展，电子控制电路在日常生活中有着大量的应用，各种报警专用集成电路、语音／音效集成电路、传感器的不断推出，一些新颖实用的报警器、警示器电路已广泛应用于家庭生活、工农业生产、交通、机动车、通信和防盗、防灾等领域。

本课题设计了一款简易功能的监控电路，该电路能对汽车油量进行监控，当汽车油箱内油量过低时发出警报进行提醒，以防止在行驶时油量耗尽，而带来的不便。

报警时能在视觉和听觉上进行提醒，以更加直观有效的进行警示。

本设计实用新型结构简单，成本低，使用寿命长，显示的油量数据精确；具有低油量报警，提醒驾驶员适时加油的功能。

2什么是油量检测报警器

2.1汽车油量检测报警器设计

本课题设计了一款简易功能的监控电路，该电路能对汽车油量进行监控，当汽车油箱内油量过低时发出警报进行提醒，以防止在行驶时油量耗尽，而带来的不便。

报警时能在视觉和听觉上进行提醒，以更加直观有效的进行警示。

监测报警器由油量采集、放大电路、阈值控制、电压比较、单稳态电路、驱动电路组成。

实现的具体功能是当油箱的存油量达到预置的油量水平以下时警示灯常亮直至油量达到适当水平，声音报警时间约5S。

为实现油量的监测，本设计将油箱内油量变化转换为电阻阻值的变化，首先通过电桥电路来转换电压信号实现油量采集，再通过比较器设置的比较电压进行比较，判别是否低油量，再确定报不报警。

本毕业论文从设计要求出发，经过多个方案的分析比较，选择了合适的设计方案，设计并制作完成了由油量采集、放大电路、阈值控制、电压比较、单稳态电路、驱动电路组成的汽车油量监测报警器。

该报警器能够采集汽车油量信号，当油量不足时报警，并将报警信号分成声光两路发送出去。

该报警器新型结构简单，成本低，使用寿命长，显示的油量数据精确；还具有低油量报警，提醒驾驶员适时加油的功能。

本设计实用新型结构简单，成本低，使用寿命长，显示的油量数据精确；具有低油量报警，提醒驾驶员适时加油的功能。

2.2设计思想

汽车的油箱油量检测通常是由水平检测器（一个与仪表板油量计串接的由浮标控制的浮筒式电位器系统）来完成的。

当油箱储满燃油时，浮标动臂升起，将电位器的阻值调至最小（也有部分车型是将电位器的阻值调至最大），使油量计（实际上是一只毫安表）的指针作满标度的偏转;当油箱中的油量水平下降时，可变电阻器的阻值被调高（或调低），流过系统回路的电流将随之变化，油量计的指针读数也变小。

　　本例介绍的汽车油量监测报警器装置，能形象、直观地显示出汽车油箱内燃油的多少，还可以在油位降低至一定值时发出声光报警，以提醒驾驶员及时加油。

2.3系统设计目标

本例介绍的汽车油量监测报警器，通过发光二极管的点亮数量来显示机动车油箱内的油量的多少，当油位降至低油位时，它能及时发出声、光报警信号，提醒驾驶员油箱内油量己不多，应及时加油。

3油量检测报警器设备的组成

3.1系统设计原则

油量检测设备的设计应当从实际需要出发，尽可能的使系统的结构简单、可靠，设计时应遵循的基本原则如下：

（1）系统可靠必须高，即使工作电源发生故障，系统也必须处于随时能够工作的状态。

（2）系统应具备一定的扩充能力，以适应日后使用功能的变化。

（3）当受损时易于发现，且容易处理的场所。

（4）系统应尽量采用标准产品，便于日后系统的维护和检修。

我们在为汽车油量检测报警器设计时，充分考虑以上原则，为用户设计最为适用的报警系统设备。

3.2系统组成

目前汽车油量检测报警器主要有以下几种结构组成

原理框图如图1所示。

主要包括放大电路，电压比较电路，555单稳态电路以及两路声光报警电路几部分。

图1原理框图

3.3系统功能

课题设计了一款简易功能的监控电路，该电路能对汽车油量进行监控，当汽车油箱内油量过低时发出警报进行提醒，以防止在行驶时油量耗尽，而带来的不便。

报警时能在视觉和听觉上进行提醒，以更加直观有效的进行警示。

3.4系统特点

1.反应迅速

反应时间极短，检测电路检测到报警信号后立刻将报警信息反应在人机界面上

2.直观性

系统状态能够全面直白的显示在人机界面上

3.传输可靠性

电路连接相对简单，所用元器件也相对较少，电路图简单，可靠性很高。

4实时性

能够实时显示系统状态，没有延时

5全中文界面

采用全中文图形界面，直观的屏幕提示，界面友好美观，操作简单方便。

3.5几种长见的油位测量技术

汽车油位传感器由于持续浸泡在各种燃油中使用环境恶劣，所以其失效一直是售后投诉的重点，也是传感器供应商研究改进的最重要的课题。

目前市场使用的油位传感器种类繁多，原理各异，使用环境也是千差万别，故十分必要对各传感器的特点进行归纳总结，为新型传感器的研究提供参考。

方案一：

浮筒液位计也称为沉浸式浮筒液位计，是根据阿基米德定律进行液位测量的仪表，可用来测量液位、界位和密度。

比较适合用于测量压力容器内液位。

其基本结构见下图。

原理：

浸在液体中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和扭力管弹力的复合作用。

当这三个力达到平衡时，浮筒就静止在某一位置。

当液位发生变化时，浮筒所受浮力相应改变，平衡状态被打破，从而引起弹力变化，以达到新的平衡。

悬挂在扭力管上的位移筒体沉浸在被测液体中，并受到阿基米德向上浮力作用，其作用力与排开液体质量成正比。

根据液位高低，筒体浸入深度不同，向上浮力发生变化，以达到测量结果。

在结构上浮筒液位计分为侧装和顶装式，侧装式需要一个外筒，将液位引到设备外侧进行测量，可大大减少液面波动和介质流动带来的干扰；而顶装式直接从罐顶将浮筒投入，结构简单。

不少厂家将顶装式浮筒的扭力管改为弹簧，简化了结构，但原理还是一样的。

图中所示的的输出为偏转的刻度，如果将这种偏转或扭力转换为统一的远传信号，就构成液位变送器。

油量计

　　油量计

　　Ｆｕｅｌ　Ｇａｕｇｅ。

用来显示燃油的存量，从仪表的分类上来说，油量计属于“液位显示器”，因为它的工作原理，就是在油箱里装置一个浮筒，随着燃油的减少、浮在燃油液面上的浮筒也会跟着下降、带动油量计的指针显示燃油存量。

明白油量计的工作原理之后。

您当可恍然大悟，为何有的油表前半段指针移动很慢、过了１／２之后就下降飞快，总之，很少油表指针的移动是线性的；那是因为浮筒只能显示液位，然而油箱的形状却不是规则的四方形，为了配合后座椅下方、或是行李厢尾端的结构，油箱通常的形状是上半部多少还能维持四方形，到了下半部，就不得不萎缩成三角状，因此到了下半部，其实体积比起上半部几乎小了有一半之多，这也就解释了为何油表指针过半之后会飞快下降了

这套方案原理和电路连接相对简单，所用元器件也相对较少，电路图简单易懂，符合性价比高的要求。

方案二：

基于电容法测量液位的仪表一般称为电容式液位计，它主要由掖位传感器（液位-电容变送器）和测量、显示部分组成。

传感器部分实际上是一个可变电容器，这种电容器多为圆柱形，只是根据被测液体的不同性质，在具体结构和原理上有所差异。

下面分别以导电液体和非导电液体为被测对象，主要介绍

电容式液位传感器的基本工作原理。

一、测量导电液体的电容式液位传感器

测量导电液体的电容式液位计主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化这种

关系进行液位测量，图9-6为传感器部分的结构原理图。

从整体上看，不锈钢棒3、聚四氛乙烯套管4以及容器2内的被测导电

液体1共同构成一圆柱形电容器，其中不锈钢棒是电容器的一个电极（相当于定片），被测导电液体则是电容器的另一个电极（相当于动片），套在不锈钢棒上的聚四氟乙烯套管为两电极间的绝缘介质。

可见，液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变

电容传感器的电容量就成比例地增加；反之．电容量就减小。

因此，通过测量传感器的电容量大小就可获知被测液体液位的高低。

当可测量液体位H=0，即容器内的实际液位低于h（非测量区）时．传感器与容器之间存在分布电容、这时的电容量C0为

（9-8）

式中，ε’0为聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数；L为液位测量范围（可变电容器两电极的最大覆盖长度）；D0为容器内径；d为个锈钢棒直径。

当液位高度为H时，传感器的电容量CH为

（9-9）

式中，ε为聚四氛乙烯的介电常数，ε≈2；D为聚四氛乙烯套管外径。

因此．当容器内的液位由零增加到H时，传感器的电容变化量∆C为

通常，D。

>>D，而且ε＞ε’0，因而上式中第二项的数值要比第一项小得多，可以忽赂。

则

（9-10）

在式（9-10）中．当电极确定后，ε、D和d都是定值，故可以将式子改写为

（9-11）

可见，只要参数ε、D和d的数值稳定，不受压力、温度等因素的影响，即K为常数，那么传感器的电容变化量与液位的变化量之间就有着良好的线性关系。

因此，通过测量传感器电容量就可方便地求出被测液位。

另外，式（9-11）还表明，绝缘材料的介电常数ε较大和绝缘层厚度较薄（D/d较小）时，传感器的灵敏度较高。

以上介绍的液位传感器适用于电导率≥10-2S／m的液体，但被测液体的粘度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该枯附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。

另外，还应该再次指出，这种液位传感器的底部约有10mm的非测量区（图9-6中的h）。

二、测量非导电液体的电容式液位传感器

测量非导电液体的电容式液位计主要利用被测液体液位变化时，可变电容传感器两电极

之间充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化这一特性进行液位测量。

适合的测量对象包括：

电导率＜

10-9S／m的液体（如轻油类）、部分有机溶剂和液态气体。

传感器部分的结构原理如图9-7所示。

两根同轴装配、相互绝缘的不锈钢管分别作为圆柱形可变电容传感器的内、外电极，外管管壁上布有通孔，以便被测液体自由进出。

当测量液位H为零时，两电极间的介质是空气，这时传感器的初始电容量C0为

（9-12）

式中，ε0为空气的介电常数;L为两电极的最大覆盖长度;D和d分别为外电极的内径和内电极的外径。

当被测液体的液位上升为H时，传感器的电容量CH为

（9-13）

式中，ε为被测液体的介电常数。

因此，当容器内的液位由零增加到H时。

传感器的电容变化量∆C为

（9-14）

可见．当电极给定后，参数ε、D和d均为定值，故传感器的电容变化量只是液位H的单值函数，亦即测取传感器的电容量就可确定被测液位。

以上所述为电容式液位传感器的基本工作原理，反映了电容式液位计将液位测量转换为电容量测量的过程。

在此基础上．液位计的测量电路将完成电容量的测量，井最终显示相应的液位。

目前，电容量的测量方法很多，常用的有交流电桥法、充放电法、调频法和谐振法等。

但是此种传感器价格很高，仪表复杂，所以难以普及到普通汽车上

通过比较可知两套方案中，方案二的原理较方案一要复杂一些，所以选择方案一，因为这套方案原理和电路连接相对简单，所用元器件也相对较少，电路图简单易懂，符合性价比高的要求。

3.6传感器的原理

传感器：

能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

（实现直接测量或间接测量）。

检测的分类

1被测量值的物理属性：

电量、非电量。

2检测原理（物理的、化学的、生物学的）：

电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、

电化学分析、色谱分析、质谱分析等。

3检测方法：

直接与间接、开环与闭环、接触式与非接触式、

动态和静态。

4变送单元

使被测变量信号符合国际标准。

1-5VDC或4-20mADC模拟信号或数字信号

5调节单元

将变送器输来的检测信号与给定值进行比较，并对比较结果进行调节运算，以输出作为控制信号。

常规控制规律：

位式调节、PID调节。

6显示单元

将检测单元测量获得的相关参数，以适当方式显示给操作人员。

显示方式：

曲线、数字和图象。

误差分类

（1）.系统误差：

指测量器件或方法引起的有规律的误差，体现为与真值之间的偏差。

（2）.随机误差：

除可排除的系统误差外，另外由随机因素引起的，一般无法排除并难以校正的误差。

（3）.粗大误差：

由于观测者误读或传感要素故障引起的歧异误差。

误差原因分析

1被检测物理模型的前提条件属理想条件，与实际检测条件有出入；

2测量器件的材料性能或制作方法不佳使检测特性随时间而发生劣化；

3电气、空气压、油压等动力源的噪声及容量的影响；

4检测线路接头之间存在接触电势或接触电阻；

5检测系统的惯性即迟延传递特性不符合检测的目的要求，因此要同时考虑系统静态特性和动态特性；

6检测环境的影响，包括温度、湿度、气压、振动、辐射等；

7不同采样所得测量值的差异造成的误差；

8人为的疏忽造成误读，包括个人读表偏差，知识和经验的深浅，体力及精神状态等因素；

9测量器件进入被测对象，破坏了所要测量的原有状态；

10被测对象本身变动大，易受外界干扰以致测量值不稳定等。

3.6.1油位传感器的发展方向

在油品情况复杂的中国市场，应用最为广泛的浮筒式油位传感器也显示出了其局限性，在售后失效中，80%以上是由于触电腐蚀而引起的电阻输出不正确或不稳定。

尤其是中国的油品市场，稂莠不齐，各地出产的原油本身差异比较大，炼制工艺也千差万别，燃油中所含活性硫.酸性物质也参差不齐，最近几年风行的生物用油，，如E20，M15等也在一些省份大行其道。

恶劣的燃油环境是传感器发展中的最大阻碍。

另外，随着汽车市场竞争日趋激烈，价格已成为传感器研发不能回避的问题。

因此，兼顾价格，改善和提高浮筒式油位传感器构件自身性能的尝试非常多。

例如使用贵金属材料和高分子复合材料等。

4电路工作原理

4.1主电路工作原理

该汽车油量监测报警器电路由油位监测电路、油位显示电路、缺油警示电路和电源电路等组成，如图2所示。

图2汽车油量检测报警电路

油位监测电路由二极管VD2、辅助电位器RP1和汽车油箱内浮筒式电位器RP2组成。

　　油位显示电路由发光二极管VL2~VL7、晶体管V2~V7等组成。

　　缺油警示电路由二极管VD3、晶体管V1、发光二极管VL1，集成电路IC2、扬声器BL和有关阻容元件组成。

　　电源电路由二极管VD1、三端集成稳压器IC1和滤波电容器C1~C3组成。

　　+l2V电压经VD1降压和IC1稳压后，产生+9V电压，供给IC2和V1~V7等电路。

　　在汽车油箱内储满燃油时，RP2的阻值在浮标的作用下滑向最小值，使V2~V7均导通，发光二极管VL2~VL7均点亮。

　　当油箱内油量降为一半时，RP2的中心头滑至中间位置，使V2~V4导通，V5~V7截止，VL2~VL4仍亮，VL5~VL7熄灭。

　　当油箱内油位降低至限位时，RP2的阻值变为最大值，V2~V7均截止。

VL2~VL7均熄灭，使V1导通，IC2的4脚由低电平变为高电平，由IC2和外围元器件组成的多谐振荡器振荡（工作频率为lOHz左右）工作，IC2的3脚间断输出高电平，使发光二极管VL1闪亮，扬声器BL发出"嘟、嘟"的报警声。

声音报警5S结束，灯泡持续报警直到油箱内油量达到适当值。

　　若仅黄色发光二极管VL2亮，则说明油箱内即将缺油。

4.1.1主电路元器件选择

R1~R9均选用1/4W碳膜电阻器。

　　RP1~RP3可选用小型膜式电位器或全密封式电位器。

　　C1、C4~C7、C9均选用耐压值为16V的铝电解电容器;C2、C3和C8均选用涤纶电容器或独石电容器。

　　VD1、VD2均选用IN4001或IN4007型硅整流二极管，VD3选用IN4148型硅开关二极管。

　　VL1~VL7均选用φ3mm高亮度发光二极管,其中VL1选红色，VL2选黄色,VL3~VL7均选绿色。

　　V1选用S8550或C8550型硅PNP晶体管;V2~V7均选用S8050或C8O5O型硅NPN晶体管。

　　IC1选用LM7809型三端集成稳压器;IC2选用NE555型时基集成电路。

　　BL选用0.25~0.5W、8Ω电动式扬声器。

4.2各组合电路的设计及其工作原理

4.2.1油量采集及放大电路设计

油量采集及放大电路图如图3所示：

图3油量采集及放大电路

油量采集及放大电路的构成及原理

仪表放大器电路的典型结构如图3所示。

它主要由两级差分放大器电路构成。

其中,运放A1,A