飞机燃油油量测量系统的设计.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）

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、供油和卸油管路、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，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部队改装工作的主要内容。符合现代化部队装备的需要。
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：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
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香港、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。它是目前部队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。

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油管理系统,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。

电 源

TR组件

A/D转换
FFT
接口部分
放大滤波
传感器组

C8051单片机
信号处理部分

数字处理部分
RS485接口

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

电容（液位）
电源
振荡器

分频器

数码显示
单片机

LED显示
报警

图2.5 电容式液位测量系统原理框图
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。

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。

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，在实施中采用以理论公式为准则，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）

振荡器

分频器

报警

单片机AT89C51

串行接口

LED显示

数码显示

图3.3单片机电容油量测量仪
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：
式3.4
因此
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AT89C51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
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
式 3.6
其中

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
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
R1、R2
脉冲频率f
10 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
412 kHz
20 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
375 kHz
30 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
343 kHz
40 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
317 kHz
50 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
294 kHz
60 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
275 kHz
70 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
258 kHz
80 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
229 kHz
90 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
206 kHz
100 nF
R1=30kΩ，R2=20kΩ
188 kHz

10 nF
100 nF
188KHz
412KHz
f
Cw

图3.6 传感电容—频率关系
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。从而限制了仪器测量范围。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，由于硬件自身的限制，外部脉冲的最高频率会受到限制。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
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：

表3.2 单路计数工作流程
时序
C-EN
Rst
ABC
H-EN
L-EN
D7-D0
1
H
H
XXX
H
H
高阻态
2
H
H
010
H
H
高阻态
3
L
L
010
H
H
高阻态
4
H
L
010
H
L
计数数据低8位
5
H
L
010
L
H
计数数据高4位
6
H
H
XXX
H
H
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限制，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，BC，D为二进制数据输入端，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AT89C51介绍
AT89C51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MCS51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AT89C51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，AT89C51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。
AT89C51单片机的基本组成
图3.10 所示为89C51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89C51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。

外部事件计数输入

2*16位定时器/计数器
数据存储器256字节RAM/SFR
程序存储器4KBFlash ROM
振荡器和时序OSC

89C51 CPU

可编程全双工串行口
64KB总线扩展控制器
可编程I/O

内中断

串行通信
地址/数据
控制

外中断
图3.9 89C51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，