基于51單片機(jī)節(jié)氣門開度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

景露霞，李小山，杜明軒

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué)建工學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著人民對對汽車的安全性、舒適性和環(huán)保性等性能要求的提高，汽車的電子控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，汽車產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入汽車電子化時(shí)代。目前，許多國際汽車巨頭如豐田、通用等，大多都普遍地將電子控制技術(shù)應(yīng)用到汽車產(chǎn)業(yè)上。作為車輛控制與安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的電子節(jié)氣門控制技術(shù)備受重視。本文基于89C51單片機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以使節(jié)氣門在怠速，汽車正常行駛及巡航狀態(tài)下都處于最佳開度，提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

1 節(jié)氣門開度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)節(jié)氣門開度控制系統(tǒng),已期達(dá)到針對不同工況能使節(jié)氣門保持在最佳開度的目的。系統(tǒng)包括系統(tǒng)前端的傳感器、ECU、執(zhí)行器。當(dāng)各個(gè)傳感器的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換或者直接被采集到51單片機(jī)里后，ECU此時(shí)對采集的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并輸出相應(yīng)的占空比來改變直流電機(jī)的扭矩以驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門，從而達(dá)到改變節(jié)氣門開度的目的，完成對汽車怠速狀態(tài)，巡航車速控制狀態(tài)和正常行駛狀態(tài)時(shí)節(jié)氣門開度的控制。

1.1 傳感器模塊

本文節(jié)氣門開度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中節(jié)氣門位置傳感器采用線性節(jié)氣門位置傳感器，由于輸出電壓信號(hào)，油門踏板位置傳感器和冷卻水溫度傳感器輸出的也是電壓信號(hào)，需通過與ADC0809轉(zhuǎn)換器上的IN0、IN1、IN2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器輸出的是脈沖信號(hào)，輸入單片機(jī)時(shí)無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以與單片機(jī)的P3.0端口相連，利用T0外部中斷計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速。車速傳感器信號(hào)通過串口傳送給單片機(jī)。

1.2 ECU模塊

設(shè)計(jì)的核心處理器采用51系列單片機(jī)89C51。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,主要由一個(gè)8位CPU，4個(gè)8位并行I/O口P0-P3，片內(nèi)RAM，片內(nèi)ROM，兩個(gè)或三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，一個(gè)串行I/O口，由片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生器組成的單片機(jī)主屏。由于多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)為電信號(hào)，需要ADC0809轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它是由 8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等組成。

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置模塊

如圖2所示，本設(shè)計(jì)通過一系列脈沖信號(hào)(占空比)，即脈沖信號(hào)來控制直流電機(jī)，通過改變電機(jī)扭矩來驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門，從而改變節(jié)氣門開度。

圖1 直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)主要電路連接圖

系統(tǒng)的總體工作原理電路圖如圖3所示，傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路通過ADC0809轉(zhuǎn)換器IN0，IN1，IN2端口輸入單片機(jī)的采集通道，單片機(jī)根據(jù)采集到的信號(hào)，在ECU中進(jìn)行比較，輸出控制指令經(jīng) P1端口輸出，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門開度的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖4主程序框圖所示，n表示由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集到的數(shù)值，即實(shí)際轉(zhuǎn)速；n’表示處于怠速狀態(tài)下的冷卻水溫度對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即最佳怠速轉(zhuǎn)速。a表示節(jié)氣門位置傳感器采集到的節(jié)氣門開度，即實(shí)際節(jié)氣門開度；而 a’則表示該狀態(tài)下油門踏板踩下時(shí)所對應(yīng)的節(jié)氣門開度，即理想節(jié)氣門開度。v表示車速傳感器采集到的車速，即實(shí)際車速值；而v’則表示在該狀態(tài)下的巡航設(shè)定值，即理想車速值。

圖3 主程序框圖

4 軟件及硬件仿真

圖4 節(jié)氣門正轉(zhuǎn)仿真界面

圖5 節(jié)氣門反轉(zhuǎn)仿真界面

圖6 節(jié)氣門不轉(zhuǎn)仿真界面

圖7 節(jié)氣門反轉(zhuǎn)硬件仿真

本文在Keil軟件仿真，分別對x1節(jié)氣門位置值；x2油門踏板位置值；x3冷卻水溫度值；x4巡航控制系統(tǒng)車速設(shè)定值；x5發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；x6車速；進(jìn)行賦值。改變賦值情況，仿真結(jié)果也會(huì)相應(yīng)改變。Keil仿真結(jié)果如下圖所示，從右到左打鉤表示節(jié)氣門正轉(zhuǎn)，從左到右打鉤表示節(jié)氣門反轉(zhuǎn)，不打鉤表示節(jié)氣門不轉(zhuǎn)，打鉤個(gè)數(shù)表示節(jié)氣門開度大小。硬件仿真在DICE-5212K多功能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱完成，首先根據(jù)電路圖將89C51和A/D轉(zhuǎn)換接口用標(biāo)配實(shí)驗(yàn)連接線相連，用可調(diào)電壓來模擬傳感器數(shù)值的變化，用撥動(dòng)開關(guān)打開與否來表示是否有巡航設(shè)定，在4*6矩陣鍵盤模塊上模擬從串口輸入的車速值，在8位LED發(fā)光二極管輸出模塊上模擬節(jié)氣門的正反轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)箱上的仿真結(jié)果如下圖所示，LED燈不亮代表節(jié)氣門不轉(zhuǎn)動(dòng)，從左到右亮一個(gè)代表節(jié)氣門反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，則正轉(zhuǎn)。

圖8 節(jié)氣門正轉(zhuǎn)硬件仿真

圖9 節(jié)氣門不轉(zhuǎn)硬件仿真

5 結(jié)束語

本文基于89C51單片機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟件硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不但可以提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，而且實(shí)現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。