基于51單片機節氣門開度控制系統設計

景露霞，李小山，杜明軒

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

引言

隨著人民對對汽車的安全性、舒適性和環保性等性能要求的提高，汽車的電子控制技術應運而生，汽車產業也進入汽車電子化時代。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應用到汽車產業上。作為車輛控制與安全系統的關鍵技術之一的電子節氣門控制技術備受重視。本文基于89C51單片機對發動機節氣門開度控制系統進行了設計，可以使節氣門在怠速，汽車正常行駛及巡航狀態下都處于最佳開度，提高汽車的動力性和經濟性。

1 節氣門開度控制系統總體設計

本設計以51單片機為基礎，設計節氣門開度控制系統,已期達到針對不同工況能使節氣門保持在最佳開度的目的。系統包括系統前端的傳感器、ECU、執行器。當各個傳感器的信號經A/D轉換或者直接被采集到51單片機里后，ECU此時對采集的數值進行計算，并輸出相應的占空比來改變直流電機的扭矩以驅動節氣門，從而達到改變節氣門開度的目的，完成對汽車怠速狀態，巡航車速控制狀態和正常行駛狀態時節氣門開度的控制。

1.1 傳感器模塊

本文節氣門開度控制系統設計中節氣門位置傳感器采用線性節氣門位置傳感器，由于輸出電壓信號，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，需通過與ADC0809轉換器上的IN0、IN1、IN2進行A/D轉換。發動機傳感器輸出的是脈沖信號，輸入單片機時無需進行A/D轉換，所以與單片機的P3.0端口相連，利用T0外部中斷計數來測量轉速。車速傳感器信號通過串口傳送給單片機。

1.2 ECU模塊

設計的核心處理器采用51系列單片機89C51。89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,主要由一個8位CPU，4個8位并行I/O口P0-P3，片內RAM，片內ROM，兩個或三個定時計數器，5個中斷源，一個串行I/O口，由片內振蕩器和時鐘產生器組成的單片機主屏。由于多個傳感器的輸出信號為電信號，需要ADC0809轉換器進行模數轉換。它是由 8路模擬開關、8位A/D轉換器、三態輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等組成。

1.3 驅動裝置模塊

如圖2所示，本設計通過一系列脈沖信號(占空比)，即脈沖信號來控制直流電機，通過改變電機扭矩來驅動節氣門，從而改變節氣門開度。

圖1 直流電機的原理結構圖

2 硬件設計

圖2 系統主要電路連接圖

系統的總體工作原理電路圖如圖3所示，傳感器信號經信號處理電路通過ADC0809轉換器IN0，IN1，IN2端口輸入單片機的采集通道，單片機根據采集到的信號，在ECU中進行比較，輸出控制指令經 P1端口輸出，通過直流電機驅動電路，電機動作實現對節氣門開度的控制。

3 軟件設計

圖4主程序框圖所示，n表示由發動機轉速傳感器采集到的數值，即實際轉速；n’表示處于怠速狀態下的冷卻水溫度對應的轉速，即最佳怠速轉速。a表示節氣門位置傳感器采集到的節氣門開度，即實際節氣門開度；而 a’則表示該狀態下油門踏板踩下時所對應的節氣門開度，即理想節氣門開度。v表示車速傳感器采集到的車速，即實際車速值；而v’則表示在該狀態下的巡航設定值，即理想車速值。

圖3 主程序框圖

4 軟件及硬件仿真

圖4 節氣門正轉仿真界面

圖5 節氣門反轉仿真界面

圖6 節氣門不轉仿真界面

圖7 節氣門反轉硬件仿真

本文在Keil軟件仿真，分別對x1節氣門位置值；x2油門踏板位置值；x3冷卻水溫度值；x4巡航控制系統車速設定值；x5發動機轉速；x6車速；進行賦值。改變賦值情況，仿真結果也會相應改變。Keil仿真結果如下圖所示，從右到左打鉤表示節氣門正轉，從左到右打鉤表示節氣門反轉，不打鉤表示節氣門不轉，打鉤個數表示節氣門開度大小。硬件仿真在DICE-5212K多功能單片機實驗箱完成，首先根據電路圖將89C51和A/D轉換接口用標配實驗連接線相連，用可調電壓來模擬傳感器數值的變化，用撥動開關打開與否來表示是否有巡航設定，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發光二極管輸出模塊上模擬節氣門的正反轉。實驗箱上的仿真結果如下圖所示，LED燈不亮代表節氣門不轉動，從左到右亮一個代表節氣門反方向轉動，反之，則正轉。

圖8 節氣門正轉硬件仿真

圖9 節氣門不轉硬件仿真

5 結束語

本文基于89C51單片機對發動機節氣門開度控制系統進行了軟件硬件設計，該系統不但可以提高汽車燃油經濟性，減少排放，而且實現怠速控制、巡航控制和車輛穩定控制等的集成，簡化了控制系統結構。