基于STM8的汽車閥門控制技術

樊沛林　易映萍　周豪　李蓉受　張英偉

摘? 要： 目前汽車在出廠時，汽車的排氣系統只能在回壓排氣和直通排氣系統中選擇一種排氣方式，二者的優點不可兼得。文中在介紹控制汽車閥門技術的基礎上，設計了一種以STM8S003F3單片機及無線射頻技術為核心的汽車排氣系統控制裝置，包括系統硬件電路和軟件系統。由射頻的遙控發出信號，STM8S003F3單片機負責處理接收的信號，處理后傳輸到繼電器進而控制閥門的開關。實驗及測試結果表明，該裝置實現了控制閥門排氣的功能，并提高了使用的安全性。

關鍵詞： 排氣閥門;RF無線射頻;STM8S003F3單片機;電機堵轉保護;多編碼芯片解碼

中圖分類號： TP391.8? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.012

本文著錄格式：樊沛林，易映萍，周豪，等. 基于STM8的汽車閥門控制技術[J]. 軟件，2019，40（7）：6771

【Abstract】： After the completion of the vehicle， the vehicle can only choose one of the backpressure exhaust system and the direct exhaust system as its own exhaust system. The advantages of both exhaust modes cant be combined. On the basis of introducing the control technology of automobile valve， A control device of automobile exhaust system based on STM8S003F3 microcontroller and radio frequency technology is designed. The design covers both hardware circuits and software systems. Radio frequency remote control sends out signals. The STM8S003F3 microcontroller processes the received signal， then controls the relay and then controls the valve switch. The experimental and test results show that the device realizes the function of controlling valve exhaust and improves the safety in use.

【Key words】： Exhaust valve; RF radio frequency; STM8S003F3 microcontroller; Motor shutoff protection; Multi-coding chip decoding

0? 引言

安裝在汽車排氣管尾部，可變閥門排氣系統[1]通過合理切換回壓排氣和直通排氣方式，使用戶既能夠享受激昂排氣聲浪帶來的刺激駕駛感受，又可以在駕車時免受排氣聲浪[2]帶來的煩惱。而且讓車主能夠根據自己使用的喜好下進行選擇，滿足駕駛者的駕駛需求。因為傳統紅外遙控方式使用時需要保證遙控發射器和接收設備處于一定的角度范圍，中間不能有任何障礙物。如果將紅外遙控方式用于汽車尾部，用戶無法在車內進行高效的控制，給用戶的使用帶來不便。本文所設計的排氣閥門的控制裝置是利用了RF無線射頻[3]和多編碼芯片解碼技術[4]實現遙控控制電機狀態的功能。用遙控器發射特定的編碼，接收電路能夠捕獲由遙控器發射的射頻編碼信號，將編碼信號傳輸給微處理器，當微處理器接收到信號后，經解碼，根據解碼指令，控制電機執行相應的操作。

1? 排氣閥門控制技術的硬件設計

1.1? 系統方案

整車控制系統中排氣閥門的控制技術采用模塊化設計[5]，它的硬件結構由STM8單片機模塊，信號發送及接收模塊，雙路繼電器模塊，供電電路模塊[6]和電流保護電路模塊組成。系統原理：由無線射頻遙控模塊負責將信號的發出給接收模塊，接收模塊接收到后交由STM8單片機處理信號，STM8單片機負責對鍵值信息進行解碼，進而去控制雙路繼電器模塊使得閥門開與閉;STM8單片機還負責對鍵值的學習和記錄，閥門控制系統框圖如圖1所示。

1.2? 信號發送及接收模塊

該模塊采用無線射頻遙控控制方式[7]，無線射頻遙控方式其中運用的無線射頻技術中的電波具有繞射和穿透的特性[8]，只要在有效工作范圍內，無線設備就可以不受角度、方向和障礙物而自由使用，其較紅外遙控技術更適用于在車內使用。系統通過按下學習鍵進行4個鍵值控制內容為閥門全開，閥門全關，閥門微調開與微調關的學習與記錄，并且接收模塊對遙控發出的信號有篩選性，可保證系統的安全性能，即使同類型遙控不經過系統的學習也無法進行控制。如圖2為信號發送模塊的原理圖，信號發送按鍵對應圖中的開關K0、K1、K2、K3，在按鍵未按下時，4個對應引腳均處于斷開狀態，當對應的按鍵按下后，接通對應的電路，對應電路中的二極管的相鄰端也就接受到了高電平而導通，引腳就會接受到電流而發出相應的信號。接收模塊原理圖如圖3所示，P1為其外部引腳部分，原理圖部分J1為其天線，即其信號采集端，由電感L2及電容C8的數值選擇其可接收的頻率值，根據公式

可計算出需要匹配的數值，用來限制接收模塊的接受頻率。

1.3? 主控芯片STM8及閥門控制模塊

本系統采用STM8單片機，自帶存儲器，不需外置儲存芯片，使得整個系統小巧便捷，便于在汽車上安裝使用。如圖4為STM8單片機原理圖，表1為其各引腳功能圖。

閥門控制模塊采用的使汽車級繼電器，通過雙路開關的電路控制，達到控制閥門電機的正轉與反轉。圖5為雙路繼電器模塊電路圖，該雙路繼電器模塊中K1、K2分別接單片機的PC4、PC5口，接收單片機傳來的數據，通過控制兩個開關K1、K2對2、3口的接觸狀態進行電機正轉和反轉的控制，當K1接到3后，電流接通P1的1號口，控制閥門的正轉;當K2接到3后，電流接通P1的2號口，

可控制閥門的反轉。P1、P2分別為車內12 V電源接入端及閥門接入端。

1.4? 過流保護模塊

系統采用高精度運放STM358進行對電路的電流保護電路，當閥門因堵轉而產生過大的電流時，會超出預定設置輸出給單片機的電壓范圍，單片機收到電流過大的數據時通過控制閥門的電壓值使其停止工作，使其達到安全穩定的效果。圖6為電流保護電路，VI口連接雙路繼電器模塊，以實時檢測電機中電流的大小。A1口接入單片機的PC3口，將電壓數據傳入單片機。

2? 系統軟件的設計

系統軟件采用模塊化設計[9]。整個系統分為若干模塊，最頂層模塊為主程序模塊，其次為學習按鍵檢測模塊，電機超時保護模塊，定時器中斷模塊。

2.1? 主程序模塊

當閥門控制系統接通電源時，首先對STM8S初始化，接著主程序不斷循環執行學習按鍵檢測和電機超時保護這兩個模塊，如圖7所示。

2.2? 學習按鍵檢測模塊

學習按鍵檢測流程如圖8所示。首先判斷學習按鍵是否按下，如果按鍵按下，進行按鍵消抖，然后將學習標志位置1并點亮紅色LED燈，表示進入學習狀態，此時如果松開按鍵則會紅燈滅，并將有效編碼標志位置0再進入遙控按鍵學習模塊，學習完成后學習標志位置0，結束;如果按鍵按下超過10秒，會經過按鍵消抖，學習標志位置1，紅燈亮，然后將學習標志位置0后進行遙控器按鍵記憶的清除，完成后紅燈滅，結束。

2.3? 定時器中斷模塊

定時器中斷流程如圖9所示，首先進行射頻解碼[10-11]，然后判斷連續兩幀的編碼是否相同，相同則有效編碼位置1，然后判斷學習標志位與有效編

碼標志位是否都為1，都為1則判斷該有效編碼是否記憶過，記憶過則進行編碼控制，最后進行電機輸出控制，結束。

射頻解碼部分程序的設計思路：對接收管腳的高低電平持續時間進行記錄，首先判斷該次脈沖高低電平時間是否符合同步碼波形，如果符合同步碼波形則開始臨時接收接下來的23位編碼，如果不符合則繼續判斷下一次脈沖是否為同步碼;23位編碼的接收則需要判斷同步碼后的23次脈沖的高低電平時間來判斷，其中編碼為“1”還是為“0”根據編碼時序圖10進行判斷。

編碼控制部分的設計思路：取出收到的有效且記憶過編碼的數據碼，跟據遙控器碼表圖11進行按鍵判斷，判斷后執行該按鍵按下應執行的操作，即改變繼電器狀態和電機輸出時間。

3? 實驗驗證

3.1? 遙控器參數

本裝置使用RF04無線遙控器，發射頻率為433M HZ，編碼時序同EV1527[12]，如圖10，發射信號波形圖如圖12，RF04碼表圖如圖11。

RF04波形說明：

同步碼：低電平時間：0.4 ms? ?高電平時間：12.4 ms

數據“1”：高電平時間：1.2 ms? ?低電平時間：0.4 ms

數據“0”：高電平時間：0.4 ms? ?低電平時間：1.2 ms

3.2? 驗證結果

波形測試點：與接收模塊數據輸出端DATA相連的STM8S芯片接收管腳。

測試按鍵：圖11碼表圖中紅框按鍵從上到下分別為K1、K2、K3、K4。

測試結果：RFO4遙控器按下K1、 K3后的對應波形圖如圖13、圖14，K2、K2波形省略;由波形圖得到K1、K2、K3、K4對應數據碼為：05、08、0b、0e，該數據碼與圖11碼表圖中數據碼相同，說明發射模塊與接收模塊的設計符合系統要求。

4? 結束語

本文主要從硬件和軟件兩個方面，介紹了基于無線射頻技術的汽車排氣閥門控制系統。通過對整個系統硬件與軟件的設計，經過實驗驗證，成功達到了預期的效果。其中遙控自學習功能和電極防堵轉功能使整個系統具有使用安全的優點，舊遙控記憶可清除，并且可同時記憶10個遙控器使整個系統操作起來十分方便。本裝置只是可以人為主觀控制閥門排氣，未來可以通過汽車速度來智能控制閥門狀態，有待進一步研究，具有推廣前景。本文所涉及的無線信號的發送和接收技術方法可應用于其它無線控制場合，具有一定的工程應用價值。

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