汽車智能節(jié)油系統(tǒng)的研制

郭帥等

摘 要：該設(shè)計(jì)利用了單片機(jī)技術(shù)開發(fā)研制了汽車智能控制節(jié)油。通過對汽車的檔位、油門踏板位置和汽車即時(shí)速度的采集和處理，分析車的行駛狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車供油量，充分利用汽車的慣性能行駛，減少不必要的油料供給，減輕了駕駛者的負(fù)擔(dān)，更達(dá)到節(jié)油環(huán)保的目的。設(shè)備工作可靠，自動(dòng)化程度高，預(yù)計(jì)節(jié)油率大于10%。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；油門；89C51；速度檢測；節(jié)油

前言

當(dāng)前，國內(nèi)外對節(jié)能汽車方面的研究大多是改進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用代替燃料，研制高效發(fā)動(dòng)機(jī)（直噴式柴油機(jī)），提高傳動(dòng)效率，通過改進(jìn)汽車外形降低空氣阻力，同時(shí)也運(yùn)用了像溫度傳感器，大氣壓力傳感器，氧氣傳感器等一些靈敏的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后通過微型處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況計(jì)算出噴油量進(jìn)行節(jié)約油量[1]。這些智能控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，并形成了一套相當(dāng)完善的汽車節(jié)能理論。

但由于駕駛技術(shù)的不成熟，猛加油次數(shù)和急速起步，以及頻繁剎車會(huì)產(chǎn)生大量不必要的油料供給，根據(jù)資料顯示，猛加油比輕緩加油多消耗30%的油量，急速起步一次會(huì)多耗油10ml，中速行駛不滑行比中速行駛多滑行多耗油30%，中等噸位的汽車以滑代剎一次節(jié)油50ML。汽車滿載在平坦良好的路面上行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率僅達(dá)到40～50%，例如東風(fēng)EQ1090E汽油車滿載時(shí)加速滑行的節(jié)油率達(dá)16.72～11.81%，空載時(shí)節(jié)油率為22.37～21.32%[6]。

本研究旨在通過采集汽車的檔位、油門踏板位置和汽車的即時(shí)速度，通過單片機(jī)微控制器自動(dòng)調(diào)整汽車的供油量充分利用汽車的慣性能行駛，減少不必要大的燃油消耗，提高汽車的負(fù)荷率，達(dá)到節(jié)約燃油的目的。

1 研究方案及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 研究方案

研究中汽車的檔位信息、油門踏板位置和汽車的即時(shí)速度，分別通過傳感器采集得到相應(yīng)的數(shù)字或模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理模塊整理得到可靠的數(shù)字信號(hào)，最終傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理分析。單片機(jī)經(jīng)過處理分析后對油量控制模塊發(fā)送信號(hào)，從而自動(dòng)調(diào)整油量供給。因此信號(hào)的采集與處理和微處理程序的設(shè)計(jì)與編制是研究的重點(diǎn)。

在程序設(shè)計(jì)中，油量調(diào)節(jié)的依據(jù)主要是根據(jù)以下方法實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)通過采集到的汽車油門踏板深度和檔位信息，得出在當(dāng)前狀態(tài)下汽車的理論速度V0，當(dāng)采集到的即時(shí)車速V逐漸升值理論速度V0后，同時(shí)保持在5s內(nèi)汽車的油門踏板深度和檔位并沒有發(fā)生變化，則單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，控制閥門工作，將油量供給調(diào)制最低，此時(shí)汽車在慣性的作用繼續(xù)在一定的速度下前進(jìn)，但車速逐漸降低，當(dāng)即時(shí)車速V降至V1時(shí)（V0大于V1），單片機(jī)再一次向閥門發(fā)出信號(hào)，閥門恢復(fù)供油管路的暢通，正常供油后車速逐漸上升，直至回到V0，當(dāng)車速在V0的狀態(tài)下保持至少5s后，單片機(jī)再次向閥門發(fā)出信號(hào)，停止供油，如此反復(fù)。

1.2 相關(guān)硬件和軟件的選取

該研究為設(shè)計(jì)的探索階段，因此采用電動(dòng)試驗(yàn)車代替內(nèi)燃機(jī)車，相應(yīng)的油量供給由電壓供給來代替。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材和軟件由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：（1）多功能試驗(yàn)車；（2）并行開關(guān)組（模擬檔位）；（3）滑動(dòng)變阻器（模擬油門踏板深度）；（4）歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器（用于采集即時(shí)速度）；（5）0804 A/D轉(zhuǎn)換器；（6）AT89C51單片機(jī)；（7）Proteus軟件（進(jìn)行編程和電路的前期模擬實(shí)驗(yàn)）；（8）導(dǎo)線、輔助材料等。該研究的成品如圖1所示。

2 信號(hào)的采集與處理

該研究采集信號(hào)包括油門踏板位置、檔位位置和即時(shí)速度三組信號(hào)，其信號(hào)的產(chǎn)生和采集方法如下。

2.1 油門信號(hào)

油門踏板信號(hào)采用滑動(dòng)變阻器分壓來模擬踏板深度，在一個(gè)20歐姆的滑動(dòng)變阻器兩端加6伏直流電壓，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值，就可以產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的電壓信號(hào)，以模擬供油量的大小。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給單片機(jī)的P0口。單片機(jī)通過接收到的數(shù)字信號(hào)，對其數(shù)值進(jìn)行分類編碼，為后期檔位與油門的組合匹配出理論速度做好準(zhǔn)備。

2.2 檔位信號(hào)

檔位信號(hào)采用通斷開關(guān)來模擬檔位位置，研究中主要測試汽車二檔、三檔、四檔、五檔四個(gè)檔位，因此采用四個(gè)通斷開關(guān)，利用其通斷狀態(tài)來模擬檔位的接入和退出，且同一時(shí)間段只能有一個(gè)開關(guān)是接通的，由于各自均接5V電壓，因此產(chǎn)生的電壓通斷信號(hào)直接送入單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四個(gè)端口連接，如圖2 所示。考慮到開關(guān)通斷的信號(hào)抖動(dòng)問題，在軟件編制中對四個(gè)管腳采集的信號(hào)進(jìn)行軟件去抖處理。采集到的穩(wěn)定檔位信號(hào)與油門編碼信號(hào)進(jìn)行組合，重新進(jìn)行分類編碼處理，通過組合編碼計(jì)算對應(yīng)的理論速度V0，存入相應(yīng)的儲(chǔ)存單元，為后期與實(shí)際速度V比對做好準(zhǔn)備。

2.3 速度信號(hào)

研究中的速度信號(hào)的采集采用光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)車車輪每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)采集六個(gè)脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)通過單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器P3.4（T0）口傳給單片機(jī)，單片機(jī)在每接收一個(gè)脈沖信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷申請，根據(jù)定時(shí)器T1檢測兩脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，記為t，設(shè)試驗(yàn)車車輪半徑為d，則可計(jì)算出試驗(yàn)車的行進(jìn)速度v為：

試驗(yàn)車即時(shí)速度V與通過油門踏板和檔位信息計(jì)算的理論速度V0進(jìn)行比對，并根據(jù)檔位和油門踏板的穩(wěn)定性等綜合考慮，對滿足節(jié)油條件的行駛狀態(tài)進(jìn)行油量供給智能調(diào)節(jié)。

3 程序?qū)崿F(xiàn)方法

3.1 程序流程圖如圖3。

3.2 程序結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

單片機(jī)啟動(dòng)，開始運(yùn)行主程序，初始設(shè)置和賦初始值，其主要操作是，設(shè)置IE中斷允許，設(shè)置中斷優(yōu)先，設(shè)IP，并設(shè)置TCON，TMOD定時(shí)計(jì)數(shù)器觸發(fā)方式；以及TH，TL裝載初值TH1 #00H .TL1 #00H .，這一步讓計(jì)數(shù)器的高八位與低八位的初始值為零，然后賦值TH0 #0FFH .TL0 #0FFH這一步是為了T0寄存器的高八位與低八位初始值為零；當(dāng)速度信號(hào)的第一個(gè)脈沖來時(shí)，T0寄存器溢出，主程序中斷，保護(hù)斷點(diǎn)，執(zhí)行中斷程序，計(jì)數(shù)器TH0.TL0開始計(jì)數(shù)，使TR1為1，斷點(diǎn)恢復(fù)，執(zhí)行主程序；當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖來時(shí)，此時(shí)TR1為1，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，假設(shè)計(jì)數(shù)定時(shí)器時(shí)間為t，并將計(jì)數(shù)器定時(shí)器TH1.TL1計(jì)時(shí)值分別送入28H，29H單元；因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)的光電開關(guān)有六個(gè)孔，即汽車每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生六個(gè)脈沖，所以可得出實(shí)際速度為：

檔位編碼是將檔位信號(hào)送至P2.0～P2.3，單片機(jī)接收并儲(chǔ)存數(shù)字信號(hào)至32H單元，油門信號(hào)編碼是將由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的油門信號(hào)送至單片機(jī)P1口，單片機(jī)接收到信號(hào)后對其進(jìn)行比較編碼，并將編碼存儲(chǔ)到33H單元；當(dāng)油門和檔位信號(hào)接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進(jìn)行整合，再次對整合碼進(jìn)行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲(chǔ)到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當(dāng)?shù)贸隼碚撆c實(shí)際速度后將它兩進(jìn)行比較，若實(shí)際速度小于等于理論速度時(shí)，端口P0.0無信號(hào)。一旦實(shí)際速度大于理論速度，端口P0.0有信號(hào)，油門斷開。一直這樣不斷執(zhí)行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號(hào)，核算出實(shí)際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運(yùn)行。

該產(chǎn)品經(jīng)多數(shù)次的調(diào)試與改進(jìn)，最終滿足了目標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真和實(shí)物最終調(diào)試檢測，該系統(tǒng)可接收速度信號(hào)、檔位信號(hào)、油門踏板信號(hào)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析，最終實(shí)現(xiàn)在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進(jìn)行智能控制，達(dá)到節(jié)油環(huán)保的目的。至此該研究的技術(shù)問題已基本解決，功能也達(dá)到預(yù)期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號(hào)和電機(jī)震動(dòng)等產(chǎn)生的外部干擾信號(hào)沒有進(jìn)行屏蔽保護(hù)，會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。為此后續(xù)研究仍需要找一些有關(guān)克服這些影響的方法，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)將該系統(tǒng)裝載在真正的汽車上，讓其到達(dá)節(jié)油降耗的最終目的。

參考文獻(xiàn)

[1]賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]陳禮 ，杜愛民，陳明.汽車節(jié)能技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]祖國海，高宏偉.汽車修理工國家職業(yè)資格證書取證問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]陸際清，劉崢，莊人雋.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)讓聊供給與調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]謝龍漢，莫衍.電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6]熊云，胥立紅，鐘遠(yuǎn)利.汽車節(jié)能技術(shù)原理應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]劉和平，劉躍，魯順昌.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)制專業(yè)2011級(jí)在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教師，從事機(jī)電一體化研究。

檔位編碼是將檔位信號(hào)送至P2.0～P2.3，單片機(jī)接收并儲(chǔ)存數(shù)字信號(hào)至32H單元，油門信號(hào)編碼是將由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的油門信號(hào)送至單片機(jī)P1口，單片機(jī)接收到信號(hào)后對其進(jìn)行比較編碼，并將編碼存儲(chǔ)到33H單元；當(dāng)油門和檔位信號(hào)接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進(jìn)行整合，再次對整合碼進(jìn)行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲(chǔ)到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當(dāng)?shù)贸隼碚撆c實(shí)際速度后將它兩進(jìn)行比較，若實(shí)際速度小于等于理論速度時(shí)，端口P0.0無信號(hào)。一旦實(shí)際速度大于理論速度，端口P0.0有信號(hào)，油門斷開。一直這樣不斷執(zhí)行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號(hào)，核算出實(shí)際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運(yùn)行。

該產(chǎn)品經(jīng)多數(shù)次的調(diào)試與改進(jìn)，最終滿足了目標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真和實(shí)物最終調(diào)試檢測，該系統(tǒng)可接收速度信號(hào)、檔位信號(hào)、油門踏板信號(hào)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析，最終實(shí)現(xiàn)在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進(jìn)行智能控制，達(dá)到節(jié)油環(huán)保的目的。至此該研究的技術(shù)問題已基本解決，功能也達(dá)到預(yù)期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號(hào)和電機(jī)震動(dòng)等產(chǎn)生的外部干擾信號(hào)沒有進(jìn)行屏蔽保護(hù)，會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。為此后續(xù)研究仍需要找一些有關(guān)克服這些影響的方法，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)將該系統(tǒng)裝載在真正的汽車上，讓其到達(dá)節(jié)油降耗的最終目的。

參考文獻(xiàn)

[1]賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]陳禮 ，杜愛民，陳明.汽車節(jié)能技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]祖國海，高宏偉.汽車修理工國家職業(yè)資格證書取證問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]陸際清，劉崢，莊人雋.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)讓聊供給與調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]謝龍漢，莫衍.電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6]熊云，胥立紅，鐘遠(yuǎn)利.汽車節(jié)能技術(shù)原理應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]劉和平，劉躍，魯順昌.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)制專業(yè)2011級(jí)在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教師，從事機(jī)電一體化研究。

檔位編碼是將檔位信號(hào)送至P2.0～P2.3，單片機(jī)接收并儲(chǔ)存數(shù)字信號(hào)至32H單元，油門信號(hào)編碼是將由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的油門信號(hào)送至單片機(jī)P1口，單片機(jī)接收到信號(hào)后對其進(jìn)行比較編碼，并將編碼存儲(chǔ)到33H單元；當(dāng)油門和檔位信號(hào)接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進(jìn)行整合，再次對整合碼進(jìn)行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲(chǔ)到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當(dāng)?shù)贸隼碚撆c實(shí)際速度后將它兩進(jìn)行比較，若實(shí)際速度小于等于理論速度時(shí)，端口P0.0無信號(hào)。一旦實(shí)際速度大于理論速度，端口P0.0有信號(hào)，油門斷開。一直這樣不斷執(zhí)行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號(hào)，核算出實(shí)際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運(yùn)行。

該產(chǎn)品經(jīng)多數(shù)次的調(diào)試與改進(jìn)，最終滿足了目標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真和實(shí)物最終調(diào)試檢測，該系統(tǒng)可接收速度信號(hào)、檔位信號(hào)、油門踏板信號(hào)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析，最終實(shí)現(xiàn)在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進(jìn)行智能控制，達(dá)到節(jié)油環(huán)保的目的。至此該研究的技術(shù)問題已基本解決，功能也達(dá)到預(yù)期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號(hào)和電機(jī)震動(dòng)等產(chǎn)生的外部干擾信號(hào)沒有進(jìn)行屏蔽保護(hù)，會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。為此后續(xù)研究仍需要找一些有關(guān)克服這些影響的方法，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)將該系統(tǒng)裝載在真正的汽車上，讓其到達(dá)節(jié)油降耗的最終目的。

參考文獻(xiàn)

[1]賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]陳禮 ，杜愛民，陳明.汽車節(jié)能技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]祖國海，高宏偉.汽車修理工國家職業(yè)資格證書取證問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]陸際清，劉崢，莊人雋.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)讓聊供給與調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]謝龍漢，莫衍.電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6]熊云，胥立紅，鐘遠(yuǎn)利.汽車節(jié)能技術(shù)原理應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]劉和平，劉躍，魯順昌.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)制專業(yè)2011級(jí)在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教師，從事機(jī)電一體化研究。