基于STC89C52單片機的摩托車定速巡航系統(tǒng)

王拓，曲文敬，吳蓬勃

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊，050031）

0 引言

摩托車定速巡航系統(tǒng)一般是廠家專門為某款車型定制，基本沒有通用型的改裝套件，即使沒有廠家生產(chǎn)，摩托車愛好者們還是想出不少辦法，例如在達到需要的車速時往加油手柄的空隙處塞硬幣或者木棍，以達到油門鎖止的目的實現(xiàn)定速行駛，但是這樣做十分危險，一旦遇到緊急情況往往會造成剎車不及，同時在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速的情況下緊急剎車有可能會造成發(fā)動機缸體拉傷等不可逆轉(zhuǎn)的嚴重損傷，對駕駛?cè)说纳踩约澳ν熊嚨氖褂脡勖斐珊艽髶p失。針對這種現(xiàn)狀本文設(shè)計這款基于STC89C52單片機的摩托車定速巡航系統(tǒng)，實現(xiàn)了摩托車的自動定速行駛、車速控制功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、動作可靠、安裝簡易等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文的摩托車定速巡航系統(tǒng)硬件設(shè)計分為四個部分分別為：單片機控制系統(tǒng)、霍爾傳感器測速系統(tǒng)、電子離合器、舵機調(diào)速系統(tǒng)、顯示屏等部分。軟件編寫基于硬件設(shè)計，包括測速函數(shù)，定速函數(shù)，舵機控制函數(shù)，PID調(diào)速函數(shù)、屏幕顯示函數(shù)等部分。

摩托車進入行駛狀態(tài)后，定速巡航系統(tǒng)開始運行，安裝在前輪的霍爾測速器測得車輪轉(zhuǎn)動一圈所需的時間，從而測得此時車速，并將車速實時顯示，單片機檢測定速巡航按鍵是否按動，如果按動會將此時測得車速設(shè)置為巡航車速，當增速或減速按鍵按下，系統(tǒng)后會修改巡航車速。此時電子離合器通電將摩托車油門拉桿與舵機之間的連接鎖止，使得舵機可以控制油門拉桿的轉(zhuǎn)動角度?；魻枩y速器實時測量車速，單片機控制系統(tǒng)計算實時車速與設(shè)定車速的差，采用PID算法控制舵機轉(zhuǎn)動角度維持車速穩(wěn)定。當巡航按鍵、離合器手柄、剎車手柄、剎車腳踏任意一個狀態(tài)發(fā)生改變時，電子離合器斷電，切斷舵機與油門拉桿的連接，此時摩托車恢復(fù)手動控制。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 摩托車定速巡航系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機選型

系統(tǒng)的控制核心為單片機，其選型需要綜合性能與成本進行考慮，最終選用STC公司生產(chǎn)的89C52單片機，該單片機為MCS-51內(nèi)核的8位單片機，具有8k字節(jié)Flash存儲空間，512字節(jié)RAM，具有32個可編程I/O口，看門狗定時器，內(nèi)置3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。最高運作頻率35MHz，6T/12T工作模式可選。

綜合考慮本系統(tǒng)所需硬件資源為一個定時器用來測量車速， I/O口分別與繼電器、舵機、顯示屏、定速開關(guān)、車輛離合、剎車開關(guān)連接，該單片機完全滿足要求。運算能力方面本系統(tǒng)只需進行簡單的PID運算，即使單片機采用12M晶振，工作在12T模式運算速度也完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求還有較大裕量。因此無需采用價格昂貴的ARM內(nèi)核單片機，可以大幅降低成本。

STC89C52單片機工作電壓為5V，摩托車電池電壓為12V，本系統(tǒng)采用LM7805三端穩(wěn)壓器將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓為系統(tǒng)供電。單片機控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 單片機控制系統(tǒng)原理圖

2.2 測速傳感器與油門開度執(zhí)行器設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)定速巡航需要測量實時車速，傳統(tǒng)摩托車的測速系統(tǒng)普遍為機械測速，前輪轉(zhuǎn)動時通過測速線帶動機械速度表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)從而測得車速，即使車輛采用電子速度計也需對原車儀表通信協(xié)議進行解碼，獲取難度較大。因此本套系統(tǒng)采用外置傳感器采集實時車速，測速傳感器選擇較多，較為常見的是采用測速編碼器，但是該傳感器需要車輪帶動測速頭轉(zhuǎn)動，需要對摩托車前輪進行改裝增加復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，為了降低成本系統(tǒng)采用非接觸的霍爾傳感器進行速度測量。

本文選用的霍爾傳感器共三個引腳分別為VCC、GND、OUT，VCC、GND引腳與7805三端穩(wěn)壓器輸出端與GND連接，初始狀態(tài)下OUT引腳輸出為高電平，當探頭附近出現(xiàn)磁性物體時輸出低電平，當磁性物體遠離探頭時又恢復(fù)高電平，只需將OUT引腳與單片機P3.2外部中斷口連接即可實現(xiàn)測速。本系統(tǒng)中霍爾傳感器安裝在摩托車前叉處，在摩托車輪轂上安裝有一片磁鐵，安裝示意圖如圖3所示。車輪每次轉(zhuǎn)動都會產(chǎn)生一個低電平觸發(fā)中斷，記錄兩次外部中斷的間隔時間即可獲取車輪轉(zhuǎn)速，從而獲取實時車速。

圖3 安裝示意圖

油門開度執(zhí)行器的硬件設(shè)計為定速循環(huán)系統(tǒng)能否正常工作的核心，舵機為了獲取大扭矩，內(nèi)部采用多組減速齒輪，不通電狀態(tài)轉(zhuǎn)動舵機搖臂需要較大的力，如果將油門拉桿與舵機搖臂進行剛性連接，在非定速巡航狀態(tài)舵機會嚴重阻礙油門拉桿轉(zhuǎn)動，造成油門手柄無法控制油門拉桿轉(zhuǎn)動，本系統(tǒng)采用電磁離合器解決這一問題。

電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離，線圈通電時產(chǎn)生磁力，在電磁力的作用下，使銜鐵的彈簧片產(chǎn)生變形，動盤與”銜鐵”吸合在一起，離合器處于接合狀態(tài);線圈斷電時，磁力消失，”銜鐵”在彈簧片彈力的作用下彈回，離合器處于分離狀態(tài)。因此需要在定速巡航時電磁離合器將油門拉桿與舵機鎖止使得舵機可以控制油門拉桿旋轉(zhuǎn)，當退出定速巡航模式時電磁離合分離，油門拉桿斷開與舵機的連接，油門拉桿可以自由旋轉(zhuǎn)，使得舵機不會阻礙油門手柄對油門拉桿的控制，其連接示意圖如圖4所示。

圖4 連接示意圖

舵機采用10KG大扭力舵機共有三根引線，紅色為電源棕色為GND，黃色為信號線。需要控制舵機時只需通過單片機I/O口向舵機信號線輸出PWM波即可控制舵機在某個角度保持扭矩。PWM波由單片機定時器產(chǎn)生，當控制系統(tǒng)發(fā)出指令，讓舵機移動到某一位置，并讓他保持這個角度，這時外力的影響不會讓其旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生變化，但是這個是有上限的，上限就是他的最大扭力。

本系統(tǒng)選用的電磁離合器工作電壓為直流24V,功率為3W，有兩根導線分別為正極與負極，該元件工作電壓高、功率大因此無法通過單片機引腳對其直接控制因此采用繼電器控制其通斷電，從而控制它的接合與分離。工作電壓為24V但是摩托車電池電壓為12V，因此需要升壓電路，考慮到轉(zhuǎn)換效率與成本本系統(tǒng)采用SX1308芯片作為升壓方案，SX1308是一款固定頻率，SOT23-6封裝的電流模式升壓器，具有1.2MHz的工作頻率，并且內(nèi)置軟啟動，轉(zhuǎn)換效率最高可達97%,內(nèi)部電流限制為4A完全滿足驅(qū)動電磁離合器的參數(shù)要求。

定速巡航模式的進入與退出由系統(tǒng)的巡航按鍵與車輛的離合器手柄，剎車手柄，以及剎車踏板控制。巡航按鍵一端與單片機IO口連接另一端與GND連接較為簡單，按鍵按下會給單片機低電平信號。但是想實現(xiàn)拉動車輛的離合器手柄、剎車手柄以及剎車踏板給單片機信號退出巡航模式需要了解摩托車本身電路。拉動離合器手柄、剎車手柄以及剎車踏板時摩托車剎車燈均會亮起，通過分析摩托車電路可知離合器手柄、剎車手柄以及剎車踏板內(nèi)部均有開關(guān)，一端與剎車燈負極連接，另一端與電池負極連接，當拉動離合器手柄、剎車手柄以及剎車踏板時開關(guān)接通，點亮剎車燈，因此只需要將剎車燈負極與單片機外部中斷I/O口進行連接即可，為了保護單片機不受電流沖擊，此處增加光耦進行隔離。測速傳感器與油門開度執(zhí)行器的總體電路原理圖如圖5所示。各個功能引腳連接如表1所示。

圖5 總體電路原理圖

表1 功能引腳連接表

3 摩托車定速巡航系統(tǒng)軟件設(shè)計

定速巡航系統(tǒng)采用C語言進行程序編寫，開發(fā)環(huán)境為Keil4。系統(tǒng)工作的流程為：設(shè)備上電后對系統(tǒng)進行初始化，初始化工作包括三個部分分別定時器/計數(shù)器初始化、顯示屏初始化與舵機復(fù)位，隨后開始進行實時車速測量并將車速進行顯示，之后判斷定速巡航按鍵是否按下，如果按下，設(shè)定巡航車速，電磁離合器接合，舵機根據(jù)PID算法輸出結(jié)果控制油門拉桿開度控制車速，此時檢測加減速按鍵是否按動，如果按動更改巡航速度設(shè)定，如果巡航按鍵離合器手柄、剎車手柄以及剎車踏板任意一個的狀態(tài)發(fā)生變化則退出巡航模式，程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

速度測量采用定時器中斷方式，設(shè)置定時器每1ms進入一次定時器中斷，中斷服務(wù)函數(shù)中變量timmer_number加1。測速霍爾傳感器OUT引腳與單片機外部中斷輸入引腳連接，車輪轉(zhuǎn)動一圈進入一次外部中斷，進入外部中斷后獲取timmer_number的值即可得知車輪轉(zhuǎn)動一圈所需的時間為timmer_number毫秒，根據(jù)車輪周長即可測得車輛實時速度，獲取實時速度后將timmer_number值歸零。以本次使用的摩托車為例，型號為“雅馬哈JYM250”前輪輪胎規(guī)格為90/90-18，周長為1944.3mm，例如進入200次定時器中斷后進入一次外部中斷，即為車輪轉(zhuǎn)動一圈所需時間為200ms得實時車速為34.99km/h。此次使用兩種中斷，為了保證測速精度，程序中設(shè)置外部中斷優(yōu)先級高于定時器中斷優(yōu)先級。

加入PID算法的作用是為了增強摩托定速的精度與調(diào)節(jié)速度，PID算法共有三個參數(shù)Kp、Ki、Kd它們的作用分別是加快調(diào)節(jié)速度、減小誤差、調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能，考慮到本系統(tǒng)設(shè)計目標，以快速精確為主因此只采用PI算法，降低了參數(shù)整定難度。為了簡化代碼，降低運算量，提高控制精度，筆者采用增量形式，其公式可由式1推導得出：

由式1可得控制的K-1個采樣時刻輸出為：

將式1與式2相減即可得到式3既增量PI公式：

式3中參數(shù)A、B為式4：

由公式3、4可知只需確定T值，既單片機的采樣周期，且獲取A、B兩次的測量的偏差值即可獲取輸出。

在定速巡航過程中為了保證安全與控制精確性，系統(tǒng)中設(shè)置只有車速高于35km/h時才會啟動定速巡航，經(jīng)過計算當車速為35km/h時測速所需時間為200ms，留出適當裕量，在此設(shè)置采樣周期為250ms。位置式PID算法的輸出結(jié)果為增量，因此在進行控制前需要將增量轉(zhuǎn)化為控制量使得舵機控制油門拉桿開度實現(xiàn)速度穩(wěn)定。

舵機的驅(qū)動方式為PWM控制，PWM為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過控制脈沖的寬度來模擬所需波形，可通過I/O口進行輸出，只需控制I/O口的高低電平持續(xù)時間即可，有多種方式可以實現(xiàn)，最簡單方法是直接控制I/O輸出高電平，使用軟件延時，再輸出低電平，使用軟件延時。但是此種方法存在一個嚴重問題，軟件延時原理是通過自加自減運算消耗CPU運算時間。軟件延時期間CPU除了中斷外無法處理其他信息，同時在CPU進行其他運算時無法產(chǎn)生PWM波，因此筆者采用定時器中斷產(chǎn)生相應(yīng)高低電平，通過中斷實現(xiàn)相應(yīng)的多任務(wù)并行運行。相對于測速時用到的兩個中斷，PWM的高低電平持續(xù)時間以毫秒為單位，PWM中斷等待測速兩個中斷完成并不會對舵機運行造成影響，因此筆者將產(chǎn)生PWM的定時器中斷優(yōu)先級設(shè)置為最低。

退出巡航模式有兩種方式，一為按動巡航按鍵，既單片機進行端口輸入檢測此代碼較為簡單，在此不再贅述。二為拉動離合器手柄、剎車手柄、剎車踏板中的任意一個，此操作一般為緊急情況，為了保證安全性需要此操作不受正在執(zhí)行代碼的干擾因此采用外部中斷方式，拉動離合器手柄、剎車手柄、剎車踏板剎車燈亮起單片機外部中斷引腳輸入低電平，觸發(fā)外部中斷。筆者認為將單片機進行軟件復(fù)位是最有效的最安全的退出方式。軟件復(fù)位方式采用的是把程序轉(zhuǎn)到地址0去執(zhí)行，本系統(tǒng)沒有Boot load程序開始地址為0x0000。在keil C51下面可以這樣實現(xiàn)：

只需要在外部中斷中調(diào)用 soft_reset();函數(shù)即可實現(xiàn)軟件復(fù)位，提高系統(tǒng)響應(yīng)性能，提高了安全性。

4 結(jié)語

本文描述了一款基于STC89C52單片機的摩托車定速巡航系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，整個系統(tǒng)分為單片機控制系統(tǒng)、油門開度執(zhí)行器兩個部分，通過霍爾測速傳感器獲取車輛實時速度，通過電磁離合器以及大扭矩舵機控制油門拉桿開度，從而實現(xiàn)摩托車在定速狀態(tài)下的車速穩(wěn)定。實踐證明該系統(tǒng)性能優(yōu)良，安全性出眾，結(jié)構(gòu)簡單，對車輛本身結(jié)構(gòu)幾乎沒有改動適合推廣應(yīng)用。