基于51单片机节气门开度控制系统设计

2018-07-26景露霞李小山杜明轩

汽车实用技术 2018年13期

景露霞，李小山，杜明轩

（1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064；2.长安大学建工学院，陕西西安 710064）

引言

随着人民对对汽车的安全性、舒适性和环保性等性能要求的提高，汽车的电子控制技术应运而生，汽车产业也进入汽车电子化时代。目前，许多国际汽车巨头如丰田、通用等，大多都普遍地将电子控制技术应用到汽车产业上。作为车辆控制与安全系统的关键技术之一的电子节气门控制技术备受重视。本文基于89C51单片机对发动机节气门开度控制系统进行了设计，可以使节气门在怠速，汽车正常行驶及巡航状态下都处于最佳开度，提高汽车的动力性和经济性。

1 节气门开度控制系统总体设计

本设计以51单片机为基础，设计节气门开度控制系统,已期达到针对不同工况能使节气门保持在最佳开度的目的。系统包括系统前端的传感器、ECU、执行器。当各个传感器的信号经A/D转换或者直接被采集到51单片机里后，ECU此时对采集的数值进行计算，并输出相应的占空比来改变直流电机的扭矩以驱动节气门，从而达到改变节气门开度的目的，完成对汽车怠速状态，巡航车速控制状态和正常行驶状态时节气门开度的控制。

1.1 传感器模块

本文节气门开度控制系统设计中节气门位置传感器采用线性节气门位置传感器，由于输出电压信号，油门踏板位置传感器和冷却水温度传感器输出的也是电压信号，需通过与ADC0809转换器上的IN0、IN1、IN2进行A/D转换。发动机传感器输出的是脉冲信号，输入单片机时无需进行A/D转换，所以与单片机的P3.0端口相连，利用T0外部中断计数来测量转速。车速传感器信号通过串口传送给单片机。

1.2 ECU模块

设计的核心处理器采用51系列单片机89C51。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,主要由一个8位CPU，4个8位并行I/O口P0-P3，片内RAM，片内ROM，两个或三个定时计数器，5个中断源，一个串行I/O口，由片内振荡器和时钟产生器组成的单片机主屏。由于多个传感器的输出信号为电信号，需要ADC0809转换器进行模数转换。它是由 8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。

1.3 驱动装置模块

如图2所示，本设计通过一系列脉冲信号(占空比)，即脉冲信号来控制直流电机，通过改变电机扭矩来驱动节气门，从而改变节气门开度。

图1 直流电机的原理结构图

2 硬件设计

图2 系统主要电路连接图

系统的总体工作原理电路图如图3所示，传感器信号经信号处理电路通过ADC0809转换器IN0，IN1，IN2端口输入单片机的采集通道，单片机根据采集到的信号，在ECU中进行比较，输出控制指令经 P1端口输出，通过直流电机驱动电路，电机动作实现对节气门开度的控制。

3 软件设计

图4主程序框图所示，n表示由发动机转速传感器采集到的数值，即实际转速；n’表示处于怠速状态下的冷却水温度对应的转速，即最佳怠速转速。a表示节气门位置传感器采集到的节气门开度，即实际节气门开度；而 a’则表示该状态下油门踏板踩下时所对应的节气门开度，即理想节气门开度。v表示车速传感器采集到的车速，即实际车速值；而v’则表示在该状态下的巡航设定值，即理想车速值。

图3 主程序框图

4 软件及硬件仿真

图4 节气门正转仿真界面

图5 节气门反转仿真界面

图6 节气门不转仿真界面

图7 节气门反转硬件仿真

本文在Keil软件仿真，分别对x1节气门位置值；x2油门踏板位置值；x3冷却水温度值；x4巡航控制系统车速设定值；x5发动机转速；x6车速；进行赋值。改变赋值情况，仿真结果也会相应改变。Keil仿真结果如下图所示，从右到左打钩表示节气门正转，从左到右打钩表示节气门反转，不打钩表示节气门不转，打钩个数表示节气门开度大小。硬件仿真在DICE-5212K多功能单片机实验箱完成，首先根据电路图将89C51和A/D转换接口用标配实验连接线相连，用可调电压来模拟传感器数值的变化，用拨动开关打开与否来表示是否有巡航设定，在4*6矩阵键盘模块上模拟从串口输入的车速值，在8位LED发光二极管输出模块上模拟节气门的正反转。实验箱上的仿真结果如下图所示，LED灯不亮代表节气门不转动，从左到右亮一个代表节气门反方向转动，反之，则正转。