本田节能车智能信息采集系统

党喜国，孔超

(天津职业技术师范大学，天津 300222)

0 引言

进入新世纪以来，科学技术迅速发展，智能化已成为科技发展的新方向。新一代汽车研究与开发将集中表现在智能信息技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、通信技术的应用。

2007年，Honda节能竞技大赛落户于中国，意义在于提高社会的节能环保和激发学生们的科学创新意识，以燃油消耗最少者获胜。在这一背景下，总结以往的经验来控制发动机的数据至关重要，所以本文作者主要研究运用智能信息技术采集各种信息，降低赛车油耗，取得好成绩。

1 信息采集系统的硬件结构设计

该系统采集的信息包括车速信号、发动机转速、发动机温度、节气门位置、GPS位置、数据记录与处理等。其中车速和发动机转速分别采用霍尔式传感器和磁感应式传感器，其频率分别控制在0～100 Hz和0～400 Hz；为了让汽油雾化和空气混合充分，以达到更好的燃烧效果，发动机工作温度控制在70～120 ℃之间；GPS定位信息是由专用的GPS模块接收和输送；滤波器的作用是防止噪声信号干扰，通过电压的变化来调整数据的准确性。将信号输送到单片机进行处理，最后通过UART口输送到计算机。以上传感器电压均在5 V以内。系统结构设计如图1所示。

图1 信息采集系统结构

1.1 AT89S52 单片机简介

针对于本田125 mL低油耗4冲程发动机，智能信息采集系统中央处理器采用AT89S52 单片机，为ColdFire单片机系列的一种，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 kB在系统可编程Flash存储器。主要特点如下：

(1)该单片机电路芯片面积小，代码的密度高，拥有灵活的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得此系统具有高灵活性、高精度、高效率的解决方案。

(2)MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64 kB寻址。此存取能够在1个周期内完成，并且速率较高。

(3)8 kB的Flash， 32 位I/O端口线。

(4)具有12位的模数转换器，其A/D转换频率为5 MHz。

(5)三通道32位的DMA定时器，内部有3个16位定时器和1个可编程看门狗定时器。

(6)有6个中断源：2个外部中断(INT0 和INT1)，3个定时中断(定时器0、1、2)和1个串行中断。

因赛规要求，车辆智能搭载一个蓄电池来提供必要的电力(总电量不高于3 Ah 12 V)。将AT89S52 设计为可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式，从而保证完成比赛。

以上这些特点使得AT89S52 单片机具有强大的功能，能够采集到比赛时所需要的信息，并且可以根据发动机的工况状态来调试数据，更进一步地提升成绩。

1.2 滤波器的设计

能在比赛中取得最好的成绩，关键在于有一套适合本田125 mL低油耗4冲程发动机最佳状态时准确的数据，因此，数据的准确性是智能信息采集系统的基本要求。由于发动机的噪声大和车的晃动量导致传感器接头不稳定，直接影响信息采集的准确性，使得数据多次出现误差。经过实车测试分析，最终确定出该系统的误差在于起步点火、高速行驶、大负荷工况下、停车等因素。因此，在此系统中加入了滤波器，主要目的是降低信号的干扰。

滤波器是节能车智能信息采集系统的重要组成之一，并具有一定的传输信号的处理装置，同时可以有效滤除外界信号的干扰，从而保证了信息采集的可靠性。具体电路设计如图2所示。

图2 滤波器电路

1.3 信息采集及信息处理

1.3.1 发动机状态信息采集与处理

因Honda节能竞技大赛比的是燃油经济性，在规定的时间和里程内完成比赛，最后以燃油消耗量最少为获胜者。发动机是整车的核心部分，决定着比赛的失败与成功，因此智能信息采集系统起着关键作用，控制着发动机的起停、离合器的分离。可以将发动机转速、节气门位置、发动机温度等其他信号通过传感器输送给计算机，将得到的数据记录与处理。这样起着两种作用：(1)数据可以根据发动机的状态自动改变，使发动机达到最佳状态，以最少的燃油消耗量行驶；(2)数据记录，可以进行分析、处理、显示、保存等。驾驶员通过计算机与单片机的连接，观察发动机在不同负荷下的工况参数，并制定一套新的数据传输到单片机当中，后续驾驶员可以继续调整操作方式。此系统用于2018年比赛中，最终获得653.58 km/L的成绩。图3是采集到的发动机的信息。

图3 发动机数据的分析

从图3可以看出：

(1)发动机的喷油量是由温度、节气门开度等参数决定的。

(2)此系统适用于125 mL低油耗4冲程发动机，在原来的基础上提高了发动机的工作效率以及数据的准确性和稳定性。

1.3.2 车速信息采集与处理

按照赛规要求，行驶距离为10 379 m，规定时间24分54秒34内完成比赛，且平均速度须在25 km/h以上。为了减少燃油消耗量，赛车主要靠滑行行驶，所以作者研究了一套加速策略，要求比赛中点火次数在16次以内效果最佳，点火次数的数量取决于车速。在提高车速准确性的情况下选用两个霍尔式传感器检测车速，利用磁场频率将车速信号传递给单片机，单片机根据设定的车速信号控制发动机的启停，从而保证了车在行驶时的安全性。车速信息采集原理如图4所示。

图4 车速信息采集原理图

1.3.3 GPS信息采集与处理

根据比赛环境，赛车需要一个高精度的定位跟踪器，最终选用GT300型8核升级版定位跟踪器。它及时显示出节能车的位置，还能记录赛车所消耗的时间，及时反馈给驾驶员调整加速策略，使得提高燃油经济性。考虑到节能车的安全性，当车行驶到弯道时有自动语音提醒，提高操作安全性。该模块以4 Hz的频率向单片机传输信息，由于功能较多，单片机利用GPRMC格式将信息提取和解码，然后传输给各执行器。其定位工作原理如图5所示。

图5 位置信息采集原理图

2 软件设计

GPS信息和车速等信息都有指定的模块接收，结合发动机转速和车速设计了单片机计算流程图，如图6所示。

此程序以每秒的中断个数来获得所需要的频率，并在输送标志位为1的情况下，当系统检测到有方波信号上升即可开始计数，将检测到的信号经过单片机处理后传输给计算机显示。

图6 流程图

3 结论

该智能信息采集系统完全适用于改动后的125 mL低油耗四冲程发动机工况和赛道状况以及在比赛过程中所需要信息的采集要求。经过多次测试，该系统具有安全性、可靠性、科学性、先进性的特点，并且成本较低，结构简单，维修方便。