黨喜國(guó)，孔超

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，智能化已成為科技發(fā)展的新方向。新一代汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)將集中表現(xiàn)在智能信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、通信技術(shù)的應(yīng)用。

2007年，Honda節(jié)能競(jìng)技大賽落戶于中國(guó)，意義在于提高社會(huì)的節(jié)能環(huán)保和激發(fā)學(xué)生們的科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)，以燃油消耗最少者獲勝。在這一背景下，總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，所以本文作者主要研究運(yùn)用智能信息技術(shù)采集各種信息，降低賽車(chē)油耗，取得好成績(jī)。

1 信息采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采集的信息包括車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、節(jié)氣門(mén)位置、GPS位置、數(shù)據(jù)記錄與處理等。其中車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別采用霍爾式傳感器和磁感應(yīng)式傳感器，其頻率分別控制在0～100 Hz和0～400 Hz；為了讓汽油霧化和空氣混合充分，以達(dá)到更好的燃燒效果，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度控制在70～120 ℃之間；GPS定位信息是由專用的GPS模塊接收和輸送；濾波器的作用是防止噪聲信號(hào)干擾，通過(guò)電壓的變化來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將信號(hào)輸送到單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過(guò)UART口輸送到計(jì)算機(jī)。以上傳感器電壓均在5 V以內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介

針對(duì)于本田125 mL低油耗4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，智能信息采集系統(tǒng)中央處理器采用AT89S52 單片機(jī)，為ColdFire單片機(jī)系列的一種，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。主要特點(diǎn)如下：

(1)該單片機(jī)電路芯片面積小，代碼的密度高，擁有靈活的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得此系統(tǒng)具有高靈活性、高精度、高效率的解決方案。

(2)MCS-51器件有單獨(dú)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以64 kB尋址。此存取能夠在1個(gè)周期內(nèi)完成，并且速率較高。

(3)8 kB的Flash， 32 位I/O端口線。

(4)具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其A/D轉(zhuǎn)換頻率為5 MHz。

(5)三通道32位的DMA定時(shí)器，內(nèi)部有3個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)可編程看門(mén)狗定時(shí)器。

(6)有6個(gè)中斷源：2個(gè)外部中斷(INT0 和INT1)，3個(gè)定時(shí)中斷(定時(shí)器0、1、2)和1個(gè)串行中斷。

因賽規(guī)要求，車(chē)輛智能搭載一個(gè)蓄電池來(lái)提供必要的電力(總電量不高于3 Ah 12 V)。將AT89S52 設(shè)計(jì)為可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式，從而保證完成比賽。

以上這些特點(diǎn)使得AT89S52 單片機(jī)具有強(qiáng)大的功能，能夠采集到比賽時(shí)所需要的信息，并且可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況狀態(tài)來(lái)調(diào)試數(shù)據(jù)，更進(jìn)一步地提升成績(jī)。

1.2 濾波器的設(shè)計(jì)

能在比賽中取得最好的成績(jī)，關(guān)鍵在于有一套適合本田125 mL低油耗4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)最佳狀態(tài)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是智能信息采集系統(tǒng)的基本要求。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲大和車(chē)的晃動(dòng)量導(dǎo)致傳感器接頭不穩(wěn)定，直接影響信息采集的準(zhǔn)確性，使得數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試分析，最終確定出該系統(tǒng)的誤差在于起步點(diǎn)火、高速行駛、大負(fù)荷工況下、停車(chē)等因素。因此，在此系統(tǒng)中加入了濾波器，主要目的是降低信號(hào)的干擾。

濾波器是節(jié)能車(chē)智能信息采集系統(tǒng)的重要組成之一，并具有一定的傳輸信號(hào)的處理裝置，同時(shí)可以有效濾除外界信號(hào)的干擾，從而保證了信息采集的可靠性。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 濾波器電路

1.3 信息采集及信息處理

1.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息采集與處理

因Honda節(jié)能競(jìng)技大賽比的是燃油經(jīng)濟(jì)性，在規(guī)定的時(shí)間和里程內(nèi)完成比賽，最后以燃油消耗量最少為獲勝者。發(fā)動(dòng)機(jī)是整車(chē)的核心部分，決定著比賽的失敗與成功，因此智能信息采集系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，控制著發(fā)動(dòng)機(jī)的起停、離合器的分離?？梢詫l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)位置、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等其他信號(hào)通過(guò)傳感器輸送給計(jì)算機(jī)，將得到的數(shù)據(jù)記錄與處理。這樣起著兩種作用：(1)數(shù)據(jù)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)自動(dòng)改變，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳狀態(tài)，以最少的燃油消耗量行駛；(2)數(shù)據(jù)記錄，可以進(jìn)行分析、處理、顯示、保存等。駕駛員通過(guò)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的連接，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的工況參數(shù)，并制定一套新的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)當(dāng)中，后續(xù)駕駛員可以繼續(xù)調(diào)整操作方式。此系統(tǒng)用于2018年比賽中，最終獲得653.58 km/L的成績(jī)。圖3是采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)的信息。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的分析

從圖3可以看出：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量是由溫度、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等參數(shù)決定的。

(2)此系統(tǒng)適用于125 mL低油耗4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.3.2 車(chē)速信息采集與處理

按照賽規(guī)要求，行駛距離為10 379 m，規(guī)定時(shí)間24分54秒34內(nèi)完成比賽，且平均速度須在25 km/h以上。為了減少燃油消耗量，賽車(chē)主要靠滑行行駛，所以作者研究了一套加速策略，要求比賽中點(diǎn)火次數(shù)在16次以內(nèi)效果最佳，點(diǎn)火次數(shù)的數(shù)量取決于車(chē)速。在提高車(chē)速準(zhǔn)確性的情況下選用兩個(gè)霍爾式傳感器檢測(cè)車(chē)速，利用磁場(chǎng)頻率將車(chē)速信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的車(chē)速信號(hào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，從而保證了車(chē)在行駛時(shí)的安全性。車(chē)速信息采集原理如圖4所示。

圖4 車(chē)速信息采集原理圖

1.3.3 GPS信息采集與處理

根據(jù)比賽環(huán)境，賽車(chē)需要一個(gè)高精度的定位跟蹤器，最終選用GT300型8核升級(jí)版定位跟蹤器。它及時(shí)顯示出節(jié)能車(chē)的位置，還能記錄賽車(chē)所消耗的時(shí)間，及時(shí)反饋給駕駛員調(diào)整加速策略，使得提高燃油經(jīng)濟(jì)性?？紤]到節(jié)能車(chē)的安全性，當(dāng)車(chē)行駛到彎道時(shí)有自動(dòng)語(yǔ)音提醒，提高操作安全性。該模塊以4 Hz的頻率向單片機(jī)傳輸信息，由于功能較多，單片機(jī)利用GPRMC格式將信息提取和解碼，然后傳輸給各執(zhí)行器。其定位工作原理如圖5所示。

圖5 位置信息采集原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

GPS信息和車(chē)速等信息都有指定的模塊接收，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速設(shè)計(jì)了單片機(jī)計(jì)算流程圖，如圖6所示。

此程序以每秒的中斷個(gè)數(shù)來(lái)獲得所需要的頻率，并在輸送標(biāo)志位為1的情況下，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有方波信號(hào)上升即可開(kāi)始計(jì)數(shù)，將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后傳輸給計(jì)算機(jī)顯示。

圖6 流程圖

3 結(jié)論

該智能信息采集系統(tǒng)完全適用于改動(dòng)后的125 mL低油耗四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工況和賽道狀況以及在比賽過(guò)程中所需要信息的采集要求。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該系統(tǒng)具有安全性、可靠性、科學(xué)性、先進(jìn)性的特點(diǎn)，并且成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。