本田節(jié)能車智能信息采集系統(tǒng)

黨喜國，孔超

(天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222)

0 引言

進入新世紀以來，科學技術迅速發(fā)展，智能化已成為科技發(fā)展的新方向。新一代汽車研究與開發(fā)將集中表現(xiàn)在智能信息技術、計算機技術、智能自動化技術、人工智能技術、通信技術的應用。

2007年，Honda節(jié)能競技大賽落戶于中國，意義在于提高社會的節(jié)能環(huán)保和激發(fā)學生們的科學創(chuàng)新意識，以燃油消耗最少者獲勝。在這一背景下，總結以往的經(jīng)驗來控制發(fā)動機的數(shù)據(jù)至關重要，所以本文作者主要研究運用智能信息技術采集各種信息，降低賽車油耗，取得好成績。

1 信息采集系統(tǒng)的硬件結構設計

該系統(tǒng)采集的信息包括車速信號、發(fā)動機轉速、發(fā)動機溫度、節(jié)氣門位置、GPS位置、數(shù)據(jù)記錄與處理等。其中車速和發(fā)動機轉速分別采用霍爾式傳感器和磁感應式傳感器，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，以達到更好的燃燒效果，發(fā)動機工作溫度控制在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干擾，通過電壓的變化來調(diào)整數(shù)據(jù)的準確性。將信號輸送到單片機進行處理，最后通過UART口輸送到計算機。以上傳感器電壓均在5 V以內(nèi)。系統(tǒng)結構設計如圖1所示。

圖1 信息采集系統(tǒng)結構

1.1 AT89S52 單片機簡介

針對于本田125 mL低油耗4沖程發(fā)動機，智能信息采集系統(tǒng)中央處理器采用AT89S52 單片機，為ColdFire單片機系列的一種，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存儲器。主要特點如下：

(1)該單片機電路芯片面積小，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器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64 kB尋址。此存取能夠在1個周期內(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)轉換器，其A/D轉換頻率為5 MHz。

(5)三通道32位的DMA定時器，內(nèi)部有3個16位定時器和1個可編程看門狗定時器。

(6)有6個中斷源：2個外部中斷(INT0 和INT1)，3個定時中斷(定時器0、1、2)和1個串行中斷。

因賽規(guī)要求，車輛智能搭載一個蓄電池來提供必要的電力(總電量不高于3 Ah 12 V)。將AT89S52 設計為可降至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。

以上這些特點使得AT89S52 單片機具有強大的功能，能夠采集到比賽時所需要的信息，并且可以根據(jù)發(fā)動機的工況狀態(tài)來調(diào)試數(shù)據(jù)，更進一步地提升成績。

1.2 濾波器的設計

能在比賽中取得最好的成績，關鍵在于有一套適合本田125 mL低油耗4沖程發(fā)動機最佳狀態(tài)時準確的數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)的準確性是智能信息采集系統(tǒng)的基本要求。由于發(fā)動機的噪聲大和車的晃動量導致傳感器接頭不穩(wěn)定，直接影響信息采集的準確性，使得數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)誤差。經(jīng)過實車測試分析，最終確定出該系統(tǒng)的誤差在于起步點火、高速行駛、大負荷工況下、停車等因素。因此，在此系統(tǒng)中加入了濾波器，主要目的是降低信號的干擾。

濾波器是節(jié)能車智能信息采集系統(tǒng)的重要組成之一，并具有一定的傳輸信號的處理裝置，同時可以有效濾除外界信號的干擾，從而保證了信息采集的可靠性。具體電路設計如圖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)動機狀態(tài)信息采集與處理

因Honda節(jié)能競技大賽比的是燃油經(jīng)濟性，在規(guī)定的時間和里程內(nèi)完成比賽，最后以燃油消耗量最少為獲勝者。發(fā)動機是整車的核心部分，決定著比賽的失敗與成功，因此智能信息采集系統(tǒng)起著關鍵作用，控制著發(fā)動機的起停、離合器的分離?？梢詫l(fā)動機轉速、節(jié)氣門位置、發(fā)動機溫度等其他信號通過傳感器輸送給計算機，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)動機的狀態(tài)自動改變，使發(fā)動機達到最佳狀態(tài)，以最少的燃油消耗量行駛；(2)數(shù)據(jù)記錄，可以進行分析、處理、顯示、保存等。駕駛員通過計算機與單片機的連接，觀察發(fā)動機在不同負荷下的工況參數(shù)，并制定一套新的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C當中，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。圖3是采集到的發(fā)動機的信息。

圖3 發(fā)動機數(shù)據(jù)的分析

從圖3可以看出：

(1)發(fā)動機的噴油量是由溫度、節(jié)氣門開度等參數(shù)決定的。

(2)此系統(tǒng)適用于125 mL低油耗4沖程發(fā)動機，在原來的基礎上提高了發(fā)動機的工作效率以及數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。

1.3.2 車速信息采集與處理

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，要求比賽中點火次數(shù)在16次以內(nèi)效果最佳，點火次數(shù)的數(shù)量取決于車速。在提高車速準確性的情況下選用兩個霍爾式傳感器檢測車速，利用磁場頻率將車速信號傳遞給單片機，單片機根據(jù)設定的車速信號控制發(fā)動機的啟停，從而保證了車在行駛時的安全性。車速信息采集原理如圖4所示。

圖4 車速信息采集原理圖

1.3.3 GPS信息采集與處理

根據(jù)比賽環(huán)境，賽車需要一個高精度的定位跟蹤器，最終選用GT300型8核升級版定位跟蹤器。它及時顯示出節(jié)能車的位置，還能記錄賽車所消耗的時間，及時反饋給駕駛員調(diào)整加速策略，使得提高燃油經(jīng)濟性?？紤]到節(jié)能車的安全性，當車行駛到彎道時有自動語音提醒，提高操作安全性。該模塊以4 Hz的頻率向單片機傳輸信息，由于功能較多，單片機利用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 軟件設計

GPS信息和車速等信息都有指定的模塊接收，結合發(fā)動機轉速和車速設計了單片機計算流程圖，如圖6所示。

此程序以每秒的中斷個數(shù)來獲得所需要的頻率，并在輸送標志位為1的情況下，當系統(tǒng)檢測到有方波信號上升即可開始計數(shù)，將檢測到的信號經(jīng)過單片機處理后傳輸給計算機顯示。

圖6 流程圖

3 結論

該智能信息采集系統(tǒng)完全適用于改動后的125 mL低油耗四沖程發(fā)動機工況和賽道狀況以及在比賽過程中所需要信息的采集要求。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)具有安全性、可靠性、科學性、先進性的特點，并且成本較低，結構簡單，維修方便。