汽車智能節油系統的研制

郭帥等

摘 要：該設計利用了單片機技術開發研制了汽車智能控制節油。通過對汽車的檔位、油門踏板位置和汽車即時速度的采集和處理，分析車的行駛狀態，自動調節汽車供油量，充分利用汽車的慣性能行駛，減少不必要的油料供給，減輕了駕駛者的負擔，更達到節油環保的目的。設備工作可靠，自動化程度高，預計節油率大于10%。

關鍵詞：單片機；油門；89C51；速度檢測；節油

前言

當前，國內外對節能汽車方面的研究大多是改進傳統發動機，采用代替燃料，研制高效發動機（直噴式柴油機），提高傳動效率，通過改進汽車外形降低空氣阻力，同時也運用了像溫度傳感器，大氣壓力傳感器，氧氣傳感器等一些靈敏的傳感器進行數據收集，然后通過微型處理器根據發動機的不同工況計算出噴油量進行節約油量[1]。這些智能控制技術已經相當發達，并形成了一套相當完善的汽車節能理論。

但由于駕駛技術的不成熟，猛加油次數和急速起步，以及頻繁剎車會產生大量不必要的油料供給，根據資料顯示，猛加油比輕緩加油多消耗30%的油量，急速起步一次會多耗油10ml，中速行駛不滑行比中速行駛多滑行多耗油30%，中等噸位的汽車以滑代剎一次節油50ML。汽車滿載在平坦良好的路面上行駛，發動機的負荷率僅達到40～50%，例如東風EQ1090E汽油車滿載時加速滑行的節油率達16.72～11.81%，空載時節油率為22.37～21.32%[6]。

本研究旨在通過采集汽車的檔位、油門踏板位置和汽車的即時速度，通過單片機微控制器自動調整汽車的供油量充分利用汽車的慣性能行駛，減少不必要大的燃油消耗，提高汽車的負荷率，達到節約燃油的目的。

1 研究方案及實現方法

1.1 研究方案

研究中汽車的檔位信息、油門踏板位置和汽車的即時速度，分別通過傳感器采集得到相應的數字或模擬信號，經過信號處理模塊整理得到可靠的數字信號，最終傳輸給單片機進行處理分析。單片機經過處理分析后對油量控制模塊發送信號，從而自動調整油量供給。因此信號的采集與處理和微處理程序的設計與編制是研究的重點。

在程序設計中，油量調節的依據主要是根據以下方法實現，單片機通過采集到的汽車油門踏板深度和檔位信息，得出在當前狀態下汽車的理論速度V0，當采集到的即時車速V逐漸升值理論速度V0后，同時保持在5s內汽車的油門踏板深度和檔位并沒有發生變化，則單片機發出信號，控制閥門工作，將油量供給調制最低，此時汽車在慣性的作用繼續在一定的速度下前進，但車速逐漸降低，當即時車速V降至V1時（V0大于V1），單片機再一次向閥門發出信號，閥門恢復供油管路的暢通，正常供油后車速逐漸上升，直至回到V0，當車速在V0的狀態下保持至少5s后，單片機再次向閥門發出信號，停止供油，如此反復。

1.2 相關硬件和軟件的選取

該研究為設計的探索階段，因此采用電動試驗車代替內燃機車，相應的油量供給由電壓供給來代替。相應的實驗器材和軟件由以下幾個部分構成：（1）多功能試驗車；（2）并行開關組（模擬檔位）；（3）滑動變阻器（模擬油門踏板深度）；（4）歐姆龍旋轉編碼器（用于采集即時速度）；（5）0804 A/D轉換器；（6）AT89C51單片機；（7）Proteus軟件（進行編程和電路的前期模擬實驗）；（8）導線、輔助材料等。該研究的成品如圖1所示。

2 信號的采集與處理

該研究采集信號包括油門踏板位置、檔位位置和即時速度三組信號，其信號的產生和采集方法如下。

2.1 油門信號

油門踏板信號采用滑動變阻器分壓來模擬踏板深度，在一個20歐姆的滑動變阻器兩端加6伏直流電壓，通過改變滑動變阻器的阻值，就可以產生一個連續的電壓信號，以模擬供油量的大小。通過A/D轉換模塊轉換成數字信號，傳輸給單片機的P0口。單片機通過接收到的數字信號，對其數值進行分類編碼，為后期檔位與油門的組合匹配出理論速度做好準備。

2.2 檔位信號

檔位信號采用通斷開關來模擬檔位位置，研究中主要測試汽車二檔、三檔、四檔、五檔四個檔位，因此采用四個通斷開關，利用其通斷狀態來模擬檔位的接入和退出，且同一時間段只能有一個開關是接通的，由于各自均接5V電壓，因此產生的電壓通斷信號直接送入單片機的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四個端口連接，如圖2 所示?？紤]到開關通斷的信號抖動問題，在軟件編制中對四個管腳采集的信號進行軟件去抖處理。采集到的穩定檔位信號與油門編碼信號進行組合，重新進行分類編碼處理，通過組合編碼計算對應的理論速度V0，存入相應的儲存單元，為后期與實際速度V比對做好準備。

2.3 速度信號

研究中的速度信號的采集采用光電開關實現，實驗車車輪每轉一圈就會采集六個脈沖信號，此脈沖信號通過單片機的定時器/計數器P3.4（T0）口傳給單片機，單片機在每接收一個脈沖信號就會產生一個中斷申請，根據定時器T1檢測兩脈沖信號之間的時間間隔，記為t，設試驗車車輪半徑為d，則可計算出試驗車的行進速度v為：

試驗車即時速度V與通過油門踏板和檔位信息計算的理論速度V0進行比對，并根據檔位和油門踏板的穩定性等綜合考慮，對滿足節油條件的行駛狀態進行油量供給智能調節。

3 程序實現方法

3.1 程序流程圖如圖3。

3.2 程序結構及實現方法

單片機啟動，開始運行主程序，初始設置和賦初始值，其主要操作是，設置IE中斷允許，設置中斷優先，設IP，并設置TCON，TMOD定時計數器觸發方式；以及TH，TL裝載初值TH1 #00H .TL1 #00H .，這一步讓計數器的高八位與低八位的初始值為零，然后賦值TH0 #0FFH .TL0 #0FFH這一步是為了T0寄存器的高八位與低八位初始值為零；當速度信號的第一個脈沖來時，T0寄存器溢出，主程序中斷，保護斷點，執行中斷程序，計數器TH0.TL0開始計數，使TR1為1，斷點恢復，執行主程序；當第二個脈沖來時，此時TR1為1，計數器停止計數，假設計數定時器時間為t，并將計數器定時器TH1.TL1計時值分別送入28H，29H單元；因為該設計的光電開關有六個孔，即汽車每轉一圈產生六個脈沖，所以可得出實際速度為：

檔位編碼是將檔位信號送至P2.0～P2.3，單片機接收并儲存數字信號至32H單元，油門信號編碼是將由A/D轉換器產生的油門信號送至單片機P1口，單片機接收到信號后對其進行比較編碼，并將編碼存儲到33H單元；當油門和檔位信號接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進行整合，再次對整合碼進行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當得出理論與實際速度后將它兩進行比較，若實際速度小于等于理論速度時，端口P0.0無信號。一旦實際速度大于理論速度，端口P0.0有信號，油門斷開。一直這樣不斷執行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號，核算出實際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運行。

該產品經多數次的調試與改進，最終滿足了目標要求。

4 結束語

根據仿真和實物最終調試檢測，該系統可接收速度信號、檔位信號、油門踏板信號，并根據采集到的數據，進行計算分析，最終實現在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進行智能控制，達到節油環保的目的。至此該研究的技術問題已基本解決，功能也達到預期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號和電機震動等產生的外部干擾信號沒有進行屏蔽保護，會對系統的穩定性有一定的影響。為此后續研究仍需要找一些有關克服這些影響的方法，增強系統的穩定性。最終實現將該系統裝載在真正的汽車上，讓其到達節油降耗的最終目的。

參考文獻

[1]賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]陳禮 ，杜愛民，陳明.汽車節能技術[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]祖國海，高宏偉.汽車修理工國家職業資格證書取證問答[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]陸際清，劉崢，莊人雋.汽車發動機讓聊供給與調節[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]謝龍漢，莫衍.電子電路設計及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

[6]熊云，胥立紅，鐘遠利.汽車節能技術原理應用[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]劉和平，劉躍，魯順昌.單片機原理及應用[M].重慶：重慶大學出版社，2001.

[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機械與動力工程學院機制專業2011級在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機械與動力工程學院教師，從事機電一體化研究。

檔位編碼是將檔位信號送至P2.0～P2.3，單片機接收并儲存數字信號至32H單元，油門信號編碼是將由A/D轉換器產生的油門信號送至單片機P1口，單片機接收到信號后對其進行比較編碼，并將編碼存儲到33H單元；當油門和檔位信號接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進行整合，再次對整合碼進行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當得出理論與實際速度后將它兩進行比較，若實際速度小于等于理論速度時，端口P0.0無信號。一旦實際速度大于理論速度，端口P0.0有信號，油門斷開。一直這樣不斷執行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號，核算出實際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運行。

該產品經多數次的調試與改進，最終滿足了目標要求。

4 結束語

根據仿真和實物最終調試檢測，該系統可接收速度信號、檔位信號、油門踏板信號，并根據采集到的數據，進行計算分析，最終實現在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進行智能控制，達到節油環保的目的。至此該研究的技術問題已基本解決，功能也達到預期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號和電機震動等產生的外部干擾信號沒有進行屏蔽保護，會對系統的穩定性有一定的影響。為此后續研究仍需要找一些有關克服這些影響的方法，增強系統的穩定性。最終實現將該系統裝載在真正的汽車上，讓其到達節油降耗的最終目的。

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[4]陸際清，劉崢，莊人雋.汽車發動機讓聊供給與調節[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]謝龍漢，莫衍.電子電路設計及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

[6]熊云，胥立紅，鐘遠利.汽車節能技術原理應用[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]劉和平，劉躍，魯順昌.單片機原理及應用[M].重慶：重慶大學出版社，2001.

[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機械與動力工程學院機制專業2011級在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機械與動力工程學院教師，從事機電一體化研究。

檔位編碼是將檔位信號送至P2.0～P2.3，單片機接收并儲存數字信號至32H單元，油門信號編碼是將由A/D轉換器產生的油門信號送至單片機P1口，單片機接收到信號后對其進行比較編碼，并將編碼存儲到33H單元；當油門和檔位信號接收完后，將32H，33H單元的檔位，油門編碼進行整合，再次對整合碼進行理論速度值比較查找，并將速度理論值存儲到R6寄存器中，這樣就可以得出理論速度。

當得出理論與實際速度后將它兩進行比較，若實際速度小于等于理論速度時，端口P0.0無信號。一旦實際速度大于理論速度，端口P0.0有信號，油門斷開。一直這樣不斷執行程序，通過接收到的速度，檔位和油門信號，核算出實際與理論速度，并不停的比較，這樣就可以保持汽車的速度再理論的速度上運行。

該產品經多數次的調試與改進，最終滿足了目標要求。

4 結束語

根據仿真和實物最終調試檢測，該系統可接收速度信號、檔位信號、油門踏板信號，并根據采集到的數據，進行計算分析，最終實現在不影響汽車正常行駛的條件下對汽車的供油量進行智能控制，達到節油環保的目的。至此該研究的技術問題已基本解決，功能也達到預期效果。

目前的研究對諸如外界電磁信號和電機震動等產生的外部干擾信號沒有進行屏蔽保護，會對系統的穩定性有一定的影響。為此后續研究仍需要找一些有關克服這些影響的方法，增強系統的穩定性。最終實現將該系統裝載在真正的汽車上，讓其到達節油降耗的最終目的。

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[8]Microchip company.PIC16F87X DATA SHEET[M].2001.

[9]Kaneko y，Kobayashi h，Komagome r，et al.Effect of Air-fuel Ratio Modulation on[Z].

作者簡介：郭帥（1992-），男，機械與動力工程學院機制專業2011級在讀本科生。

*通訊作者：姜忠愛（1980-），男，機械與動力工程學院教師，從事機電一體化研究。