本田節能車智能信息采集系統

黨喜國，孔超

(天津職業技術師范大學，天津 300222)

0 引言

進入新世紀以來，科學技術迅速發展，智能化已成為科技發展的新方向。新一代汽車研究與開發將集中表現在智能信息技術、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節能競技大賽落戶于中國，意義在于提高社會的節能環保和激發學生們的科學創新意識，以燃油消耗最少者獲勝。在這一背景下，總結以往的經驗來控制發動機的數據至關重要，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 信息采集系統的硬件結構設計

該系統采集的信息包括車速信號、發動機轉速、發動機溫度、節氣門位置、GPS位置、數據記錄與處理等。其中車速和發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整數據的準確性。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。系統結構設計如圖1所示。

圖1 信息采集系統結構

1.1 AT89S52 單片機簡介

針對于本田125 mL低油耗4沖程發動機，智能信息采集系統中央處理器采用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 和在系統可編程Flash，使得此系統具有高靈活性、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據存儲器。外部程序存儲器和數據存儲器都可以64 kB尋址。此存取能夠在1個周期內完成，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靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式，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，并且可以根據發動機的工況狀態來調試數據，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沖程發動機最佳狀態時準確的數據，因此，數據的準確性是智能信息采集系統的基本要求。由于發動機的噪聲大和車的晃動量導致傳感器接頭不穩定，直接影響信息采集的準確性，使得數據多次出現誤差。經過實車測試分析，最終確定出該系統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，在此系統中加入了濾波器，主要目的是降低信號的干擾。

濾波器是節能車智能信息采集系統的重要組成之一，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 發動機狀態信息采集與處理

因Honda節能競技大賽比的是燃油經濟性，在規定的時間和里程內完成比賽，最后以燃油消耗量最少為獲勝者。發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起著關鍵作用，控制著發動機的起停、離合器的分離。可以將發動機轉速、節氣門位置、發動機溫度等其他信號通過傳感器輸送給計算機，將得到的數據記錄與處理。這樣起著兩種作用：(1)數據可以根據發動機的狀態自動改變，使發動機達到最佳狀態，以最少的燃油消耗量行駛；(2)數據記錄，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，觀察發動機在不同負荷下的工況參數，并制定一套新的數據傳輸到單片機當中，后續駕駛員可以繼續調整操作方式。此系統用于2018年比賽中，最終獲得653.58 km/L的成績。圖3是采集到的發動機的信息。

圖3 發動機數據的分析

從圖3可以看出：

(1)發動機的噴油量是由溫度、節氣門開度等參數決定的。

(2)此系統適用于125 mL低油耗4沖程發動機，在原來的基礎上提高了發動機的工作效率以及數據的準確性和穩定性。

1.3.2 車速信息采集與處理

按照賽規要求，行駛距離為10 379 m，規定時間24分54秒34內完成比賽，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在16次以內效果最佳，點火次數的數量取決于車速。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，單片機根據設定的車速信號控制發動機的啟停，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

根據比賽環境，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整加速策略，使得提高燃油經濟性。考慮到節能車的安全性，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，當系統檢測到有方波信號上升即可開始計數，將檢測到的信號經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完全適用于改動后的125 mL低油耗四沖程發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。經過多次測試，該系統具有安全性、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。