基于Atmel 89C55WD单片机和传感器实现汽车智能换档辅助系统的设计

在不降低汽车动力性的条件下改善燃料经济性是汽车研究的一个主要方面，最佳经济性换档规律能够保证发动机工作在最佳经济性工作区，减少汽车的燃油消耗量，提高整车的燃油经济性。对于手动换档的汽车，如果在其行驶过程中实时地将发动机的最佳工作线和换档时的发动机工作点清晰地显示出来，同时根据该车的最佳换档规律给出换档提示，就可以使驾驶员了解车辆行驶中发动机的工作状况从而进行正确操作，也有利于驾驶员改正不良的操作习惯并纠正错误操作，以充分发挥汽车的经济性和动力性。本文根据汽车的发动机特性、换档特性及车载电子设备的设计要求，利用单片机实现了嵌入式汽车智能换档辅助。

１ 系统设计原理

１．１ 发动机最佳工作线计算

发动机最佳工作线包括发动机最佳动力性工作线和最佳经济性工作线。

１．１．１ 发动机最佳动力性工作线的计算

发动机最佳动力性工作点为发动机的等功率曲线与发动机扭矩曲线的切点，也就是扭矩曲线上功率最大的点。

发动机功率为：Ｐe＝Ｍeｎe／９５４９

发动机扭矩为：Ｍe＝ａ＋ｂｎ＋ｃｎ2e＋ｄｎ3e，其中系数ａ、ｂ、ｃ、ｄ可以由实验数据拟合得到。

根据发动机最佳动力性工作点的定义，构造目标函数：

Ｐe＝Ｍeｎe／９５４９＝（ａｎe＋ｂｎ2e＋ｃｎ3e＋ｄｎ4e）／９５４９

发动机转速范围为：ｎe1≤ｎe≤ｎem

此为条件极值问题，即在给定的发动机转速范围内求目标函数的极大值点，然后根据发动机功率公式计算出发动机扭矩，这样就可以求出发动机最佳动力性工作点（ｎe，Ｍe）。

依次可以求出一系列油门开度下发动机最佳动力性工作点，将这些最佳工作点用曲线连接起来即得到发动机最佳动力性工作线。

１．１．２ 发动机最佳经济性工作线的计算

发动机的扭矩曲线为Ｍe＝ｆ（ｎe）

发动机的油耗曲线为Ｑt＝ｇ（ｎe）

根据发动机的扭矩曲线和油耗曲线可以得到发动机负荷特性曲线。由发动机的负荷特性曲线可以得到发动机的等油耗曲线。发动机最佳经济性工作点即为等油耗曲线与等功率曲线的切点。用求解发动机最佳动力性工作点的方法可以求得发动机最佳经济性工作点，从而得到发动机最佳经济性工作线。

１．２ 汽车最佳换档规律的计算

规律分为最佳动力性换档规律和最佳经济性换档规律。

１．２．１ 汽车最佳动力性换档规律的计算

在汽车驱动力图上，动力性换档点为同一油门开度下相邻两档的驱动力曲线的交点。图１所示为相邻两档的动力性换档点。求出这些换档点后，将其转换到油门开度ａ和车速ｖa坐标图上，并把这些点连成曲线，就得到该相邻两档的动力性换档规律升档曲线。给出一定的降档速差，就可求出动力性换档规律的降档曲线，这样就求出了动力性换档规律。

１．２．２ 汽车最佳经济性换档规律的计算

在相邻两档不同节气门开度下的牵引力特性图上，按等牵引力条件，设定克服道路阻力Ｆ的牵引力为某一常数Ｆcon 1，根据其和相邻两档不同节气门开度下的牵引力特性曲线的交点，可求出对应节气门开度下的车速；根据相应档位下的汽车燃油消耗Ｑ和车速ｖａ之间的关系（如图２所示）可求出相应车速下该档位与节气门开度下的油耗Ｑ；再根据不同牵引力曲线的交点可求出相邻两档的不同油耗点，其连线为相邻两档的油耗线，其油耗线的交点为Ｆcon 1下的相邻两档最低油耗换档点，如图３所示。同理可以求出不同牵引力常数Ｆcon i下的相邻两档的最低油耗换档点，其换档点的连线为相邻两档的经济性换档线。用此方法可得到其它相邻两档的经济性换档线。

２ 系统设计

２．１ 系统的硬件设计

系统的硬件设计如图４所示。ＣＰＵ采用Ａｔｍｅｌ ８９Ｃ５５ＷＤ单片机，它具有２０Ｋ的ＲＯＭ和２５６Ｂｙｔｅ的ＲＡＭ。

由于该系统需要存储车辆的各相关参数、发动机特性等数据，因此需要大量的存储空间。为了满足这一要求，同时使该系统适合在其它车型上扩展，采用了静态数据存储器２８Ｆ２５６ Ｆｌａｓｈ。它具有３２Ｋ的存储空间，可以存储车辆的基本参数以及发动机特性等数据，完全可以满足要求。

ＬＣＤ（液晶显示器）采用的是ｔｏｐ－ｖｉｅｗ公司的型号为ＳＴＮ３２２４－ＩＩ的显示仪。其分辨率是３２０×２４０，制式为ＳＴＮ，支持２５６色，自带控制器。它的特点是接口简单、编程控制容易。

Ａ／Ｄ转换器采用ＭＡＸ１０９２，为十位模／数转换器。当ＭＡＸ１０９２的ＨＢＥＮ脚为低电平时读低８位，当其为高电平时读高两位。

传感器有节气门传感器、车速传感器、发动机转速传感器等。节气门位置传感器安装在节气门轴的尾端，采用滑线变阻器的型式，节气门完全关闭时，传感器输出电压为０Ｖ；节气门完全打开时，输出电压为５Ｖ；当节气门不断开大时，其输出电压随之线性增加。对发动机转速和车速的测量采用霍尔传感器，传感器输出的脉冲信号经处理后作为外部中断信号输入到单片机，同时配合定时器的中断服务，就可以由软件计算出发动机转速和车速。

２．２ 系统的软件设计

系统软件根据功能可分为：程序初始化模块、初始数据的处理模块、信息采集和处理模块、显示模块，这四个模块的功能是相互独立的，但模块之间又有数据传输的部分，具体传输的数据可以由系统软件主程序流程看出。图５所示为系统的主程序流程图。 程序初始化模块包括硬件的驱动和数据的输入。硬件驱动指直接驱动各种硬件资源，主要包括单片机资源和液晶显示器。数据的输入主要有汽车相关参数以及发动机的实验数据。

初始数据的处理模块主要功能是根据初始数据计算汽车的发动机最佳工作线和最佳换档规律。

信息的采集和处理模块主要功能是从传感器采集数据并对数据进行处理，然后计算发动机的工作点、当前档位并判断换档情况。图６所示为判断车辆换档子程序的流程图。 显示模块的功能是将上面计算得到的车辆数据实时地显示在ＬＣＤ上。

以Ｓａｎｔａｎａ２０００轿车及其发动机试验数据为依据进行了试验。试验结果证明该系统能够在车辆行驶过程中正确、实时地显示车辆的发动机工作状态、车辆的档位、油门开度，并能够根据输入的最佳换档规律实时判断升档、降档还是保持当前档位行驶。该系统对驾驶员正确操作车辆具有指导作用。

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