基于STM8的汽車閥門控制技術(shù)

樊沛林　易映萍　周豪　李蓉受　張英偉

摘? 要： 目前汽車在出廠時(shí)，汽車的排氣系統(tǒng)只能在回壓排氣和直通排氣系統(tǒng)中選擇一種排氣方式，二者的優(yōu)點(diǎn)不可兼得。文中在介紹控制汽車閥門技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以STM8S003F3單片機(jī)及無(wú)線射頻技術(shù)為核心的汽車排氣系統(tǒng)控制裝置，包括系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)。由射頻的遙控發(fā)出信號(hào)，STM8S003F3單片機(jī)負(fù)責(zé)處理接收的信號(hào)，處理后傳輸?shù)嚼^電器進(jìn)而控制閥門的開關(guān)。實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了控制閥門排氣的功能，并提高了使用的安全性。

關(guān)鍵詞： 排氣閥門;RF無(wú)線射頻;STM8S003F3單片機(jī);電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù);多編碼芯片解碼

中圖分類號(hào)： TP391.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.012

本文著錄格式：樊沛林，易映萍，周豪，等. 基于STM8的汽車閥門控制技術(shù)[J]. 軟件，2019，40（7）：6771

【Abstract】： After the completion of the vehicle， the vehicle can only choose one of the backpressure exhaust system and the direct exhaust system as its own exhaust system. The advantages of both exhaust modes cant be combined. On the basis of introducing the control technology of automobile valve， A control device of automobile exhaust system based on STM8S003F3 microcontroller and radio frequency technology is designed. The design covers both hardware circuits and software systems. Radio frequency remote control sends out signals. The STM8S003F3 microcontroller processes the received signal， then controls the relay and then controls the valve switch. The experimental and test results show that the device realizes the function of controlling valve exhaust and improves the safety in use.

【Key words】： Exhaust valve; RF radio frequency; STM8S003F3 microcontroller; Motor shutoff protection; Multi-coding chip decoding

0? 引言

安裝在汽車排氣管尾部，可變閥門排氣系統(tǒng)[1]通過(guò)合理切換回壓排氣和直通排氣方式，使用戶既能夠享受激昂排氣聲浪帶來(lái)的刺激駕駛感受，又可以在駕車時(shí)免受排氣聲浪[2]帶來(lái)的煩惱。而且讓車主能夠根據(jù)自己使用的喜好下進(jìn)行選擇，滿足駕駛者的駕駛需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)紅外遙控方式使用時(shí)需要保證遙控發(fā)射器和接收設(shè)備處于一定的角度范圍，中間不能有任何障礙物。如果將紅外遙控方式用于汽車尾部，用戶無(wú)法在車內(nèi)進(jìn)行高效的控制，給用戶的使用帶來(lái)不便。本文所設(shè)計(jì)的排氣閥門的控制裝置是利用了RF無(wú)線射頻[3]和多編碼芯片解碼技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)遙控控制電機(jī)狀態(tài)的功能。用遙控器發(fā)射特定的編碼，接收電路能夠捕獲由遙控器發(fā)射的射頻編碼信號(hào)，將編碼信號(hào)傳輸給微處理器，當(dāng)微處理器接收到信號(hào)后，經(jīng)解碼，根據(jù)解碼指令，控制電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

1? 排氣閥門控制技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)方案

整車控制系統(tǒng)中排氣閥門的控制技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì)[5]，它的硬件結(jié)構(gòu)由STM8單片機(jī)模塊，信號(hào)發(fā)送及接收模塊，雙路繼電器模塊，供電電路模塊[6]和電流保護(hù)電路模塊組成。系統(tǒng)原理：由無(wú)線射頻遙控模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)的發(fā)出給接收模塊，接收模塊接收到后交由STM8單片機(jī)處理信號(hào)，STM8單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)鍵值信息進(jìn)行解碼，進(jìn)而去控制雙路繼電器模塊使得閥門開與閉;STM8單片機(jī)還負(fù)責(zé)對(duì)鍵值的學(xué)習(xí)和記錄，閥門控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2? 信號(hào)發(fā)送及接收模塊

該模塊采用無(wú)線射頻遙控控制方式[7]，無(wú)線射頻遙控方式其中運(yùn)用的無(wú)線射頻技術(shù)中的電波具有繞射和穿透的特性[8]，只要在有效工作范圍內(nèi)，無(wú)線設(shè)備就可以不受角度、方向和障礙物而自由使用，其較紅外遙控技術(shù)更適用于在車內(nèi)使用。系統(tǒng)通過(guò)按下學(xué)習(xí)鍵進(jìn)行4個(gè)鍵值控制內(nèi)容為閥門全開，閥門全關(guān)，閥門微調(diào)開與微調(diào)關(guān)的學(xué)習(xí)與記錄，并且接收模塊對(duì)遙控發(fā)出的信號(hào)有篩選性，可保證系統(tǒng)的安全性能，即使同類型遙控不經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)也無(wú)法進(jìn)行控制。如圖2為信號(hào)發(fā)送模塊的原理圖，信號(hào)發(fā)送按鍵對(duì)應(yīng)圖中的開關(guān)K0、K1、K2、K3，在按鍵未按下時(shí)，4個(gè)對(duì)應(yīng)引腳均處于斷開狀態(tài)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的按鍵按下后，接通對(duì)應(yīng)的電路，對(duì)應(yīng)電路中的二極管的相鄰端也就接受到了高電平而導(dǎo)通，引腳就會(huì)接受到電流而發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。接收模塊原理圖如圖3所示，P1為其外部引腳部分，原理圖部分J1為其天線，即其信號(hào)采集端，由電感L2及電容C8的數(shù)值選擇其可接收的頻率值，根據(jù)公式

可計(jì)算出需要匹配的數(shù)值，用來(lái)限制接收模塊的接受頻率。

1.3? 主控芯片STM8及閥門控制模塊

本系統(tǒng)采用STM8單片機(jī)，自帶存儲(chǔ)器，不需外置儲(chǔ)存芯片，使得整個(gè)系統(tǒng)小巧便捷，便于在汽車上安裝使用。如圖4為STM8單片機(jī)原理圖，表1為其各引腳功能圖。

閥門控制模塊采用的使汽車級(jí)繼電器，通過(guò)雙路開關(guān)的電路控制，達(dá)到控制閥門電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。圖5為雙路繼電器模塊電路圖，該雙路繼電器模塊中K1、K2分別接單片機(jī)的PC4、PC5口，接收單片機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)控制兩個(gè)開關(guān)K1、K2對(duì)2、3口的接觸狀態(tài)進(jìn)行電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制，當(dāng)K1接到3后，電流接通P1的1號(hào)口，控制閥門的正轉(zhuǎn);當(dāng)K2接到3后，電流接通P1的2號(hào)口，

可控制閥門的反轉(zhuǎn)。P1、P2分別為車內(nèi)12 V電源接入端及閥門接入端。

1.4? 過(guò)流保護(hù)模塊

系統(tǒng)采用高精度運(yùn)放STM358進(jìn)行對(duì)電路的電流保護(hù)電路，當(dāng)閥門因堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生過(guò)大的電流時(shí)，會(huì)超出預(yù)定設(shè)置輸出給單片機(jī)的電壓范圍，單片機(jī)收到電流過(guò)大的數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)控制閥門的電壓值使其停止工作，使其達(dá)到安全穩(wěn)定的效果。圖6為電流保護(hù)電路，VI口連接雙路繼電器模塊，以實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)中電流的大小。A1口接入單片機(jī)的PC3口，將電壓數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)。

2? 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[9]。整個(gè)系統(tǒng)分為若干模塊，最頂層模塊為主程序模塊，其次為學(xué)習(xí)按鍵檢測(cè)模塊，電機(jī)超時(shí)保護(hù)模塊，定時(shí)器中斷模塊。

2.1? 主程序模塊

當(dāng)閥門控制系統(tǒng)接通電源時(shí)，首先對(duì)STM8S初始化，接著主程序不斷循環(huán)執(zhí)行學(xué)習(xí)按鍵檢測(cè)和電機(jī)超時(shí)保護(hù)這兩個(gè)模塊，如圖7所示。

2.2? 學(xué)習(xí)按鍵檢測(cè)模塊

學(xué)習(xí)按鍵檢測(cè)流程如圖8所示。首先判斷學(xué)習(xí)按鍵是否按下，如果按鍵按下，進(jìn)行按鍵消抖，然后將學(xué)習(xí)標(biāo)志位置1并點(diǎn)亮紅色LED燈，表示進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，此時(shí)如果松開按鍵則會(huì)紅燈滅，并將有效編碼標(biāo)志位置0再進(jìn)入遙控按鍵學(xué)習(xí)模塊，學(xué)習(xí)完成后學(xué)習(xí)標(biāo)志位置0，結(jié)束;如果按鍵按下超過(guò)10秒，會(huì)經(jīng)過(guò)按鍵消抖，學(xué)習(xí)標(biāo)志位置1，紅燈亮，然后將學(xué)習(xí)標(biāo)志位置0后進(jìn)行遙控器按鍵記憶的清除，完成后紅燈滅，結(jié)束。

2.3? 定時(shí)器中斷模塊

定時(shí)器中斷流程如圖9所示，首先進(jìn)行射頻解碼[10-11]，然后判斷連續(xù)兩幀的編碼是否相同，相同則有效編碼位置1，然后判斷學(xué)習(xí)標(biāo)志位與有效編

碼標(biāo)志位是否都為1，都為1則判斷該有效編碼是否記憶過(guò)，記憶過(guò)則進(jìn)行編碼控制，最后進(jìn)行電機(jī)輸出控制，結(jié)束。

射頻解碼部分程序的設(shè)計(jì)思路：對(duì)接收管腳的高低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行記錄，首先判斷該次脈沖高低電平時(shí)間是否符合同步碼波形，如果符合同步碼波形則開始臨時(shí)接收接下來(lái)的23位編碼，如果不符合則繼續(xù)判斷下一次脈沖是否為同步碼;23位編碼的接收則需要判斷同步碼后的23次脈沖的高低電平時(shí)間來(lái)判斷，其中編碼為“1”還是為“0”根據(jù)編碼時(shí)序圖10進(jìn)行判斷。

編碼控制部分的設(shè)計(jì)思路：取出收到的有效且記憶過(guò)編碼的數(shù)據(jù)碼，跟據(jù)遙控器碼表圖11進(jìn)行按鍵判斷，判斷后執(zhí)行該按鍵按下應(yīng)執(zhí)行的操作，即改變繼電器狀態(tài)和電機(jī)輸出時(shí)間。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? 遙控器參數(shù)

本裝置使用RF04無(wú)線遙控器，發(fā)射頻率為433M HZ，編碼時(shí)序同EV1527[12]，如圖10，發(fā)射信號(hào)波形圖如圖12，RF04碼表圖如圖11。

RF04波形說(shuō)明：

同步碼：低電平時(shí)間：0.4 ms? ?高電平時(shí)間：12.4 ms

數(shù)據(jù)“1”：高電平時(shí)間：1.2 ms? ?低電平時(shí)間：0.4 ms

數(shù)據(jù)“0”：高電平時(shí)間：0.4 ms? ?低電平時(shí)間：1.2 ms

3.2? 驗(yàn)證結(jié)果

波形測(cè)試點(diǎn)：與接收模塊數(shù)據(jù)輸出端DATA相連的STM8S芯片接收管腳。

測(cè)試按鍵：圖11碼表圖中紅框按鍵從上到下分別為K1、K2、K3、K4。

測(cè)試結(jié)果：RFO4遙控器按下K1、 K3后的對(duì)應(yīng)波形圖如圖13、圖14，K2、K2波形省略;由波形圖得到K1、K2、K3、K4對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)碼為：05、08、0b、0e，該數(shù)據(jù)碼與圖11碼表圖中數(shù)據(jù)碼相同，說(shuō)明發(fā)射模塊與接收模塊的設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從硬件和軟件兩個(gè)方面，介紹了基于無(wú)線射頻技術(shù)的汽車排氣閥門控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功達(dá)到了預(yù)期的效果。其中遙控自學(xué)習(xí)功能和電極防堵轉(zhuǎn)功能使整個(gè)系統(tǒng)具有使用安全的優(yōu)點(diǎn)，舊遙控記憶可清除，并且可同時(shí)記憶10個(gè)遙控器使整個(gè)系統(tǒng)操作起來(lái)十分方便。本裝置只是可以人為主觀控制閥門排氣，未來(lái)可以通過(guò)汽車速度來(lái)智能控制閥門狀態(tài)，有待進(jìn)一步研究，具有推廣前景。本文所涉及的無(wú)線信號(hào)的發(fā)送和接收技術(shù)方法可應(yīng)用于其它無(wú)線控制場(chǎng)合，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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