PIC单片机汽车巡航控制系统的设计
王正瑄 孙菊江
（黑龙江信息技术职业学院 图书馆，黑龙江 哈尔滨 150086）
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摘 要：针对人们对驾驶的安全性和舒适性的要求越来越高，提出了一种对转速、节气门进行双闭环控制的巡航控制系统设计方案。由车速传 感器采集的车速信号和设定车速的差值作为输入量，实际车速作为输出量。建立了巡航控制系统数学模型，采用了模糊自整定PID控制 算法。可以不断智能调节比例和积分参数，从而改善控制效果。通过实验结果分析，证实了所设计巡航控制系统的合理性和实用性。
关键词：巡航控制；PID控制；PIC单片机
1 引言
汽车巡航控制系统（Cruise Control System，简称CCS）是汽车的新装置之一。它是利用电子技术对汽车的行驶速度进行自动调节，从而实现以某一设定车速行驶的电子控制系统。CCS是汽车在行驶中为了达到所希望的速度，通过操纵调整开关，驾驶员不必踩踏油门调整车速也能以设定的车速进行定速行驶的装置。
2 巡航控制系统的组成与工作原理
2.1巡航控制系统的组成
巡航控制系统由巡航控制开关、传感器、电控单元和执行器等组成。
(1) 巡航控制开关即驾驶员指令开关。包括巡航总开关、定速、加速、减速、恢复、取消、手制动、脚制动、离合器开关以及位置等开关量。总开关是指系统上电开关；定速开关的作用按下此键，巡航系统采样到此时的车速作为巡航系统设定车速；加速开关的作用是驾驶员每按一次此键，车速自动加4km/h；同理，每按一次减速开关，车速自动减4km/h；按下恢复键，车速自动恢复到首次设定的车速值；取消开关作用是解除巡航状态；手制动、脚制动和离合器开关，三者有其一被按下，巡航系统被迫解除巡航控制。
(2) 传感器主要向巡航微处理器提供巡航控制所需的车辆行驶状况以及驾驶员操作信号主要包括节气门开度传感器和车速传感器两部分。
(3) CCS电控模块接收车速传感器、巡航控制开关、制动开关等信号，经处理后，产生输出控制信号，驱动执行器动作。
(4) 执行机构用可调速直流伺服电机以电动或气动方式驱动拉线盘，该拉线与油门拉线并联，用于调整节气门的开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。
2.2巡航控制系统的工作原理
图1是一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理方框图。由图1可知，控制器有两个输入信号：一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号，另一个是实际车速反馈信号。当测出的实际车速高于或低于驾驶员设定的车速时，ECU将这两种信号进行比较，得出两信号之差，即误差信号，再经放大、处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，以修正设定车速信号与实际车速反馈信号的误差，从而使实际车速很快恢复到驾驶员设定的车速，并保持恒定。
图1 巡航控制系统原理框图
2.3控制算法的选择—PID控制
PID控制，即比例—积分—微分控制。
数字PID控制在生产过程中是一种最普通的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图2所示。
图2 模拟PID控制系统原理框图
图2中，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差
 (2-1)
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，将被控对象进行控制，故称PID控制器。其模拟表达式为
 (2-2)
或写成传递函数形式
 (2-3)
式(2-3)中?????? KP——比例系数；
TI——积分时间常数；
TD——微分时间常数。
2.4微处理器的选择
此巡航控制系统的电子控制单元采用PIC16F876单片机。执行器采用直流电机。PIC16F876根据设定车速、实际车速以及其它输入信号按照给定的程序完成所有的数据处理后产生一个输出信号驱动直流电机改变节气门开度。安全上考虑将制动开关与油门执行器直接相连，这样当踩下油门踏板时，在断开单片机恒速控制程序的同时，将油门的动力源断开，从而确保油门关闭。在考虑了以上原则的基础上，确定了系统的硬件结构框图如图3所示。
图 3 巡航控制系统的硬件框图
2.5 车速信号采集处理
速度信号是巡航控制系统最重要的信号之一，一旦速度信号失常，巡航控制系统就不能正常进行，甚至发生事故。该控制系统利用PIC16F876的16位定时计数器TMR2和连接到这个定时器上的捕捉与比较寄存器来测得车速信号。
由于单片机能识别的信号电压范围是0~5V，而汽车上的电源是12V，所以需要在测车速之前，将这些速度信号转换成0~5V的电压范围。
在测量车速时采用霍尔式转速传感器。如果齿轮有N个齿，齿轮每转一周，则产生N个脉冲。这里采用频率法测量车速。在相等的时间内，根据脉冲发生器脉冲的个数来计算脉冲的频率。用频率法时车速为：
 (2-4)
式(2-4)中 ZG —— 齿轮齿数；
i0 —— 主传动比；
R —— 车轮半径。
3 巡航控制器的软件设计
在汽车电子巡航控制系统中车速信号反馈至电子控制器，并与指令车速进行比较，因而系统工作在闭环控制方式。通过对PIC16F876编程来实现转速、节气门的双闭环控制，使车速在允许的误差范围内保持稳定。
其中涉及的模块主要有初始化模块、故障模块、启动判断模块、执行器驱动模块、中断模块等。初始化模块包括对单片机的初始化和对执行机构进行调整。单片机的初始化主要完成对单片机引脚输入输出的方向设定、A/D转换工作方式的设定。此外，系统软件还包括按键状态检测程序、微调车速程序、恢复巡航程序、解除巡航程序、A/D采样程序、车速采集程序。
车速传感器采集车速信号，单片机首先判断车速信号的大小是否在可巡航的范围内，驾驶员在某一车速下按下设定键后，车速就设定在这个值上。每隔一段时间就会检测一下实际车速与设定车速的差值是否在允许误差范围内，若不在，单片机发出命令给伺服电机，让伺服电机动作，调整节气门开度，使实际车速接近设定车速。系统同时不断地检测是否有按键按下。若有取消键、空档开关、手制动键、脚制动键其中之一被按下，巡航就被解除。
加速键或减速键被按下后，系统会修改目标车速。恢复键被按下后，车辆重新按调定速度行驶。如果车速在一秒钟之内的变化过大(例如车速误差大于15km/h)时，巡航系统将自动退出控制状态。
踏板上装有行程开关。当踏板被按下，行程开关就会动作，此时车速增加，伺服电机停转，此时若再按下设定键，设定的车速已经比原来快了，伺服电机将正转，再次使实际车速达到设定车速。
4 结论
通过分析，汽车巡航控制系统中的节气门闭环控制与车速闭环控制的有机结合，较好地防止了游车现象。根据行使阻力的变化，自动调节发动机油门开度，驾驶员不用再去控制油门踏板，从而减轻驾驶员因长时间控制油门而产生的疲劳，提高了行使的舒适性，也减少或避免交通事故的发生。实验结果证明，此系统具有反应速度快、系统稳定性好和超调量较小等特点，证实了PID控制算法的巡航控制系统的合理性和实用性。
（责任编辑：谢斌）
参考文献
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作者简介：
王正瑄 （1956-），男，黑龙江信息技术职业学院常务副院长，副教授。
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