基于STM8的汽车阀门控制技术

樊沛林　易映萍　周豪　李蓉受　张英伟

摘  要： 目前汽车在出厂时，汽车的排气系统只能在回压排气和直通排气系统中选择一种排气方式，二者的优点不可兼得。文中在介绍控制汽车阀门技术的基础上，设计了一种以STM8S003F3单片机及无线射频技术为核心的汽车排气系统控制装置，包括系统硬件电路和软件系统。由射频的遥控发出信号，STM8S003F3单片机负责处理接收的信号，处理后传输到继电器进而控制阀门的开关。实验及测试结果表明，该装置实现了控制阀门排气的功能，并提高了使用的安全性。

关键词： 排气阀门;RF无线射频;STM8S003F3单片机;电机堵转保护;多编码芯片解码

中图分类号： TP391.8    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.012

本文著录格式：樊沛林，易映萍，周豪，等. 基于STM8的汽车阀门控制技术[J]. 软件，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

安装在汽车排气管尾部，可变阀门排气系统[1]通过合理切换回压排气和直通排气方式，使用户既能够享受激昂排气声浪带来的刺激驾驶感受，又可以在驾车时免受排气声浪[2]带来的烦恼。而且让车主能够根据自己使用的喜好下进行选择，满足驾驶者的驾驶需求。因为传统红外遥控方式使用时需要保证遥控發射器和接收设备处于一定的角度范围，中间不能有任何障碍物。如果将红外遥控方式用于汽车尾部，用户无法在车内进行高效的控制，给用户的使用带来不便。本文所设计的排气阀门的控制装置是利用了RF无线射频[3]和多编码芯片解码技术[4]实现遥控控制电机状态的功能。用遥控器发射特定的编码，接收电路能够捕获由遥控器发射的射频编码信号，将编码信号传输给微处理器，当微处理器接收到信号后，经解码，根据解码指令，控制电机执行相应的操作。

1  排气阀门控制技术的硬件设计

1.1  系统方案

整车控制系统中排气阀门的控制技术采用模块化设计[5]，它的硬件结构由STM8单片机模块，信号发送及接收模块，双路继电器模块，供电电路模块[6]和电流保护电路模块组成。系统原理：由无线射频遥控模块负责将信号的发出给接收模块，接收模块接收到后交由STM8单片机处理信号，STM8单片机负责对键值信息进行解码，进而去控制双路继电器模块使得阀门开与闭;STM8单片机还负责对键值的学习和记录，阀门控制系统框图如图1所示。

1.2  信号发送及接收模块

该模块采用无线射频遥控控制方式[7]，无线射频遥控方式其中运用的无线射频技术中的电波具有绕射和穿透的特性[8]，只要在有效工作范围内，无线设备就可以不受角度、方向和障碍物而自由使用，其较红外遥控技术更适用于在车内使用。系统通过按下学习键进行4个键值控制内容为阀门全开，阀门全关，阀门微调开与微调关的学习与记录，并且接收模块对遥控发出的信号有筛选性，可保证系统的安全性能，即使同类型遥控不经过系统的学习也无法进行控制。如图2为信号发送模块的原理图，信号发送按键对应图中的开关K0、K1、K2、K3，在按键未按下时，4个对应引脚均处于断开状态，当对应的按键按下后，接通对应的电路，对应电路中的二极管的相邻端也就接受到了高电平而导通，引脚就会接受到电流而发出相应的信号。接收模块原理图如图3所示，P1为其外部引脚部分，原理图部分J1为其天线，即其信号采集端，由电感L2及电容C8的数值选择其可接收的频率值，根据公式

可计算出需要匹配的数值，用来限制接收模块的接受频率。

1.3  主控芯片STM8及阀门控制模块

本系统采用STM8单片机，自带存储器，不需外置储存芯片，使得整个系统小巧便捷，便于在汽车上安装使用。如图4为STM8单片机原理图，表1为其各引脚功能图。

阀门控制模块采用的使汽车级继电器，通过双路开关的电路控制，达到控制阀门电机的正转与反转。图5为双路继电器模块电路图，该双路继电器模块中K1、K2分别接单片机的PC4、PC5口，接收单片机传来的数据，通过控制两个开关K1、K2对2、3口的接触状态进行电机正转和反转的控制，当K1接到3后，电流接通P1的1号口，控制阀门的正转;当K2接到3后，电流接通P1的2号口，

可控制阀门的反转。P1、P2分别为车内12 V电源接入端及阀门接入端。

1.4  过流保护模块

系统采用高精度运放STM358进行对电路的电流保护电路，当阀门因堵转而产生过大的电流时，会超出预定设置输出给单片机的电压范围，单片机收到电流过大的数据时通过控制阀门的电压值使其停止工作，使其达到安全稳定的效果。图6为电流保护电路，VI口连接双路继电器模块，以实时检测电机中电流的大小。A1口接入单片机的PC3口，将电压数据传入单片机。

2  系统软件的设计

系统软件采用模块化设计[9]。整个系统分为若干模块，最顶层模块为主程序模块，其次为学习按键检测模块，电机超时保护模块，定时器中断模块。

2.1  主程序模块

当阀门控制系统接通电源时，首先对STM8S初始化，接着主程序不断循环执行学习按键检测和电机超时保护这两个模块，如图7所示。

2.2  学习按键检测模块

学习按键检测流程如图8所示。首先判断学习按键是否按下，如果按键按下，进行按键消抖，然后将学习标志位置1并点亮红色LED灯，表示进入学习状态，此时如果松开按键则会红灯灭，并将有效编码标志位置0再进入遥控按键学习模块，学习完成后学习标志位置0，结束;如果按键按下超过10秒，会经过按键消抖，学习标志位置1，红灯亮，然后将学习标志位置0后进行遥控器按键记忆的清除，完成后红灯灭，结束。

2.3  定时器中断模块

定时器中断流程如图9所示，首先进行射频解码[10-11]，然后判断连续两帧的编码是否相同，相同则有效编码位置1，然后判断学习标志位与有效编

码标志位是否都为1，都为1则判断该有效编码是否记忆过，记忆过则进行编码控制，最后进行电机输出控制，结束。

射频解码部分程序的设计思路：对接收管脚的高低电平持续时间进行记录，首先判断该次脉冲高低电平时间是否符合同步码波形，如果符合同步码波形则开始临时接收接下来的23位编码，如果不符合则继续判断下一次脉冲是否为同步码;23位编码的接收则需要判断同步码后的23次脉冲的高低电平时间来判断，其中编码为“1”还是为“0”根据编码时序图10进行判断。

编码控制部分的设计思路：取出收到的有效且记忆过编码的数据码，跟据遥控器码表图11进行按键判断，判断后执行该按键按下应执行的操作，即改变继电器状态和电机输出时间。

3  实验验证

3.1  遥控器参数

本装置使用RF04无线遥控器，发射频率为433M HZ，编码时序同EV1527[12]，如图10，发射信号波形图如图12，RF04码表图如图11。

RF04波形说明：

同步码：低电平时间：0.4 ms   高电平时间：12.4 ms

数据“1”：高电平时间：1.2 ms   低电平时间：0.4 ms

数据“0”：高电平时间：0.4 ms   低电平时间：1.2 ms

3.2  验证结果

波形测试点：与接收模块数据输出端DATA相连的STM8S芯片接收管脚。

测试按键：图11码表图中红框按键从上到下分别为K1、K2、K3、K4。

测试结果：RFO4遥控器按下K1、 K3后的对应波形图如图13、图14，K2、K2波形省略;由波形图得到K1、K2、K3、K4对应数据码为：05、08、0b、0e，該数据码与图11码表图中数据码相同，说明发射模块与接收模块的设计符合系统要求。

4  结束语

本文主要从硬件和软件两个方面，介绍了基于无线射频技术的汽车排气阀门控制系统。通过对整个系统硬件与软件的设计，经过实验验证，成功达到了预期的效果。其中遥控自学习功能和电极防堵转功能使整个系统具有使用安全的优点，旧遥控记忆可清除，并且可同时记忆10个遥控器使整个系统操作起来十分方便。本装置只是可以人为主观控制阀门排气，未来可以通过汽车速度来智能控制阀门状态，有待进一步研究，具有推广前景。本文所涉及的无线信号的发送和接收技术方法可应用于其它无线控制场合，具有一定的工程应用价值。

参考文献

[1] 耿鹏飞， 张延超， 耿旭贞， 范永恒. 汽车排气系统低频噪声分析与结构优化[J]. 噪声与振动控制， 2016， 36（5）： 82-85.

[2] 杨卫农， 戴关林. 汽车排气系统噪音与振动的控制[J]. 轻型汽车技， 2007， 7： 34-36.

[3] 郎为民. 射频识别（RFID）技术原理与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.

[4] 郑文. 单片机软件解码在无线遥控中的应用[M]. 浙江万里学院学报. 2009.

[5] 陈鑫. 软硬件集成过程输出的评审分析方法[J]. 软件， 2018， 39（5）： 101-105.

[6] 张娟荣. 基于protel99SE的单相直流稳压电源的仿真教学实践[J]. 软件， 2018， 39（7）： 121-123.

[7] 丁娟. 近程实用无线遥控装置的设计与实现[J]. 无线互联科技， 2014， 12： 78-79.

[8] 段德功， 丁莹亮. 基于嵌入式技术的工业通信管理机的开发及应用[J]. 软件， 2012， 33（6）： 83-84.

[9] 丁月林. 基于STM32的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（5）： 84-88.

[10] 王红熳， 刘波， 葛懿， 任文. 基于RFID和移动计算技术的白酒产品溯源系统设计[J]. 软件， 2012， 33（1）： 29-33.

[11] 李纲， 张少辉， 唐迪. 基于RFID的蛛网模型定位算法设计[J]. 软件， 2012， 33（4）： 9-12.

[12] 周景迁， 放任农， 陈文芗. EV1527编码芯片的应用及其解码方法[J]. 研究与开发， 2007， 26（6）： 35-38.