基于单片机的电子油门检测系统的设计

天津职业技术师范大学

Tianjin University of Technology and Education

毕 业 论 专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师：

二〇一四年六月

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文

天津职业技术师范大学本科生毕业论文

基于单片机的电子油门检测系统的设计

Design microcontroller-based electronic throttle

detection system

专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学 院：

2014 年 6 月

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摘 要

论文的内容是基于单片机MSP430F149电子油门检测系统的设计，主要是根据电子油门的特性，将电子油门检测系统和MSP430F149单片机结合为一体，设计出一种基于MSP430F149单片机的电子油门检测系统，能够模拟的检测油门踏板的深度和发动机的转速。

论文简述了电子油门检测系统的构造及基本原理和单片机的原理及特性，对系统的设计进行了讨论，在能实现油门检测功能的基础上，设计出多种方案，通过多种方案对比，使用最佳的设计方案，把系统中各个模块统一在一起，模拟出一个电子油门检测系统，编写适合的程序，将油门踏板的位置通过显示屏显示出来，并通过pwm调速来控制直流电机的转速。

关键词：单片机;电子油门;MSP430F149;pwm调速

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ABSTRACT

The contents of this paper is about the design of MCU MSP430F149 based on electronic throttle detection system. It mainly use the characteristics of electronic throttle.It combine the electronic throttle detection systems and MSP430F149 in one design , And then design an electronic throttle detection system based on CU MSP430F149 .It can detect the depth of the accelerator pedal and the speed of the engine.

The paper outlines the structure and the basic principles of electronic throttle detection system,it also outlines the principles and characteristics of the MCU.This paper conducts a discussion on the design of electronic throttle detection system.Then it puts forward the overall composition of the system on this basis of achieving throttle detection.By comparing a variety of programs, the paper finally gets an optimal solution, and combines each module together of the system to simulate an electronic throttle detection system.At the same time it not only prepares for the procedure,but also display the position of the accelerator pedal .The speed of DC motor is controled by PWM.

Keywords:MCU;Electronic throttle;MSP430F149;PWM speed

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1 绪 论 ................................................................................................................................................ 6

1.1 引言 ........................................................................................................................ 6 1.2 国内外电子油门的发展现状 ................................................................................ 6 1.3 本文研究的意义 .................................................................................................... 6 1.4 本文研究的主要内容 ............................................................................................ 7 2 电子油门检测系统 ......................................................................................................................... 8

2.1电子油门的由来及发展过程 ................................................................................. 8 2.2电子油门检测系统的基本结构 ............................................................................. 9 2.3电子油门检测系统的工作原理 ........................................................................... 10 2.4本章小结 ............................................................................................................... 11 3 硬件总体设计 ............................................................................................................................... 12

3.1设计方案 ............................................................................................................... 12 3.2单片机模块 ........................................................................................................... 13 3.2.1单片机的选择 .................................................................................................... 13 3.2.2单片机的最小系统 ............................................................................................ 15 3.3液晶显示模块 ....................................................................................................... 17 3.3.1液晶显示屏的选择 ............................................................................................ 17 3.3.2液晶显示模块电路设计 .................................................................................... 18 3.4数据采集系统设计 ............................................................................................... 19 3.5 PWM直流电机调速 ............................................................................................ 19 3.6本章小结 ............................................................................................................... 20 4 软件设计和实物结果分析 ........................................................................................................ 22

4.1编写语言的选择 ................................................................................................... 22 4.2 编译软件介绍 ...................................................................................................... 22 4.3程序所实现的功能 ............................................................................................... 22 4.4实物结果分析 ....................................................................................................... 23 4.5本章小结 ............................................................................................................... 27 5 结 论 ............................................................................................................................ 29 6 参考文献 ........................................................................................................................ 31 7附录一 ............................................................................................................................. 32 8 致 谢 ............................................................................................................................ 41

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电子油门就是通过电子控制单元将各传感器采集的各种信号进行比对分析，调节及节气门的开度，改变空燃比，使可燃混合气能够充分的燃烧。 在正常行驶中往往有一些驾驶不熟练的人因为操作不正常，或是太没有耐心的司机，油门踏板突然踩到底，这是不科学的，因为这样对燃油的经济性的提高没有一点好处，而且会伤害发动机，这其实是很不必要的，油门迅速踩到底，这时候是发动机负荷最大，满负荷会带来发动机内的可燃混合气不充分燃烧的后果，并且这时候的喷油器，也会增加喷油量，这就导致可燃混合气的浪费，而此时对于环境保护是很有害处的。而这种情况对于电子油门来说就是很轻松的，此时ECU收到信号后会认为这是驾驶员不太科学的驾驶方法，于是会发出信号让节气门以一个特定的速度打开，而不是与驾驶员踩油门踏板的速度相同。这样做不仅能保护发动机，提高燃油利用率和经济性，还能使驾驶员有一个非常平顺的感觉，提高乘车的舒适性。

2.4本章小结

这个章节介绍了电子油门系统的发展历程、电子油门检测系统和拉线油门的基本结构、以及拉线油门和电子油门的工作原理，简单的阐述了电子油门取代拉线油门的原因。如何通过ECU控制节气门的开度，概述了电子油门检测系统的在汽车上的重要性，并介绍了电子油门与单片机在各方面的联系。

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3 硬件总体设计

3.1设计方案

本此系统设计的硬件部分共有六个：电机驱动电路，液晶显示电路，电子油门模拟输入信号电路，单片机及其外围电路。硬件总体结构如图3-1所示。

电源模块 MSP430f149单 片机最小系统 1062液晶显示模块 将电子油门的模拟信号通过A/D转换电路转换为数字信号传送到单片机 将采集并处理后的数字信号通 过D/A转换电路转换为模拟信 号拖动电机转动 图3-1 硬件总体结构

其中最主要的控制单元就是MSP430F149，电机驱动电路，液晶显示电路，A/D转换电路，D/A转换电路，电子油门模拟输入信号电路都与单片机或者其外围电路有相应接口相连。而流程就是滑动变阻器模拟信号经过模数转换模块传给MSP430F149单片机进行处理，处理完之后再在1602液晶显示屏上进行显示； D/A转换模块输出的模拟信号通过PWM拖动直流电机进行模拟发动机。设计整体原理图如下图3-2所示：

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3-2设计整体原理图

3.2单片机模块

3.2.1单片机的选择

MSP430F149单片机比较典型的应用就是A/D转换、接收处理和发送数据到总系统。而在本次设计当中运用到的功能主要就是A/D转换和接收数据和发送数据的功能。

下图3-3是MSP430F149单片机引脚的分配:

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图3-3MSP430F149引脚图

由于不同的设计实现功能的而不同，所以选用单片机的引脚也不尽相同，下图3-4介绍一下本设计中用到的引脚，如下表: 引脚名称 AVCC AVSS DVCC DVSS P6.0/A0 P5.1/SIMO1~

引脚编号 64 62 1 63 59 说明 模拟电源的正极，仅提供给模数转换器的模拟部分 模拟电源的负极，仅提供给模数转换器的模拟部分 数字电源的正极，供给所有数字部分 数字电源的负极，供给所有数字部分 一般数字I/O，模拟信号的输入端 一般数字I/O，接显示屏的位选端 14

P5.4/MCLK XIN XOUT/TCLK 45~48 8 9 低速晶体振荡器的输入端 低速晶体振荡器的输出端 一般数字I/O，接显示屏的段码端 通用数字I/O，接DA数据输入端 高速晶体振荡器输入端 高速晶体振荡器输出端 一般数字I/O，发送数据输出USART1/UART 方式 一般数字I/O，接收数据输入USART1/UART 方式 复位输入端 P4.0/TB0~P4.7/TBCLK 36~43 P2.0/ACLK~ P2.7/TA0 20~27 XT2IN XT2OUT P3.6/UTXD1 P3.7/URXD1 RST/NMI 53 52 34 35 58 图3-4 单片机引脚分配

3.2.2单片机的最小系统

单片机的最小系统，是整个设计中最核心的部分，因为它控制着液晶显示屏和直流电机，而对于MSP430F149单片机来说，晶振电路和复位电路就构成了MSP430F149单片机的最小系统。

单片机上各个部件能构自动工作，并且不出问题，这实际上是在单片机的系统时钟的作用下，由控制器控制芯片内各个部件能够正常工作，使内部的逻辑硬件上产生的所需的脉冲信号得以实现。

晶振电路的设计如图3-5所示

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图3-5晶振电路

本系统中采用的是XTAL的晶体，该晶体两端分别连接到MSP430F149单片机的XT2IN、XT2OUT引脚，并且连接两个100pF的电容，使单片机能够正常工作。

在所有含有控制器的单片机系统中，都有相对应的复位电路，这样才能使系统在接上电后能正常的复位，使单片机系统处在一个稳定运行的状态。单片机系统复位电路的好坏，直接关系到整个单片机系统工作的稳定性，因此复位电路的设计十分重要。MSP430F149单片机最小系统设计的复位电路是通过人为控制按键，来防止程序跑飞或出错时可以让程序从头开始执行程序，达到正常运行状态。复位电路如图3-6所示：

图3-6复位电路

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3.3液晶显示模块

3.3.1液晶显示屏的选择

LCD1602液晶显示屏是一种工业级别的字符型液晶显示屏，它能够在屏幕上同时显示16X02也就是32个字符，这也是1602名字的由来。

在基于单片机的电子油门检测系统的设计当中需要的液晶显示屏是要将滑动变阻器阻值变化时的模拟信号经过MSP430F149单片机然后将转化的数字信号在显示屏上显示，而1602液晶显示屏就是一种专门用来显示字母、数字等的字符型液晶显示屏。它是由很多个点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以在1602显示屏上显示一个字符。

1602液晶显示屏就是指显示的内容为32个字符,可以显示两行，每行有16个字符的液晶模块。

1602液晶显示屏采用标准的16脚接口,下图3-7为1602管脚分布图：

图3-7LCD1602管脚分布图

在不同的设计中，由于实现功能的不同，所以同一种单片机所使用的显示器的引脚也各不相同，下图3-8所示为本次设计当中LCD1602液晶显示屏上各引脚的功能图：

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图3-8LCD1602管脚功能图

3.3.2液晶显示模块电路设计

早起广泛使用的LED显示屏由于功耗方面和体积方面的原因已不能再满足人们的需要，所以在各行各业开始越来越多的使用液晶LCD。LCD有很种类型，常用的有图形式液晶、字符式液晶、段式液晶等。但是根据本次设计的要求，决定采用1602液晶显示屏。1602的液晶模块内部的字符发生存储器自身就存储了160个不同的点阵字符图形，这其中有我们设计需要的数字和英文字母，并且每个字符对应一个固定代码，这样就很方便我们去编程。液晶模块电路图如图3-9所示，它还可以通过调节变阻器10K的电阻R6接入电路中阻值的大小来调节液晶显示屏的亮度。

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图3-9液晶模块接口电路

3.4数据采集系统设计

滑动变阻器模拟信号 AD转换电路 单片机 MSP430F149 1602 显示 屏 图3-10数据采集系统框图

本次数据采集系统的基本流程如上图所示，当滑动变阻器阻值发生变化时，会在电路中产生电压的变化，单片机MSP430F149采集滑动变阻器移动后的变化的电压值，并通过单片机自身身所具有的模数转换功能，将模拟信号转化为数字信号，并将转换后的数字信号的值存储，通过LCD1602液晶显示屏显示出来。数据采集系统是以MSP430F149单片机为控制核心，通过A/D电路将输入的模拟信号转换为数字信号后显示在LCD1602液晶显示屏上。而滑动变阻器的三个接线柱分别与电源和地线和单片机MSP430F149的58号端口的P6.0/A0相连接，作为模拟信号的输入端。

3.5 PWM直流电机调速

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进

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而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得设电机始终接通电源时，电机转速最大为，设占空比为D=t／T，电枢电压“占空比”与平均电压关系=VmD (2)式中， —— 电机的平均速度；— — 电机全通电时的速度(最大)；D=／卜占空比。由公式(2)可见，当我们改变占空比D：t／T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

PWM电机电路设计，放大电路是电子电路中应用最多的单元电路。利用放大电路可以把微弱的电信号放大到足够的幅度去带动负载工作，完成预定任务。放大电路有很多种，本系统采用结构最简单的单管放大电路。晶体三极管，主要的功能是就电流放大作用，是电子电路的核心元件。

在本次PWM电机调速的设计中，单片机MSP430F149将信号传给放大电路，通过放大电路带动直流电机旋转，放大电路与单片机的P1.2/TA1相连，电路图如图3-11所示：

图3-11 电机电路图

3.6本章小结

本章简单的介绍单片机和它在各方面的应用，以及单片机的各种功能和基于单片机的电子油门检测系统设计中选用的单片机MSP430F149和液晶显示屏LCD1602，并且包括各个引脚的功能和选择这些元器件的原因，以及基于单片机的电子油门检

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测系统的硬件各部分的设计，包括MSP430F149单片机的最小系统、数据采集系统、液晶显示系统、PWM电机调速系统的设计，使其实现基于单片机的电子油门检测系统所需的各种功能，达到最初设计的目的。

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4 软件设计和实物结果分析

4.1编写语言的选择

对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。

软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。

4.2 编译软件介绍

Keil软件简介：

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

4.3程序所实现的功能

系统分为初始化，A/D转换，LED显示，D/A转换电机控制，流程图如下：

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开始 初始化 调A/D转换程序 调A/D转换结果处理程序

结束 调D/A转换程序 调用显示子程序 程序见附录1

4.4实物结果分析

在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏部分元器件。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后将所有接口按照原理图相连，为联机调试做准备。

在将设计所需的元器件都配好以后，安装原理图在面包板上进行焊接调试，元器件在面包板上焊接完成之后再将电源和直流电机连接在电路当中，并将直流电机粘在面包板上。

将所有的元器件配好完成焊接后，经过多次调试后，焊接好的实物如图4-1所示USB口接上电源之后给单片机最小系统和液晶显示屏供电，插座电源连上之后给直流电机供电。其中单片机的P1.2端口接PWM调速的直流电机。

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图4-1实物图

当两个电源连上之后之后，将滑动变阻器的阻值调到0，此时相当于油门踏板深度为零，此时显示器如图4-2所示，此时液晶显示屏上的数字为0，直流电机不旋转，此时说明电子油门检测系统正常。

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图4-2当滑动变阻器阻值为0时

当滑动变阻器部分阻值接入电路时，相当于我们将油门踏板部分踩下，此时显示屏上的数字为185，如下图4-3所示，直流电机开始旋转，转速并不高，但转速会随着阻值接入电路的大小而变化，说明电子油门检测系统正常工作。

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图4-3当滑动变阻器部分阻值接入电路时

当滑动变阻器上的电阻全部接入电路后，显示屏上检测到的数据为406，如下图4-4所示，相当于我们将油门踏板踩到底，而此时直流电机的转速也达到最大，发动机转速最高，说明电子油门检测系统正常工作。

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图4-4当滑动变阻器上的电阻全部接入电路后

4.5本章小结

本章详细介绍了本次设计当中所使用的编写程序的语言和编译的软件，在程序编译完成之后将软件和硬件结合起来，然后开始焊接调试，最后将设计完成，在接通电源之后调试看设计是否满足设计需要。

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5 结 论

基于单片机的电子油门检测系统的设计的主要任务是运用模拟电路和数字电路的基础知识，并掌握单片机的基本原理，来实现单片机对电子油门信号的采集，并与电机的转速做对比，来分析电子油门系统性能是否符合要求。

通过对系统软件的调试硬件的设计，进一步理解了单片机设计过程中所遇到的问题和相应的解决办法，更加清楚的明白电子油门在汽车整体上所发挥的功用，不仅能使汽车内的驾驶员在开车的过程中更加舒适，并且能够减少废气的排放，提高燃油利用率，避免资源的浪费，并且也让我明白电子油门检测系统的基本结构和工作原理。

同时也发现了问题，原设计电路缺乏对节气门开度变化时的电机转速的实现，因此后加入执行单元，采用实时控制的方法，在主机MSP430F149的P1.2口输出PWM信号，控制电机的转速，与1602液晶显示屏显示的节气门的开度做对比，来检测电子油门系统是否符合要求。本文以MSP430F149系列单片机为核心，用MSP430F149单片机作为控制器件，滑动变阻器转模拟电子油门检测系统的电信号，再由MSP430F149转换成为数字信号，并将信号通过PWM调速，并根据液晶显示屏上的和电机的转速做对比，来分析电子油门的性能，从而得出结论。

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n--字符个数

ptr--指向字符存放位置的指针 返回值 ：无

********************************************/ void DispNChar(uchar x,uchar y, uchar n,uchar *ptr) {

uchar i;

for (i=0;i

Disp1Char(x++,y,ptr[i]); if (x == 0x0f) {

x = 0; y ^= 1; } } }

/******************************************* 函数名称：LocateXY

功 能：向液晶输入显示字符位置的坐标信息 参 数：x--位置的列坐标 y--位置的行坐标 返回值 ：无

********************************************/ void LocateXY(uchar x,uchar y) {

uchar temp;

temp = x&0x0f; y &= 0x01;

if(y) temp |= 0x40; //如果在第2行 temp |= 0x80;

LcdWriteCommand(temp,1); }

/******************************************* 函数名称：Disp1Char

功 能：在某个位置显示一个字符 参 数：x--位置的列坐标 y--位置的行坐标

data--显示的字符数据 返回值 ：无

********************************************/

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void Disp1Char(uchar x,uchar y,uchar data) {

LocateXY( x, y ); LcdWriteData( data ); }

/******************************************* 函数名称：LcdReset

功 能：对1602液晶模块进行复位操作 参 数：无 返回值 ：无

********************************************/ void LcdReset(void) {

CtrlDir |= 0x07; //控制线端口设为输出状态 DataDir = 0xFF; //数据端口设为输出状态

LcdWriteCommand(0x38, 0); //规定的复位操作 Delay5ms();

LcdWriteCommand(0x38, 0); Delay5ms();

LcdWriteCommand(0x38, 0); Delay5ms();

LcdWriteCommand(0x38, 1); //显示模式设置 LcdWriteCommand(0x08, 1); //显示关闭 LcdWriteCommand(0x01, 1); //显示清屏 LcdWriteCommand(0x06, 1); //写字符时整体不移动 LcdWriteCommand(0x0c, 1); //显示开，不开游标，不闪烁 }

/******************************************* 函数名称：LcdWriteCommand 功 能：向液晶模块写入命令 参 数：cmd--命令，

chk--是否判忙的标志，1：判忙，0：不判 返回值 ：无

********************************************/ void LcdWriteCommand(uchar cmd,uchar chk) {

if (chk) WaitForEnable(); // 检测忙信号?

CLR_RS; CLR_RW; _NOP();

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DataPort = cmd; //将命令字写入数据端口 _NOP();

SET_EN; //产生使能脉冲信号 _NOP(); _NOP(); CLR_EN; }

/******************************************* 函数名称：LcdWriteData

功 能：向液晶显示的当前地址写入显示数据 参 数：data--显示字符数据 返回值 ：无

********************************************/ void LcdWriteData( uchar data ) {

WaitForEnable(); //等待液晶不忙

SET_RS; CLR_RW; _NOP();

DataPort = data; //将显示数据写入数据端口 _NOP();

SET_EN; //产生使能脉冲信号 _NOP(); _NOP(); CLR_EN; }

/******************************************* 函数名称：WaitForEnable

功 能：等待1602液晶完成内部操作 参 数：无 返回值 ：无

********************************************/ void WaitForEnable(void) {

P4DIR &= 0x00; //将P4口切换为输入状态

CLR_RS; SET_RW;

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_NOP(); SET_EN; _NOP(); _NOP();

while((P4IN & Busy)!=0); //检测忙标志

CLR_EN;

P4DIR |= 0xFF; //将P4口切换为输出状态 }

/******************************************* 函数名称：Delay5ms 功 能：延时约5ms 参 数：无 返回值 ：无

********************************************/ void Delay5ms(void) {

uint i=40000; while (i != 0) {

i--; } }

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8 致 谢

首先，我要感谢冯勇鑫冯老师在这将近五个月的毕业设计过程中给我的各方面的指导。从毕业设计开始选题一直到现在，我走的每一步都离不开冯老师的悉心指点和帮助，从老师身上我体味到了丰富的学养、严谨的作风、求实的态度，勤奋的精神，这都成为了激励我不断前行的动力和标杆。这让我明白不管是在学习上和生活中，都应该真心对待他人，在此，谨向冯老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

当我在键盘上敲下这最后一段文字时，我明白我的大学生活也就要像这篇毕业论文一样画上一个句号，我不能回忆我所经历的每一件事，但我会记得每一个在我前进路上帮助我的人，你们永远都是我前进的动力。

我的毕业课题是基于单片机的电子油门检测系统的设计，这看似是一个的小工程。但作为一个本科生，由于我对设计实物、程序编写方面的经验和能力相对不足，有很多的细节也没有完全考虑。但我的指导老师：冯勇鑫老师并没有指责，而是给了我很多鼓励和很多宝贵的建议，指引我的每一次前行，给了我一个很清晰实用的设计思路。这也让我让我慢慢地也掌握了一些设计的基本流程和思考的方法。当然我遇到了很多的问题，比如元器件如何选择，功能的如何实现等。但幸运地是我的指导老师冯老师给了我莫大的帮助，让这些问题都一一解决。

再次感谢大学里遇到的每一位老师和每一位同学，没有你们也不能成就今天的我。

感谢身在远方的父母!你们给我生活上的关怀和精神上的鼓励是我学习的动力。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l1e3.html