KR20040018287A - 연료 관리자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 Idling stop에 관한 것이다. 자동차가 신호대기 중이거나 주차나 정차 중에 일정시간(매니저 타임)이 지난 후 자동으로 자동차의 시동을 꺼주는 발명이다. 또한, 사용자가 출발을 하기 위해 클러치를 밟게 되면 자동으로 시동을 걸어주어 사용자의 불편함을 덜어주는 발명이다.

이에 MPU(micro controller)를 사용하여 구조를 단순화 하였으며, 정확도와 안전성을 꾀하였다.

우선 자동차가 정차하게 되면 사용자가 적잖은 시간을 정차하려 한다면 기어를 뺀 상태에서 클러치를 놓고 있으려 할 것이다. 이러한 상황을 MPU가 입력받게 되면 사용자에 의해 정해진 매니저 타임이 카운트 되게 된다. 이 매니저 타임이 0이 되는 순간 자동차의 시동은 자동으로 꺼지게 된다.

사용자는 센서 ON, OFF 스위치로 센서의 사용여부를 쉽게 정할 수 있고, 또 이러한 설정상태는 센서 LED로 확인 할 수 있다. 또한 사용자는 설정모드에서 손쉽게 매니저 타임을 1∼9초까지 맘대로 정할 수 있다. 또한 바뀐 매니저 타임은 세그먼트를 통해 바로 확인할 수 있고, 또한 매니저 타임이 카운트 다운하는 상황도 세그먼트로 확인 할 수 있다.

자동차를 출발시키려면 기어를 넣어야 되고, 이에 앞서 클러치를 밟아야 한다. 이 상황을 MPU가 인식하여 자동으로 시동을 걸어 주는 작동을 한다.

만약 사용자가 클러치를 계속 밟고 있다면 매니저 타임은 카운트되지 않는다. 또한 매니저 타임이 카운트되는 도중이라도 사용자가 센서를 터치하면 매니저 타임은 언제든지 리셋되어 초기값부터 다시 카운트를 시작한다. 매니저 타임이 카운트되고 있는 도중에 사용자가 클러치를 밟게 되면 매니저 타임은 다시 리셋되고, 카운트를 시작할 상황(바퀴가 정지해 있고, 클러치가 놓은 상태)를 계속 기다린다.

운전중 Fuel manager를 켜더라도 수 밀리 초안에 초기화가 되므로 운전에는 전혀 지장이 없고, 이와 반대로 운전중 끄게되면 예전처럼 사용자가 자동차 키를 이용하여 시동을 꺼야만 시동이 꺼진다.

매니저 타임은 항상 세크먼트로 확인 할 수 있으며, 이 설정된 값은 사용자가 설정 모드에서 언제든지 바꿀 수 있다. 또한 센서의 사용여부도 설정 모드에서 사용자가 재 설정을 할 수 있다.

또한 MPU를 사용함으로써 안전성과 정확성을 높였고,추후에 프로그램만 바꿈으로써 언제든지 손쉽게 upgrade도 할 수가 있다. 또한 MPU의 정상 작동 확인 LED를 이용하여 MPU가 정상으로 작동하고 있는지를 언제든지 확인 할 수가 있다.

[색인어]

매니저 타임 : Fuel manager에서 설정된 시간(사용자(사용자)에 의해서 재설정 가능)으로 어떤 조건하에서 매니저 타임이 0이 되면 자동차의 시동이 꺼진다. 정상작동확인LED : MPU의 정상작동을 Checking할 수 있는 LED로 만약 이 LED가 꺼져 있다면 MPU가 정상작동을 하지 않고 있다는 뜻이다. 3-클러치(Magnetic) 센서 : 내구성이 이미 입증되었고 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있는 센서로 이 센서를 이용하여 클러치의 밟힘 유무를 확인하였다. 7-속도센서 : 자동차의 속도를 측정하기위하여 바퀴에 장착되어 있는 센서이다. 8-감지센서 : 우리주의에서 쉽게 볼 수 있는 어떤 센서라도 장착할 수 있다. (ex, 광센서) 10-모드설정LED : Fuel manager가 작동모드상태(OFF)인지 설정모드상태(ON)인지를 눈으로 확인할 수 있다. 11-센서 LED : 사용자가 센서를 사용(ON)하도록 하였는지, 사용하지 않도록 하였는지 눈으로 확인할 수 있다.

Description

연료 관리자{Fuel Manager}

이번 발명에 속하는 기술분야는 자동차공학, 전자공학, 디지털, 마이크로프로세서, C언어등으로 이루어져 있다.

자동차의 Idling 상태에서 엔진을 정지시킨다는 개념은 종래에는 보기 드문 생각이었다. 하지만 이미 선진국에서는 이 분야에 대한 활발한 연구가 있었고, 이 결과 Idling 상태에서 엔진을 정지 시켰을 때 상당한 이득이 있다는 연구 결과를 얻었다. 우리 나라에서는 이제 막이쪽에 대한 연구가 시행되고 있는 것으로 알고 있고 또한 아날로그적인 회로를 통하여 Idling 상태에서 엔진을 정지시킨다는 개념이 도입된 것으로 알고 있다. 하지만 아날로그 회로는 약간의 부정확한 점과 손쉽게 제어할 수 없다는 단점을 가지고 있다.(한 예로 우리주위에서 아날로그 테스터기나 Power supply보다는 디지털 테스터기나 Power supply가 더 많이 쓰이고있다.)

Ilding 상태에서 엔진을 정지시켜 더 많은 이득을 얻으려면 사용자에 알맞는 설정이 손쉽게 이루어져야 Idling stop의 효과를 극대화 할 수 있다.

본 발명은 아날로그보다 더 정확하고 더 효과적으로 제어를 할 수 있는 Digital(MPU)을 도입하여 Idling 상태를 더 효율적으로 제어하는 것을 목표로 하고 있다. 물론 오늘날의 자동차에 들어가 있는 ECU와도 쉽게 결합할 수 있을 것으로 예견하는 바이다.

MPU에 각종 기능을 추가한 프로그램을 다운로드 해서 Idling stop 기능을 수행하도록 만든 것이다. 작동 순서는 다음과 같다. 우선 사용자가 적잖은 시간동안 정차하려 한다면 기어를 뺀 상태에서 클러치를 놓고 있으려 할 것이다. 이러한 상황을 MPU가 입력받게 되면 사용자에 의해 정해진 매니저 타임이 카온트 되게 된다. 이 매니저 타임이 0이 되는 순간 자동차의 시동은 자동으로 꺼지게 된다.

★ 시동을 꺼지게 하는 원리는 다음과 같다.

[도2] 를 보면 12에 자동차 전원 OUT (점화장치 포함)이라도 되어있는 부분이 있는데, 일반 자동차에는 자동차 ON상태와 12부분이 연결되어 있다. 하지만 Fuel Manager를 설치하면서 이 부분을 점화장치 릴레이 스위치로 연결해 놓았다. 평소에는 예전처럼 연결되어 있지만 매니저 타임이 0이 되면 릴레이 스위치가 작동하여 자동차 전원 OUT (점화장치포함)의 연결을 끊어 놓았다가 다시 연결을 한다. 이로써 자동차 실린더 안의 스파크가 멈추게 되고 따라서 엔진은 정지하게 된다.마치 사람이 손으로 키를 OFF 상태로 놓았다가 다시 ON 상태로 놓게 되는 효과를 얻게 된다. 이렇게 함으로써 사용자는 실내 전기 시스템을 불편없이 사용할 수 있다. 사용자가 자동차를 출발시키려면 기어를 넣어야 되고, 이에 앞서 클러치를 밟아야 한다. 이 때 MPU가 인식을 하여 자동으로 시동을 걸어 주는 작동을 한다.

★ 시동이 걸리는 부분의 원리는 다음과 같다.

우선 클러치를 밟는 신호가 들어오면 MPU는 시동모터에 전압을 인가해서 시동모터를 2초간 작동시킨 후 발전기에서 일정한 전압이 걸려 신호 (엔진에 연결되어 있으므로 발전기에서 전압이 승압 되었다는 것은 엔진이 작동한다는 의미가 된다.)가 MPU로 들어가면 시동모터를 정시시킨다. 하지만 발전기에 전압이 걸리지 않아 신호가 안들어 오면 MPU는 시동모터를 0.5초 동안 OFF 시킨 후 다시 2초 동안 작동을 시킨다. 이러한 작업은 발전기가 작동할 때, 즉 엔진이 제대로 작동할 때까지 진행된다. 마치 시동이 안 걸렸을 때 사람이 시동을 거는 효과와 비슷하다. (물론 이러한 시간은 프로그램에서 쉽게 정정할 수 있다.)

※ 물론 운전을 하다보면 반 클러치를 사용하는 상황이 발생하는데, 이 상황을 클러치가 밟은 상황으로 결정하는 것은 클러치 센서의 적절한 위치가 결정하여 준다.(설치자나 사용자가 적절한 위치에 설치하여야 한다.)

만약 사용자가 클러치를 계속 밟고 있다면 매니저 타임은 카운트되지 않는다. 또한 매니저 타임이 카운트되는 도중이라도 사용자가 센서를 터치한다면 매니저 타임은 언제든지 리셋되어 초기값부터 다시 카운트를 시작한다. 매니저 타임이 카운트되고 있는 도중에 사용자가 클러치를 밟게 되면 매니저 타임은 다시 리셋되고, 카운트를 시작할 상황(바퀴가 정지해 있고, 클러치를 놓은 상태)을 계속 기다린다.

운전 중 Fuel manager를 켜더라도 수 밀리 초안에 초기화가 되므로 운전에는 전혀 지장이 없고, 이와 반대로 운전 중 끄게되면 예전처럼 사용자가 자동차 키를 이용하여 시동을 꺼야만 시동이 꺼진다.

매니저 타임은 항상 세크먼트로 확인 할 수 있으며, 이 설정된 값은 사용자가 설정 모드에서 언제든지 바꿀 수 있다. 또한 센서의 사용여부도 설정 모드에서 사용자가 설정을 할 수 있다.

또한 MPU를 사용함으로써 안전성과 정확성을 높였고, 추후에 프로그램만 바꿈으로써 언제든지 손쉽게 upgrade도 할 수가 있다. 또한 MPU의 정상 작동 확인 LED를 이용하여 MPU가 정상으로 작동하고 있는지를 언제든지 확인 할 수가 있다.

[도1] 릴레이로 MPU가 보호받고 있는 릴레이 구조도

[도2] 자동차와 연결도-Fuel Manager와 자동차와의 연결을 나타낸 도면이다.

[도3] 내부 회로도

<1. 하드웨어 적인 구성>

<MPU로 쓰인 CMOS Micro-controller에 대한 부연 설명>

< AT90S8535의 특징>

- ISP(In-system programming) 기능 : 롬라이터 없이 PC에서 바로 프로그램을 다운로딩

- 118개의 명령어

- 프로그램 메모리 : 8K Bytes

- 데이터 메모리 : SRAM 512 Bytes, EEPROM 512 Bytes

- Two 8-bit Timer/Counter with Separate Prescaler and Compare Mode

- One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare, Capture Modes and 8-, 9- or 10-bit PWM

- On-chip Analog Comparator

- Programmsble UART

- 8-channel, 10bit A/D Convertor

- 32 bidirectional I/O Port

- 동작전압 : 4V～6V

- 명령어 속도 : 8MHz (8MIPS)

<A형태의 12V릴레이 스위치에 대한 부연 설명>

릴레이 스위치(계전기(經電器))란 일반적으로 전기회로를 개폐(開閉)하는 조작을 다른 전기회로의 전기적(電氣的)인 세력의 변화에 의하여 행하는 장치.

따라서 자동차와 fuel manager 사이에 전기적인 신호 흐름은 릴레이 스위치를 통하여 이루어진다.

아래와 같은 릴레이 스위치는 자동차의 12V가 릴레이를 거쳐 5V의 신호로 바뀌는 것을 말한다. 즉 발전기가 꺼져 있을 경우 라인에서 나오는 전압은 보통 0V∼1.7V가 흐르게 되고 이 전압은 12V 릴레이를 작동시키지 못하게 된다. 따라서 릴레이를 통해 나오는 전압은 0V(GND)가 나오게 된다. 또한 발전기가 작동되면 라인을 통해서 나오는 전압은 대략 13V∼13.4V이므로 릴레이를 작동시켜 릴레이를 통하여 나오는 전압은 5V가 된다.

<B형태의 5V릴레이 스위치에 대한 부연 설명>

아래와 같은 5V릴레이 스위치는 5V로 동작되는 스위치이다. 즉 MPU에서 0V를 내보내면 릴레이를 통하여 나오는 전압은 0V가 나오게 되고 MPU에서 5V를 내보내면 릴레이를 통하여 나오는 전압은 battery의 전압이 된다.

<C형태의 5V릴레이 스위치에 대한 부연 설명>

아래와 같은 5V릴레이 스위치는 ON, OFF 방식을 반대로 연결한 것이다. 즉MPU에서 0V의 전원이 들어왔을 때 릴레이 스위치를 통하여 나오는 전압은 battery의 전압이 나오게 되고 MPU에서 5V의 전압이 나오게 되면 0V의 전압이 나오게 된다.

점화장치에 아래와 같은 방식의 릴레이를 사용한 이유는 만약 fuel manager를 작동시키지 않았을 경우 MPU는 작동하지 않기 때문에 MPU를 통하여 전압이 발생되지 않는다. 따라서 MPU가 고장이 나거나 혹은 fuel manager를 OFF 시켰을 경우 아무런 불편 없이 예전처럼 자동차는 작동을 하게 된다.

<클러치 센서로 쓰인 마그네틱 센서의 부연 설명>

센서를 클러치 바닥에 붙여 놓고 자석을 클러치에 적절한 위치에 붙이게 된다.

그러면 클러치를 밟지 않았을 경우 센서는 0V를 내보내고, 클러치를 밟게 되면 센서와 자석이 가까워져서 반응을 하게 된다. 이때 센서는 5V를 내보내게 된다.

※ 반 클러치 상태를 클러치가 밟힌 것으로 MPU가 신호를 받으려면 자동차에 적절한 설치위치가 중요하다.

<풀업 스위치에 대한 부연 설명>

본 발병은 Digital 신호에 의해서 작동을 하므로 Low(0V) 혹은 High(5V)를 입력하여야 오류가 발생하지 않는다. 따라서 아래와 같은 풀업 저항을 이용한 스위치를 사용하였다.

풀업 저항을 사용한 스위치는 평상시에는 H를 유지하다가 사용자가 눌렀을 때 L가 되며, 사용자가 손을 떼면 또 다시 H를 유지하는 스위치를 말한다. 즉, 사용자에 의하여 순간 L가 되는 신호를 MPU에서 받아서 처리하는 방식이다.

<광 센서에 대한 부연 설명>

아래와 같은 형식의 광 센서는 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있는 형식으로 라인트레이서나 혹은 마이크로 마우스에서 흔히 사용하는 센서이다.

한쪽에는 발광소자(적외선을 내보내는 다이오드)가 있고, 반대쪽에는 수광소자(적외선에 반응을 잘하는 트랜지스터)가 있다. 수광소자는 적외선의 양에 따라서 저항값이 변한다. 예를 들면 적외선량이 많아 졌을 경우 수광소자의 저항값는 낮아지고, 적외선량이 적어지면 저항값이 높아진다. 즉, 사람이 손으로 센서를 접촉하였을 경우 발광에서 나온 적외선이 손에 반사하여 수광소자로 더 많은 적외선이 도달하게 된다. 이러한 신호를 OP amp를 거쳐서 Digital 신호로 바꾸어서 MPU에 보내게 된다. 따라서 평상시 사람의 손이 닿지 않으면 L값이 MPU로 들어가다가, 사람의손이 닿게 되면 H값이 신호로 들어가게 된다. L에서 H로 신호가 전환 될 때 interrupt1이 수행되어 매니저 타임을 초기화한다.

<바퀴의 속도 센서와 counter의 부연설명>

바퀴의 속도 센서는 바퀴가 회전시 사각펄스가 나오게 된다. 이 펄스를 counter0에 입력함으로써 펄스의 개수를 세게 된다. 즉 이 펄스의 개수가 바퀴의 움직임을 나타낸다, 만약 1초 동안 하나의 펄스도 나오지 않으면 차량은 정지한 것으로 본다.(물론 이 시간은 프로그램에서 맘대로 설정을 바꿀 수 가 있다.)

<2. 소프트웨어적인 구성>

모드 설정 스위치는 우선 순위가 1번인 External interrupt0(외부 인터럽트)이다. Fuel manager가 처음 작동할 때는 mode의 값이 1이므로 작동모드로 되어 있다. 이 때는 Fuel manager가 정상적으로 작동하게 된다. 하지만 mode 스위치를 한번 누르게 되면 mode의 값이 0이 되고 아무리 main 함수(우선 순위5번)가 작동하고 있는 상태라 하더라도 우선 순위가 1번인 interrupt가 작동하므로 mode의 값은 0으로 변하면서 설정 모드로 바뀌게 되고 설정모드 확인 LED가 켜지게 된다. 이로써 사용자는 Fuel manager가 설정모드로 바뀐 것을 확인할 수 있다.

이때 main 함수(우선 순위5번)에서 사용자가 원하는 매니저 타임과 센서의 ON, OFF 여부를 스위치를 이용해 바꿀 수 있고 또한 매니저 타임도 사용자가 원하는 시간(1초∼9초)으로 바꿀수 있다.

다시 한번 모드 설정 스위치를 누르게 되면 mode의 값은 1이 되고 설정모드확인 LED는 꺼지면서 작동모드로 전환된다. 사용자가 바꾼 설정값은 EEPROM에 저장(우선 순위1번)이 되고, 그 이후 다시 main 함수(우선 순위5번)로 정상적으로 작동을 시작한다.

즉, 설정모드 확인 LED ON →설정모드

설정모드 확인 LED OFF →작동모드이다.

센서 ON, OFF 스위치는 우선 순위가 2번인 External interrupt1(외부 인터럽트)이다.

만약 사람이 손으로 센서를 터치했을 경우 매니저 타임은 리셋 되고, 다시카운트다운을 시작한다.

1초마다 바퀴의 정지 여부를 확인하고, 만약 사용자가 클러치를 놓았다면 매니저 타임을 카운트 다운한다. 카운트다운 도중에 사용자가 클러치를 밟게 되면 카운트다운을 멈추고 매니저 타임은 리셋 된다.

작동확인 LED는 Timer2 interrupt에 의해서 매 0.03초마다 끄고 켜기를 반복한다. 하지만 LED OFF →LED ON →delay_ms(2)를 수행하여 LED가 켜져 있는 시간이 많게 된다. 따라서 Timer2 interrupt가 계속 수행되고 있는 동안에는 LED가 마치 켜져 있는 것처럼 보이게 된다. 만약 MPU가 작동을 안하면 Timer2 interrupt도 작동을 안하게 되고 따라서 LED는 꺼지게 된다. 이로써 MPU의 상태를 눈으로 확인 할 수 있게 된다.

변수인 Mode의 값이 1이냐? 0이냐에 따라서 모드의 선택이 달라진다. Mode의 값이 1이면 작동모드가 되고 0이면 설정모드가 된다. 이 모드의 값은 Mode 설정 스위치를 누를 때마다 바뀌게 된다.

Mode의 값이 1일 경우 작동모드가 된다.

우선 매니저 타임이 0이 되었는가를 판별하게 된다. 만약 매니저 타임이 0이 되었다면, 자동차 전원(점화장치)을 ON→OFF(0.5초동안)→ON 시켜 자동차의 엔진을꺼준다. 만약 다시 자동차 전원(점화장치)을 ON 시켜 주지 않으면 우리는 엔진을 정시시키는 동안에 다른 전기적인 시스템을 사용하지 못하게 된다. 따라서 짧은 순간 동안 자동차 전원(점화장치)을 끊었다가 다시 ON 시킴으로써 우리는 그 밖의 전기적인 시스템을 다시 사용할 수 있다.

엔진이 꺼져 있는 상태에서 사용자가 클러치를 밟게 되면 시동모터가 ON 된다. 이로써 엔진이 다시 돌아가게 된다. 엔진의 작동 여부는 발전기의 ON, OFF로 확인 할 수 있다. 발전기가 ON되었다는 말은 엔진이 작동하고 있다는 것과 같다. 만약 발전기가 OFF되었다면 시동모터는 0.5초 동안 OFF되었다가 다시 2초 동안 ON 될 것이다. 발전기가 ON 될 때까지 무한 반복을 거듭하게 된다. 시동이 한번에 걸리지 않았을 경우 MPU는 계속해서 시동을 시도한다. 물론 이러한 시동모터의 ON, OFF 시간 설정은 프로그램 Coding시 간단하게 바꿀 수 가 있다.

발전기가 ON되면 MPU는 곧 바로 시동모터를 OFF시킨다. 또한 매니저 타임을 초기화한다.

Mode의 값이 0일 경우 설정모드가 된다.

시간 조절 스위치를 누르면 매니저 타임은 점점 증가하게 된다. 이 증가된 값은 곧바로 세그먼트로 출력이 되고 사용자는 세그먼트를 보면서 매니저 타임을 손쉽게 바꿀 수가 있다. 만약 매니저 타임이 9초를 초과하게 되면 다시 1초가 된다.

센서 ON, OFF 스위치를 누를 때마다 변수 sensor의 값은 1과 0을 반복하게 된다. 만약 sensor의 값이 1이 되면 센서 LED가 켜지면서 External interrupt1(외부 인터럽트)은 사용가능이 되면서 센서기능을 사용할 수 있다. sensor의 값이 0이 되면 센서 LED가 꺼지면서 External iuterrupt1(외부 인터럽트)은 사용불가 되어 센서기능을 사용할 수 없게 된다.

이렇게 설정이 끝나면 모드 설정 스위치를 누르고 변경된 설정값은 EEPROM에 저장되는 동시에 설정모드에서 작동모드로 전환되어 Fuel manager를 재 가동하게 한다.

다음은 최종 프로그램에 대한 소스이다.

이로써 연료 절감 효과와 환경오염을 방지할 수 있다. 물론 시동을 꺼 놓는 시간에 따라 연료의 절감효과가 떨어지겠지만, 이러한 문제는 사용자가 자신의 운전 스타일에 맞추어서 세그먼트를 보면서 매니저 타임(자동으로 시동을 꺼주는 시간)을 1∼9초까지 손쉽게 설정함으로써 최대의 효과를 기대하는 바이다. 또한, 자동차가 꺼져 있는 동안 소음 공해도 줄일 수 있다.

이러한 Idling stop은 국제사회 연료 절감의 효과와 환경 오염 방지로 이미 입증이 되었으며, 각국에서 적극적으로 Idling Regulations을 만들어 Enforcement and Penalties등의 제재 방안이 만들어지고 있는 실정이다. 미국의 예를 들면 각 주마다 제각기 Idling Regulations을 만들어 시행하고 있다.

이로써 효과적으로 Idling stop을 관리할 수 있는 시스템을 생각하게 되었고, 이러한 시스템은 정확성과 안전성이 우선시 되어야 한다. 따라서 이번 발명에는 현대의 과학 산물인 MPU(micro-controller)를 사용하였다. 이 MPU는 그 동안 정확성화 안전성이 이미 입증되어 있다. 행여나 주행중에 MPU가 멈추어 버리는 상황이 발생한다면 종전에 Fuel manager를 장착하지 않은 상태 혹은 Fuel manager가 OFF되어 있는 상태가 되도록 설계를 하였다. 따라서 아무런 문제가 발생하지 않는다. 또한 MPU는 큰 외란이나 충격도 막을 수 있는 릴레이로 보호받고 있으므로 자동차의 전기 시스템에 심각한 이상이 발생하더라도 MPU는 영향이 없다. 이에 대한 구조는 [도1] - 전체적인 릴레이 구조도를 싣겠다.

Claims (1)

1. 본 발명은 micro-controller와 기타 센서로 이루어 졌으며 [도2] - 자동차와 연결도 와 같이 자동차에 설치하여 자동차의 상태(정지상태, 주행상태)를 자동차 내부의 여러 장비(발전기, 시동모터, 속도 센서, 그 밖의 센서 등으로)등으로 파악하여 일정시간(사용자에 의해서 정해진) 이상 정차시 자동으로 시동을 꺼주고 자동차 출발시를 미리 감지하여 시동을 걸어 주는 역할을 하는 연료 관리자(Fuel manager)이다.