單片機控制摩托車點火器的設(shè)計與制作

摘要：以單片機為控制核心，利用單片機的運算和控制功能，實現(xiàn)對發(fā)動機點火提前角的精確曲線控制，從而使發(fā)動機工作在最理想狀態(tài)，并用液晶顯示模塊實時顯示所測速度和里程。改變了傳統(tǒng)點火方式中點火時間不能隨轉(zhuǎn)速進行曲線控制，不能得到最佳點火點、不能使發(fā)動機在任何轉(zhuǎn)速情況下都能發(fā)揮良好表現(xiàn)的缺點。

點火系統(tǒng)在汽油機中起著非常重要的作用，點火能量必須按規(guī)定要求足夠大，否則就不能點燃氣缸內(nèi)的混合氣；點火時刻或點火提前角是影響發(fā)動機性能的重要參數(shù)之一，每個給定的發(fā)動機運行工況都對應著一個最佳點火提前角，過早或過遲點火，都會直接影響到摩托車的燃油經(jīng)濟性和動力性。為此，通過試驗獲取發(fā)動機的最佳點火提前角，并控制發(fā)動機盡量按最佳時刻點火是設(shè)計關(guān)鍵。

目前，國外大排量的運動型摩托車已開始應用微機控制技術(shù)，日本本田、川崎、鈴木公司等都有這樣的車型推出，而我國在點火提前數(shù)字控制技術(shù)應用方面遠遠落后于發(fā)達國家。事實上，這項技術(shù)在我國生產(chǎn)的轎車汽油機上的應用才剛剛開始，但在摩托車汽油機上還未應用。

1、數(shù)字控制點火系統(tǒng)的組成

數(shù)字控制點火系統(tǒng)主要由霍爾元件、信號整形電路、單片機計算處理器、功率放大高壓點火器及液晶顯示部分等組成。采用發(fā)動機霍爾原件，對發(fā)動機工作行程進行采集，然后由信號處理電路（信號放大、波形變換和波形整形）再對采集到的信號進行整理。由于數(shù)字點火器采用單片機控制電路，只要獲取汽油機的最佳點火提前角規(guī)律，數(shù)字點火器即保證最佳點火，點火系統(tǒng)框圖如圖１所示。在信號處理電路中，放大器用于對采集信號進行放大，以滿足數(shù)字信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路用于將放大后的采集信號轉(zhuǎn)換成單片機可接收的TTL信號，通過單片機的INT0引腳進行接收，使INT0引腳能夠?qū)?nèi)部定時器T0的工作進行控制，精確測出加到INT0引腳的正脈沖寬度（即測出脈沖信號的周期），再根據(jù)脈沖的寬度計算出最佳點火角度，將信號輸出到功率放大高壓點火器，完成點火；同時，單片機再根據(jù)脈沖周期計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過液晶顯示模塊顯示出來。

2、單片機控制點火提前角原理

在發(fā)動機磁電機上安裝2個摩托車專用霍爾原件，一個安裝在最大點火提前角位置上，另一個安裝在發(fā)動機活塞運行的上止點位置，這樣在單片機對其進行采集時，就有了2個參考點。在發(fā)動機剛剛起動時，活塞運行速度較慢，氣缸壓力不足，所以發(fā)動機起動后只有在活塞運行到上止點時，氣缸壓力才為最大，這時點火為最佳時機；當發(fā)動機工作一段時間后，發(fā)動機的點火時刻就要發(fā)生改變，發(fā)動機運轉(zhuǎn)越快點火提前角越應該增大，因為只有提前點火，才能使發(fā)動機在做功行程時有最大的能量釋放，如果不能提前點火，發(fā)動機會顯得無力，車速不能提升；但是提前角也不能過大，提前角過大會浪費能源，作功時有一部分作了負功，所以只有精確控制點火提前角才能使發(fā)動機輸出功率最大，能源消耗最少。

2.1單片機工作頻率的選擇

因為摩托車高速運行時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可達10000r/min，這時點火提前角應為最大。由于摩托車排量不同，活塞運行的行程和缸徑也不同，所以提前角也不同。250mL系列最大提前角為15°，要保證提前角每5°時火花塞至少要2次點燃，單片機輸出的頻率至少為：2×（360/5）×10000＝1440000Hz/min；而采用普通的單片機工作頻率為12MHz，完全可滿足要求。

2.2新型點火器與普通點火器的區(qū)別

新型點火器與普通點火器的不同點是：普通點火器工作時考慮在什么時間點火，而單片機控制的點火器考慮的是在什么時間不點火，也就是在發(fā)動機工作過程中只有少部分時間停止點火，從圖2中看出，使用了單片機點火系統(tǒng)后，增加了點燃沖程和排氣沖程的點火觸發(fā)次數(shù)，這樣發(fā)動機混合氣燃燒十分充分，不會出現(xiàn)燃燒不徹底、火花塞積碳不能正常工作等現(xiàn)象。而且在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，在最大提前角內(nèi)至少保證有6次以上點火過程；在排氣沖程時繼續(xù)高頻點火，使未完全燃燒的混合氣充分燃燒，再次清理火花塞而完成高頻點火。

2.3單片機控制點火提前角

使用2個霍爾元件對發(fā)動機進行采集，經(jīng)過放大整形后，把整形好的信號輸入到單片機，單片機對其進行分析，根據(jù)2個霍爾元件間的時間差計算出當時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，也就是它們的時間差越短即發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高；同時，通過液晶顯示模塊顯示出速度情況，并根據(jù)此數(shù)據(jù)分析出發(fā)動機工作在哪個區(qū)域（低速區(qū)、中速區(qū)或高速區(qū)），根據(jù)不同的區(qū)域進行點火提前角的控制。當發(fā)動機運行時，發(fā)動機各傳感器將監(jiān)測到負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速及水溫等參數(shù)，并送到電腦中，經(jīng)對這些信息進行分析處理，按照發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由單片機計算出相應的點火提前角度。

單片機控制點火的最大優(yōu)點是可對發(fā)動機的工作情況進行綜合考慮，如當發(fā)動機溫度偏高，機油量過低時，再加速行駛時，將對發(fā)動機造成損失，此時單片機會自動對點火器進行控制，使發(fā)動機只能工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)，不管騎乘者怎樣加大油門，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也不會提高（因為要使發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高的必要條件是點火角度的變化）。經(jīng)實驗證明，鈴木250mL摩托車被控后最多只會在40km/h的速度內(nèi)行駛，本田400mL摩托車被控后最多只會在55km/h的速度內(nèi)行駛。

總之使用單片機控制發(fā)動機工作狀態(tài)將成為今后發(fā)展的必然趨勢，由于發(fā)動機使用了智能芯片，根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)情況自動分析直接控制發(fā)動機并且能制止人為的不良干預從而使得發(fā)動機得以有效的保護。還可很方便的加裝各種電子產(chǎn)品例如觸摸式密碼鎖、遙控器、鐘表顯示、數(shù)字定速等，這些功能都是單片機很容易實現(xiàn)的。