一種基于單片機(jī)的汽車電子點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)工作原理
發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻是通過控制點(diǎn)火提前角(即點(diǎn)火時(shí)活塞位置到上止點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)過的角度)來實(shí)現(xiàn)的。影響火花塞點(diǎn)火時(shí)刻的因素主要有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷大小、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體爆震等。
整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)硬件電路主要由傳感器及信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、電控單元、點(diǎn)火電路、電源及火花塞等部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
各傳感器的輸出信號經(jīng)相應(yīng)調(diào)理電路調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送入單片機(jī)。單片機(jī)依據(jù)一定的控制策略、算法對輸入信號運(yùn)算處理，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果，在合適時(shí)刻給出控制信號?？刂菩盘柦?jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，控制點(diǎn)火控制電路工作，通過火花塞最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感器
及其調(diào)理電路
主要包括轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、爆震傳感器和節(jié)氣門開度傳感器及其相應(yīng)調(diào)理電路。
2.1.1 轉(zhuǎn)速傳感器及其調(diào)理電路
采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，其作用是測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角位置。傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理電路整形、放大后號送入單片機(jī)外部計(jì)數(shù)器T0(P3.4)引腳上，由單片機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)對其計(jì)數(shù)便可測量其轉(zhuǎn)速和曲軸位置。
2.1.2 水溫傳感器及其調(diào)理電路
采用集成溫度傳感器MAX6611測量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度。單片機(jī)依據(jù)水溫信號對點(diǎn)火提前角作相應(yīng)調(diào)整：當(dāng)水溫低時(shí)增大點(diǎn)火提前角，而水溫高時(shí)減小點(diǎn)火提前角。傳感器輸出信號經(jīng)二極管雙向限幅和RC濾波電路調(diào)理后接到ADC0809的信道0上。
2.1.3 爆震傳感器及其調(diào)理電路
采用安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的壓電加速度傳感器來測量發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號，并依據(jù)是否發(fā)生爆震而對點(diǎn)火提前角作相應(yīng)調(diào)整。傳感器輸出信號經(jīng)兩級濾波電路調(diào)理后接到ADC0809的信道1上。
2.1.4 節(jié)氣門開度傳感器調(diào)理電路
發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷的測量是通過線性輸出型模擬式節(jié)氣門傳感器(TPS)來實(shí)現(xiàn)的。傳感器輸出信號經(jīng)雙向限幅濾波調(diào)理電路后接到ADC0809的信道2上。
2.2 電控單元及A／D轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)作為控制器。A／D轉(zhuǎn)化器采用ADC0809對前端輸入信號進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的信號有水溫信號、節(jié)氣門開度信號和爆震信號。單片機(jī)與A／D轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖2所示。
由ADDA，ADDB和ADDC選擇轉(zhuǎn)化信道，信道0輸入溫度信號、信道1輸入爆震信號、信道2輸入節(jié)氣門開度信號，轉(zhuǎn)化后的信號通過P1口輸入到單片機(jī)內(nèi)部。其中AT89C2051的P3.4(T0)對曲軸轉(zhuǎn)速信號計(jì)數(shù)，確定轉(zhuǎn)速和曲軸位置。通過P3.5輸出點(diǎn)火控制信號。
2.3 點(diǎn)火控制電路設(shè)計(jì)
點(diǎn)火電路的作用是產(chǎn)生火花塞點(diǎn)火所需的高壓。其輸入是來自單片機(jī)P3.5引腳的點(diǎn)火控制信號，輸出端接到火花塞上。電路如圖3所示。
單片機(jī)的P3.5輸出高電平時(shí)，T1和T2都截止，12 V電壓通過R4和L1對C7充電。當(dāng)單片機(jī)P3.5輸出低電平時(shí)(發(fā)出點(diǎn)火控制信號)，T1，T2導(dǎo)通，則C7兩端的電壓立即變位低電平(即C7迅速放電)，從而使流過L1的電流突變，L2兩端產(chǎn)生點(diǎn)火高壓。其中D1起保護(hù)T2的作用。
2.4 電源電路設(shè)計(jì)
在汽車系統(tǒng)中一般只提供12 V的直流電壓，而芯片大都需要5 V的電壓。本系統(tǒng)采用集成芯片W78L05設(shè)計(jì)了12 V到5 V的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要由主程序及延時(shí)子程序、計(jì)算基本點(diǎn)火提前角子程序、計(jì)數(shù)T0中斷服務(wù)子程序、A／D轉(zhuǎn)化子程序、點(diǎn)火提前角修正子程序和點(diǎn)火子程序組成。本系統(tǒng)采用匯編語言編寫了源程序。
3.1 主程序
系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化(包括單片機(jī)的初始化，ADC0809的初始化，計(jì)數(shù)器T0的初始化)，接著獲取轉(zhuǎn)速信號確定基本點(diǎn)火提前角，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)化采集水溫、爆震和節(jié)氣門開度信號，對采集的信號進(jìn)行運(yùn)算處理，最后等待點(diǎn)火時(shí)刻的到來并發(fā)出點(diǎn)火控制信號實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)點(diǎn)火。
3.2 計(jì)算基本點(diǎn)火提前角子程序
本系統(tǒng)的基本點(diǎn)火提前角由轉(zhuǎn)速信號確定，采用查表法確定基本點(diǎn)火提前角。首先建立兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一為轉(zhuǎn)速表v(v[0]，v[1]，v[2]，…，v[i]，v[i+1]，…)和基本點(diǎn)火提前角表。兩表中的元素個(gè)數(shù)相等，且都以升序排序。Vi對應(yīng)的基本點(diǎn)火提前為基本點(diǎn)火提前角表中的第i個(gè)元素。為了減少查找的次數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)采用了二分法對轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢索。
3.3 水溫對點(diǎn)火提前角修正子程序
水溫對點(diǎn)火提前角進(jìn)行雙重修正，即暖機(jī)修正和過熱修正。當(dāng)水箱溫度過低，應(yīng)加大點(diǎn)火提前角，即進(jìn)行暖機(jī)修正。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度過高，應(yīng)減小點(diǎn)火提前角，即進(jìn)行過熱修正。
本設(shè)計(jì)中水溫對點(diǎn)火提前角修正也采用查表法，建立2個(gè)修正表：過熱修正表(升序表)和暖機(jī)修正表(降序表)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)水溫對點(diǎn)火提前角最大修正5°，采用直接查找法。首先確定對點(diǎn)火提前角零修正的水溫T，測得的水溫t大于T則查找過熱修正表進(jìn)行過熱修正，否則查找暖機(jī)修正表進(jìn)行暖機(jī)修正。
3.4 爆震信號對點(diǎn)火提前角修正子程序
系統(tǒng)對點(diǎn)火提前角修正是為了使發(fā)動(dòng)機(jī)始終接近爆震臨界狀態(tài)，即處于一種“臨界控制”方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)既接近爆震區(qū)又不進(jìn)入爆震區(qū)，此時(shí)缸內(nèi)燃燒的熱效率最高。測到有爆震信號點(diǎn)火提前角增加2°，測得無爆震信號時(shí)點(diǎn)火提前角減小2°。設(shè)臨界狀態(tài)對應(yīng)的爆震信號為F，當(dāng)測得的爆震信號f大于F時(shí)點(diǎn)火提前角減2°，否則點(diǎn)火提前角加2°。
另外，節(jié)氣門開度對點(diǎn)火提前角修正子程序采用直接查表法。
4 結(jié) 語
本點(diǎn)火裝置具有及時(shí)性高、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對點(diǎn)火提前角的優(yōu)化控制。該系統(tǒng)已調(diào)試成功。
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