單片機控制摩托車(chē)點(diǎn)火器的設計與制作

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(shí)現對發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火提前角的精確曲線(xiàn)控制，從而使發(fā)動(dòng)機工作在最理想狀態(tài)，并用液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測速度和里程。改變了傳統點(diǎn)火方式中點(diǎn)火時(shí)間不能隨轉速進(jìn)行曲線(xiàn)控制，不能得到最佳點(diǎn)火點(diǎn)、不能使發(fā)動(dòng)機在任何轉速情況下都能發(fā)揮良好表現的缺點(diǎn)。

點(diǎn)火系統在汽油機中起著(zhù)非常重要的作用，點(diǎn)火能量必須按規定要求足夠大，否則就不能點(diǎn)燃氣缸內的混合氣；點(diǎn)火時(shí)刻或點(diǎn)火提前角是影響發(fā)動(dòng)機性能的重要參數之一，每個(gè)給定的發(fā)動(dòng)機運行工況都對應著(zhù)一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角，過(guò)早或過(guò)遲點(diǎn)火，都會(huì )直接影響到摩托車(chē)的燃油經(jīng)濟性和動(dòng)力性。為此，通過(guò)試驗獲取發(fā)動(dòng)機的最佳點(diǎn)火提前角，并控制發(fā)動(dòng)機盡量按最佳時(shí)刻點(diǎn)火是設計關(guān)鍵。

目前，國外大排量的運動(dòng)型摩托車(chē)已開(kāi)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(chē)型推出，而我國在點(diǎn)火提前數字控制技術(shù)應用方面遠遠落后于發(fā)達國家。事實(shí)上，這項技術(shù)在我國生產(chǎn)的轎車(chē)汽油機上的應用才剛剛開(kāi)始，但在摩托車(chē)汽油機上還未應用。

1、數字控制點(diǎn)火系統的組成

數字控制點(diǎn)火系統主要由霍爾元件、信號整形電路、單片機計算處理器、功率放大高壓點(diǎn)火器及液晶顯示部分等組成。采用發(fā)動(dòng)機霍爾原件，對發(fā)動(dòng)機工作行程進(jìn)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(jìn)行整理。由于數字點(diǎn)火器采用單片機控制電路，只要獲取汽油機的最佳點(diǎn)火提前角規律，數字點(diǎn)火器即保證最佳點(diǎn)火，點(diǎn)火系統框圖如圖１所示。在信號處理電路中，放大器用于對采集信號進(jìn)行放大，以滿(mǎn)足數字信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路用于將放大后的采集信號轉換成單片機可接收的TTL信號，通過(guò)單片機的INT0引腳進(jìn)行接收，使INT0引腳能夠對內部定時(shí)器T0的工作進(jìn)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），再根據脈沖的寬度計算出最佳點(diǎn)火角度，將信號輸出到功率放大高壓點(diǎn)火器，完成點(diǎn)火；同時(shí)，單片機再根據脈沖周期計算出發(fā)動(dòng)機轉速通過(guò)液晶顯示模塊顯示出來(lái)。

2、單片機控制點(diǎn)火提前角原理

在發(fā)動(dòng)機磁電機上安裝2個(gè)摩托車(chē)專(zhuān)用霍爾原件，一個(gè)安裝在最大點(diǎn)火提前角位置上，另一個(gè)安裝在發(fā)動(dòng)機活塞運行的上止點(diǎn)位置，這樣在單片機對其進(jìn)行采集時(shí)，就有了2個(gè)參考點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機剛剛起動(dòng)時(shí)，活塞運行速度較慢，氣缸壓力不足，所以發(fā)動(dòng)機起動(dòng)后只有在活塞運行到上止點(diǎn)時(shí)，氣缸壓力才為最大，這時(shí)點(diǎn)火為最佳時(shí)機；當發(fā)動(dòng)機工作一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火時(shí)刻就要發(fā)生改變，發(fā)動(dòng)機運轉越快點(diǎn)火提前角越應該增大，因為只有提前點(diǎn)火，才能使發(fā)動(dòng)機在做功行程時(shí)有最大的能量釋放，如果不能提前點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機會(huì )顯得無(wú)力，車(chē)速不能提升；但是提前角也不能過(guò)大，提前角過(guò)大會(huì )浪費能源，作功時(shí)有一部分作了負功，所以只有精確控制點(diǎn)火提前角才能使發(fā)動(dòng)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(chē)高速運行時(shí)，發(fā)動(dòng)機轉速可達10000r/min，這時(shí)點(diǎn)火提前角應為最大。由于摩托車(chē)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(shí)火花塞至少要2次點(diǎn)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(mǎn)足要求。

2.2新型點(diǎn)火器與普通點(diǎn)火器的區別

新型點(diǎn)火器與普通點(diǎn)火器的不同點(diǎn)是：普通點(diǎn)火器工作時(shí)考慮在什么時(shí)間點(diǎn)火，而單片機控制的點(diǎn)火器考慮的是在什么時(shí)間不點(diǎn)火，也就是在發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中只有少部分時(shí)間停止點(diǎn)火，從圖2中看出，使用了單片機點(diǎn)火系統后，增加了點(diǎn)燃沖程和排氣沖程的點(diǎn)火觸發(fā)次數，這樣發(fā)動(dòng)機混合氣燃燒十分充分，不會(huì )出現燃燒不徹底、火花塞積碳不能正常工作等現象。而且在發(fā)動(dòng)機高速運轉時(shí)，在最大提前角內至少保證有6次以上點(diǎn)火過(guò)程；在排氣沖程時(shí)繼續高頻點(diǎn)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(diǎn)火。

2.3單片機控制點(diǎn)火提前角

使用2個(gè)霍爾元件對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)放大整形后，把整形好的信號輸入到單片機，單片機對其進(jìn)行分析，根據2個(gè)霍爾元件間的時(shí)間差計算出當時(shí)發(fā)動(dòng)機的轉速，也就是它們的時(shí)間差越短即發(fā)動(dòng)機轉速越高；同時(shí)，通過(guò)液晶顯示模塊顯示出速度情況，并根據此數據分析出發(fā)動(dòng)機工作在哪個(gè)區域（低速區、中速區或高速區），根據不同的區域進(jìn)行點(diǎn)火提前角的控制。當發(fā)動(dòng)機運行時(shí)，發(fā)動(dòng)機各傳感器將監測到負荷、發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速及水溫等參數，并送到電腦中，經(jīng)對這些信息進(jìn)行分析處理，按照發(fā)動(dòng)機的轉速由單片機計算出相應的點(diǎn)火提前角度。

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

總之使用單片機控制發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)將成為今后發(fā)展的必然趨勢，由于發(fā)動(dòng)機使用了智能芯片，根據發(fā)動(dòng)機的運轉情況自動(dòng)分析直接控制發(fā)動(dòng)機并且能制止人為的不良干預從而使得發(fā)動(dòng)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、數字定速等，這些功能都是單片機很容易實(shí)現的。