一種基于單片機的汽車(chē)電子點(diǎn)火系統的設計

　　1 系統工作原理

　　發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火時(shí)刻是通過(guò)控制點(diǎn)火提前角(即點(diǎn)火時(shí)活塞位置到上止點(diǎn)曲軸轉過(guò)的角度)來(lái)實(shí)現的。影響火花塞點(diǎn)火時(shí)刻的因素主要有發(fā)動(dòng)機轉速、負荷大小、發(fā)動(dòng)機冷卻水溫度以及發(fā)動(dòng)機缸體爆震等。

　　整個(gè)點(diǎn)火系統硬件電路主要由傳感器及信號調理電路、A／D轉換器、電控單元、點(diǎn)火電路、電源及火花塞等部分組成。系統原理框圖如圖1所示。

　　各傳感器的輸出信號經(jīng)相應調理電路調理、A／D轉換器轉換后，送入單片機。單片機依據一定的控制策略、算法對輸入信號運算處理，依據運算結果，在合適時(shí)刻給出控制信號?？刂菩盘柦?jīng)驅動(dòng)電路后，控制點(diǎn)火控制電路工作，通過(guò)火花塞最終實(shí)現發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 傳感器

　　主要包括轉速傳感器、水溫傳感器、爆震傳感器和節氣門(mén)開(kāi)度傳感器及其相應調理電路。

　　2.1.1 轉速傳感器及其調理電路

　　采用光電式轉速傳感器，其作用是測量發(fā)動(dòng)機轉速和曲軸轉角位置。傳感器輸出信號經(jīng)調理電路整形、放大后號送入單片機外部計數器T0(P3.4)引腳上，由單片機在一定時(shí)間內對其計數便可測量其轉速和曲軸位置。

　　2.1.2 水溫傳感器及其調理電路

　　采用集成溫度傳感器MAX6611測量發(fā)動(dòng)機冷卻水溫度。單片機依據水溫信號對點(diǎn)火提前角作相應調整：當水溫低時(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濾波電路調理后接到ADC0809的信道0上。

　　2.1.3 爆震傳感器及其調理電路

　　采用安裝在發(fā)動(dòng)機缸體上的壓電加速度傳感器來(lái)測量發(fā)動(dòng)機爆震信號，并依據是否發(fā)生爆震而對點(diǎn)火提前角作相應調整。傳感器輸出信號經(jīng)兩級濾波電路調理后接到ADC0809的信道1上。

　　2.1.4 節氣門(mén)開(kāi)度傳感器調理電路

　　發(fā)動(dòng)機的負荷的測量是通過(guò)線(xiàn)性輸出型模擬式節氣門(mén)傳感器(TPS)來(lái)實(shí)現的。傳感器輸出信號經(jīng)雙向限幅濾波調理電路后接到ADC0809的信道2上。

　　2.2 電控單元及A／D轉化電路設計

　　本系統以AT89C2051單片機作為控制器。A／D轉化器采用ADC0809對前端輸入信號進(jìn)行模／數轉換。系統中需要進(jìn)行A／D轉換的信號有水溫信號、節氣門(mén)開(kāi)度信號和爆震信號。單片機與A／D轉換器的接口電路如圖2所示。

　　由ADDA，ADDB和ADDC選擇轉化信道，信道0輸入溫度信號、信道1輸入爆震信號、信道2輸入節氣門(mén)開(kāi)度信號，轉化后的信號通過(guò)P1口輸入到單片機內部。其中AT89C2051的P3.4(T0)對曲軸轉速信號計數，確定轉速和曲軸位置。通過(guò)P3.5輸出點(diǎn)火控制信號。

　　2.3 點(diǎn)火控制電路設計

　　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(lái)自單片機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。

　　單片機的P3.5輸出高電平時(shí)，T1和T2都截止，12 V電壓通過(guò)R4和L1對C7充電。當單片機P3.5輸出低電平時(shí)(發(fā)出點(diǎn)火控制信號)，T1，T2導通，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(guò)L1的電流突變，L2兩端產(chǎn)生點(diǎn)火高壓。其中D1起保護T2的作用。

　　2.4 電源電路設計

　　在汽車(chē)系統中一般只提供12 V的直流電壓，而芯片大都需要5 V的電壓。本系統采用集成芯片W78L05設計了12 V到5 V的DC-DC轉換電路。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件主要由主程序及延時(shí)子程序、計算基本點(diǎn)火提前角子程序、計數T0中斷服務(wù)子程序、A／D轉化子程序、點(diǎn)火提前角修正子程序和點(diǎn)火子程序組成。本系統采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了源程序。

　　3.1 主程序

　　系統上電后，首先進(jìn)行系統初始化(包括單片機的初始化，ADC0809的初始化，計數器T0的初始化)，接著(zhù)獲取轉速信號確定基本點(diǎn)火提前角，再進(jìn)行A／D轉化采集水溫、爆震和節氣門(mén)開(kāi)度信號，對采集的信號進(jìn)行運算處理，最后等待點(diǎn)火時(shí)刻的到來(lái)并發(fā)出點(diǎn)火控制信號實(shí)現系統點(diǎn)火。

　　3.2 計算基本點(diǎn)火提前角子程序

　　本系統的基本點(diǎn)火提前角由轉速信號確定，采用查表法確定基本點(diǎn)火提前角。首先建立兩個(gè)數據表，一為轉速表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)數相等，且都以升序排序。Vi對應的基本點(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，設計時(shí)采用了二分法對轉速表進(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，即暖機修正和過(guò)熱修正。當水箱溫度過(guò)低，應加大點(diǎn)火提前角，即進(jìn)行暖機修正。當發(fā)動(dòng)機水箱溫度過(guò)高，應減小點(diǎn)火提前角，即進(jìn)行過(guò)熱修正。

　　本設計中水溫對點(diǎn)火提前角修正也采用查表法，建立2個(gè)修正表：過(guò)熱修正表(升序表)和暖機修正表(降序表)。根據經(jīng)驗水溫對點(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(guò)熱修正表進(jìn)行過(guò)熱修正，否則查找暖機修正表進(jìn)行暖機修正。

　　3.4 爆震信號對點(diǎn)火提前角修正子程序

　　系統對點(diǎn)火提前角修正是為了使發(fā)動(dòng)機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)機既接近爆震區又不進(jìn)入爆震區，此時(shí)缸內燃燒的熱效率最高。測到有爆震信號點(diǎn)火提前角增加2，測得無(wú)爆震信號時(shí)點(diǎn)火提前角減小2。設臨界狀態(tài)對應的爆震信號為F，當測得的爆震信號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，節氣門(mén)開(kāi)度對點(diǎn)火提前角修正子程序采用直接查表法。

　　4 結 語(yǔ)

　　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)現了對點(diǎn)火提前角的優(yōu)化控制。該系統已調試成功。