PIC單片機在摩托車(chē)用點(diǎn)火系統中的運用

摘要 數字點(diǎn)火方式具有適時(shí)性好、響應快、控制點(diǎn)火時(shí)刻更精確等優(yōu)點(diǎn)。用PIC單片機實(shí)現對點(diǎn)火提前角的控制，可靈活調整提前角度，從而使發(fā)動(dòng)機在各種工作轉速范圍內均能達到在最佳時(shí)刻點(diǎn)火，展現發(fā)動(dòng)機最佳性能，實(shí)現提前角的數字化控制。

目前控制點(diǎn)火角使用最多的是非接觸式電容放電點(diǎn)火系統和非接觸式晶體管點(diǎn)火系統。然而常規的模擬式電子點(diǎn)火系統，即使在已經(jīng)獲得最佳點(diǎn)火角變化規律時(shí)，由于反應不靈敏及其他固有缺陷，仍難以按此規律作出準確的點(diǎn)火角控制。文中提出了由智能芯片(MCU)控制的數字化點(diǎn)火系統。數字式點(diǎn)火器可充分發(fā)揮軟件的強大功能，精確地控制點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機在各種轉速下精確地達到最佳點(diǎn)火。

單片機選用PIC16F877芯片，它屬于閃存式(Flash)單芯片，可以重復擦寫(xiě)，其ROM的容量總共是8 kB。PIC單片機指令集的一大特點(diǎn)是均為單字節指令，這個(gè)特點(diǎn)有利于抗干擾，且具有工業(yè)級的芯片特性和較低廉的價(jià)格，故選它作為摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機機點(diǎn)火提前角的控制單片機。

1 點(diǎn)火系統工作原理

首先，由速度傳感器在磁電機上采集速度信號，送入處理、整形電路，最終送給PIC單片機。PIC單片機經(jīng)過(guò)軟件運算處理，啟動(dòng)點(diǎn)火電路，由磁電機充電線(xiàn)圈提供點(diǎn)火所需的電壓，最終使發(fā)動(dòng)機在最佳時(shí)刻完成點(diǎn)火動(dòng)作。

傳感電路是整個(gè)點(diǎn)火系統中的一個(gè)重要部分，包括傳感器信號采集電路和信號處理電路。目前，普通的摩托車(chē)點(diǎn)火系統，一般只有發(fā)動(dòng)機轉速傳感器，傳感器主要使用的是磁電機點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈。磁電機點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)磁電機磁缸上的凸臺切割點(diǎn)時(shí)會(huì )觸發(fā)線(xiàn)圈磁場(chǎng)，從而在線(xiàn)圈上感應出脈沖電流。當磁電機點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)凸臺前沿感應線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)正脈沖;當磁電機點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)凸臺后沿感應線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)負脈沖。

這種采用磁電機點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈方式存在的問(wèn)題是：點(diǎn)火響應時(shí)間不準，提前、遲緩引起的誤差較大，而且存在易被干擾等缺陷。

磁電機的轉速信號中能分離出較好的正脈沖信號，正脈沖信號經(jīng)過(guò)光耦隔離后，信號還會(huì )夾雜有干擾，需要再經(jīng)過(guò)RC濾波電路處理。從而可得到滿(mǎn)足單片機端口要求的方波信號，將方波信號送入單片機的CCP模塊進(jìn)行信號捕捉，計算兩個(gè)正脈沖上升沿之間的時(shí)間差，從而可以作為區分轉速信號的依據。CCP是PIC單片機“輸入捕捉輸出比較脈寬調制”功能的簡(jiǎn)稱(chēng)。文中只使用捕捉功能，用于測量引腳輸入的周期方波信號的周期、頻率和占空比等，也可用于測量引腳輸入的非周期性方波脈沖信號的到達或消失時(shí)刻等參數。

2 對發(fā)動(dòng)機負荷的測量

發(fā)動(dòng)機負荷發(fā)生變化時(shí)，最佳點(diǎn)火角也會(huì )發(fā)生相應變化。負荷會(huì )通過(guò)節氣門(mén)開(kāi)度表現出來(lái)，所以通過(guò)采用節氣門(mén)位置傳感器就可以測量發(fā)動(dòng)機負荷的變化。

模擬式節氣門(mén)位置傳感器(TPS)是一個(gè)變電阻式傳感器。節氣門(mén)位置傳感器在節氣門(mén)關(guān)閉時(shí)會(huì )產(chǎn)生約1 V的電壓，在全開(kāi)時(shí)產(chǎn)生約5 V的電壓。對此電壓信號經(jīng)過(guò)限流、濾波、整形后，送入PIC單片機的A/D轉換模塊。以此獲得用不同電壓來(lái)測量當時(shí)發(fā)動(dòng)機的負荷。

通過(guò)大量的試驗取得轉速、發(fā)動(dòng)機負荷以及最佳點(diǎn)火提前角關(guān)系的數據，把這些數據制表進(jìn)行軟件編程寫(xiě)入PIC單片機，在發(fā)動(dòng)機運行時(shí)PIC單片機可以在最佳的時(shí)刻點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機有最佳的性能表現。

3 單片機的設計

單片機為高集成度智能處理芯片，外圍電路較為簡(jiǎn)單，主要有：晶振電路、按鍵電路、指示燈電路、節氣門(mén)傳感電路等。

軟件主程序及中斷程序的設計思路以及程序流程基本是按前述信號處理流程來(lái)處理的。輸入RA1口按鍵電路是讓單片機識別不同按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的不同電壓來(lái)進(jìn)行狀態(tài)選擇。在測量中主要是單片機按照預先制定的程序自行調整點(diǎn)火角的提前量。但影響點(diǎn)火提前的因素較多，希望找到最符合發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性、經(jīng)濟性的提前角曲線(xiàn)。因此不考慮其它因素，僅通過(guò)調整提前角尋找最佳點(diǎn)火點(diǎn)是很方便的。

中斷服務(wù)子程序用來(lái)判斷是否捕捉到了連續兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間差。因為內部時(shí)鐘與PIC單片機的時(shí)鐘周期及對定時(shí)器的分頻比設定等均有關(guān)系，因此得到的值不完全等于實(shí)際時(shí)間。表1是單片機測量到的時(shí)間與實(shí)際轉速。

從表1可知，時(shí)差隨轉速的上升而下降，且下降的速度不同，低速和高速時(shí)變化較快，中速階段變化較慢。而這些值也成為單片機識別磁電機轉速的依據，從而實(shí)現在不同轉速下自動(dòng)選擇不同點(diǎn)火提前角。

4 對抗干擾的研究

在車(chē)輛上，電磁干擾的主要來(lái)源是電機干擾源、點(diǎn)火線(xiàn)圈干擾源、高壓導線(xiàn)干擾源、繼電器和其他開(kāi)關(guān)設備等干擾源。影響車(chē)載設備的主要干擾來(lái)自車(chē)用電源耦合的電磁干擾和汽車(chē)電子系統輻射的空間電磁干擾。對于空間電磁干擾，用一個(gè)屏蔽罩將整個(gè)電路系統封閉，減小了輻射干擾。屏蔽結構要盡量減少不必要的開(kāi)孔、縫隙及尖端突出物，以避免泄露。屏蔽體與設備之間要保持一定距離，否則會(huì )損耗大量有功能量，減低設備的功率，而達不到屏蔽應有的效果。

干擾對單片機系統最常見(jiàn)的影響是程序運行異常。干擾使單片機的PC值到了未使用的地址空間而進(jìn)行毫無(wú)意義的運行，即“跑飛”或者程序雖然在正常的地址空間運行，但干擾使程序跳轉到本不應去的地方運行或進(jìn)入“死循環(huán)”。為此，在程序中加入“軟件監控”，對程序進(jìn)行攔截，使“跑飛”的程序在程序區迅速重回正軌，應多用單字節指令，并在若干關(guān)鍵處有意插入多個(gè)單字節指令NOP或將對程序流向起重要作用的指令(JC、JNC、LJMP、RET等)重復編寫(xiě)以保證這些指令的執行，這被稱(chēng)為指令冗余技術(shù)，也可使用單片機自帶的看門(mén)狗。

5 結束語(yǔ)

該點(diǎn)火器滿(mǎn)足了摩托車(chē)從低速到高速全工況點(diǎn)火提前角要求，增加了控制的靈活性。同時(shí)可控制點(diǎn)火提前角精度在1℃以下，并可通過(guò)按鍵手動(dòng)調整。PIC單片機價(jià)格低、功能強，非常適用于工業(yè)控制。通過(guò)編程利用其內部功能可簡(jiǎn)化外圍電路，使測試設備結構緊湊。同時(shí)它的可編程特性，更增加了靈活性，為今后的功能擴展提供了可能。