基于AT89C2051單片機(jī)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火控制裝置的設(shè)計(jì)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)以及汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重。而發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻的精確控制在提高汽車整體性能的同時(shí)，有效地緩解了這一狀況。與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)式點(diǎn)火時(shí)刻控制系統(tǒng)相比，基于微控制器的電子式控制系統(tǒng)具有及時(shí)性好、精確度高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。為此，從發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)的控制策略出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種能提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制精度的新型電子點(diǎn)火控制裝置。

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(hào)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(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(hào)?？刂菩盘?hào)經(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(cè)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(hào)經(jīng)調(diào)理電路整形、放大后號(hào)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(duì)其計(jì)數(shù)便可測(cè)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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度。單片機(jī)依據(jù)水溫信號(hào)對(duì)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(hào)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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號(hào)，并依據(jù)是否發(fā)生爆震而對(duì)點(diǎn)火提前角作相應(yīng)調(diào)整。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)兩級(jí)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(cè)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(hào)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(duì)前端輸入信號(hào)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(hào)有水溫信號(hào)、節(jié)氣門開度信號(hào)和爆震信號(hào)。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(hào)、信道1輸入爆震信號(hào)、信道2輸入節(jié)氣門開度信號(hào)，轉(zhuǎn)化后的信號(hào)通過P1口輸入到單片機(jī)內(nèi)部。其中AT89C2051的P3.4（T0）對(duì)曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)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(hào)。

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(hào)，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(duì)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(hào)），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(hào)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(hào)，對(duì)采集的信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢索。

3.3 水溫對(duì)點(diǎn)火提前角修正子程序

水溫對(duì)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(duì)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(duì)點(diǎn)火提前角最大修正5°，采用直接查找法。首先確定對(duì)點(diǎn)火提前角零修正的水溫T，測(cè)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(hào)對(duì)點(diǎn)火提前角修正子程序

系統(tǒng)對(duì)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(cè)到有爆震信號(hào)點(diǎn)火提前角增加2°，測(cè)得無爆震信號(hào)時(shí)點(diǎn)火提前角減小2°。設(shè)臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的爆震信號(hào)為F，當(dāng)測(cè)得的爆震信號(hào)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(duì)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(duì)點(diǎn)火提前角的優(yōu)化控制。該系統(tǒng)已調(diào)試成功。