用PIC单片机控制点火提前角的点火系统研制

用PIC单片机控制点火提前角的点火系统研制 用PIC单片机控制点火提前角的点火系统 研制 第34卷第6期 2005年l2月 小型内燃机与摩托车 SMALLINTERNALC0MBUST10NENGINEANDMOTORCYCLE Vo1.34No.6 Dee.20o5 ? 研究?开发? 用PIC单片机控制点火提前角的点火系统研制 张敏陶俊卫任立环 (天津大学内燃机研究所天津300072) 摘要:数字点火方式具有适时性好,响应快,控制点火时刻更为精确等其他点火方式无法比拟的优点. 一 种用PIC单片机实现对点火提前角的控制系统,可灵活调整提前角角度,从而使发动机在各种工作转 速范围内均能够达到最佳性能,实现了提前角的数字化控制. 关键词:摩托车点火提前角PIC单片机 中图分类号:TK413.9文献标识码:A文章编号:1671—0630(2005)06—0001—03 DevelopmentofPICSingleChipControlledLighter ZhangM.n,TaoJunwei,RenLihuan TianjinInternalCombustionEngineResearchInstitute,TianjinUniversity(Tianjin300072) Abstract:Comparedwithotherignitionmethods,digitalignitionhastheadvantagesofgooda daptability,fast responsibility,andprecisecontrolofthetimeofignition.Thispaperintroducesapre— ignitionanglecontrol systemequippedwithaPICsinglechip.Itcanflexiblyadjustthepre— angle,SOastoassuretheenginetoa— chieveitsbestperformanceduringdifferentrangesofspeed. Keywords:Motorcycle,Pre—ignition,PICsinglechip 刖舌 目前控制点火角使用最多的是非接触式电容放电 点火系统和非接触式晶体管点火系统.然而常规的模 拟式电子点火系统,即使在已经获得最佳点火角变化 规律时,由于反应不灵敏及其他固有缺陷,仍很难按此 规律做出准确的点火角控制.所以,也就提出了由单 片机控制的数字点火系统.数字点火器可发挥软件的 强大功能,精确地控制点火提前角,使发动机在各种转 速下较准确的达到最佳性能. 单片机选用的是PIC16F877芯片,它属于闪控式 (Flash)单芯片,可以重复烧录,其ROM的容量总共是 8Kword.PIC单片机指令集的一大特点是均为单字节 指令,这个特点有利于抗干扰.正因为它的优良特性 和低廉的价格,我们便选择它作为控制摩托车汽油机 点火提前角的单片机. 1点火系统工作原理 首先,由速度传感器在磁电机上采集速度信号,送 人接口处理电路,再经过接口电路的整形最终送给 PIC单片机.PIC依据此信号做相应的运算,并适时启 动点火执行电路,由磁电机充电线圈提供点火所需的 电压源,最终完成点火. 传感电路是电路中比较重要的一部分,包括传感 器和信号处理电路.现在摩托车点火器一般只有发动 机转速传感器,其传感器主要使用的是磁电机点火触 发线圈.它是通过磁电机磁缸上的凸台切割点火触发 线圈磁场,在线圈上形成感应脉冲电流.当凸台前沿 通过感应线圈时,线圈产生一个正脉冲;当凸台后沿通 过感应线圈时,线圈产生一个负脉冲.使用磁电机点 火触发线圈采样信号响应时间长,误差大,信号波形不 稳定,容易受外界干扰.但由于成本低,在对点火时刻 作者简介:张敏(1977一),女,硕士研究生在读,主要研究方向为动力机械及工程. 2小型内燃机与摩托车第34卷 精度要求不高的摩托车点火器中普遍使用.在此只用 其正脉冲就行了.由传感器采集到发动机的速度信 号,经脉冲整形电路处理之后,由芯片的捕捉口进行脉 冲捕捉.信号处理电路图如图1所示. 图1信号处理电路图 磁电机的转速信号分离出的比较好的正脉冲信号 经过光耦隔离后信号还会有少许干扰,再经过RC滤 波处理就可得到很好的满足单片机端口要求的方波信 号,将其送人单片机的CCP模块进行信号捕捉,计算 两个正脉冲上升沿之间的时间差,从而可以作为区分 转速信号的依据.CCP是"输入捕捉\输出比较\脉宽 调制"的英文词首,在此,只使用了它的捕捉功能.输 入捕捉模式,适合用于测量引脚输入的周期方波信号 的周期,频率和占空比等,也适合用于测量引脚输入的 非周期性矩形脉冲信号的到达时刻或消失时刻等参数. 2对发动机负荷的测量 发动机负荷变化时最佳点火提前角也相应变化. 负荷常用节气门开度表示,所以可以使用节气门位置 传感器来测量. 模拟式节气门位置传感器(rrPs)是一个可变电阻 (电位计),它告诉电脑节气门的位置.通常节气门位 置传感器在节气门关时产生约低于1V的电压信号, 在全开时产生约低于5V的电压信号.对这个电压信 号可经过限流及滤波后送人单片机的模数转换模块进 行处理.用不同电压对应转换而来的不同数值来确定 当时发动机的负荷.图2为它的输出波形图. M … AX-- . 4.36'V-7-j;; Mt十喜-.r-00寸0…:至jj 5卜?{…t0…I::::至::i 之4l_--一}….?一?而毳:1--?…一…I 嚣誉一尝1胃…一:…辜……?胃鼍:开寰火开 , 社动笨动机进行试: 0一一L一一?一一一一J,一一L一一一一一'一一一一一 图2节气门位置传感器输出波形图 通过大量的对比试验可取得转速,发动机负荷与 最佳点火提前角关系的数据,用这些数据制成的关系 表可存人单片机,在运行时进行调用以取得最佳的点 火提前角. 3单片机的 单片机的外围电路图如图3所示.软件的主程序 及中断程序框图如图4所示. J初始化,开ll放全局I l开放CCP1lJ中断 ,捕捉I I~TMR1lf模式I r /检查是\否有捕捉/ 设定A,D转换 开始节气门 传感器通道 r /A,D转换\结果/ JrY 转换结果与捕 捉值共同代人 A 图3单片机的外围电路图 A 设定A,D转换. 开始按键通道的 转换. ] <A,D转换结身 根据结果增加或 减少相应的角度 图4主程序及中断程序框图 第6期张敏等:用PIC单片机控制点火提前角的点火系统研制3 输入RA1口按键电路是让单片机识别不同按键 按下时产生的不同电压来进行状态选择的.在测量中 主要是单片机按照预先制定的程序自行调整提前量 ,影响点火提前的因素非常多,尤其在前期的 的.然而 实验阶段,我们总是希望尽量找到最符合发动机动力 性,经济性的提前角曲线,此时,如果抛开其它因素单 单通过调整提前角来找到最佳点是很方便的.此外, 在程序设计中还要考虑"去抖动"的问题.也就是要 防止按键瞬间电路波动而造成不正确的取值,在此不 多作. 中断服务子程序用来判断是否捕捉到了连续两个 上升沿之间的时间差.因为内部时钟与单片机的时钟 周期及对定时器的分频比设定均有关,因此得到的值 不等于实际的时间.图5是根据单片机测量到的时间 与实际转速绘制的图形.从图5可知,时差随转速的 上升而下降,且下降的速度是不同的,低速和高速时变 化的较快,中速阶段变化的较慢.而这些值也成为单 片机识别磁电机转速的依据,从而实现在不同转速下 自动选择不同点火提前角. 墨 僻 图5时间一速度图 4对抗干扰的研究 在车辆上,电磁干扰的主要来源是电机干扰源,点 火线圈干扰源,高压导线干扰源,继电器和其他开关设 备等干扰源.影响车载设备的主要干扰来自车用电源 耦合的电磁干扰和汽车电子系统辐射的空间电磁干 扰.对于空间电磁干扰,用一个屏蔽罩将整个电路系 统封闭起来,减小了辐射干扰.屏蔽结构要尽量减少 不必要的开孔,缝隙及尖端突出物,以避免泄露.屏蔽 体与设备之间保持一定距离,否则会损耗大量有功能 量,减低设备的功率,而达不到屏蔽应有的效果. 干扰对单片机应用系统的不良影响常见的是程序 运行失常.干扰使单片机的PC值到了未使用的地址 空间而进行毫无意义的运行,即"跑飞";或者程序虽 然在正常的地址空间运行,但干扰使程序跳转到本来 不应去的地方运行或进入"死循环".在程序中加入 "软件陷阱",对"跑飞"的程序进行拦截,为使"跑飞" 的程序在程序区迅速重回正轨,应多用单字节指令,并 在若干关键处有意插入多个单字节指令NOP或将对 程序流向起重要作用的指令(JC,JNC,LJMP,RET等) 重复编写以保证这些指令的执行,这被称为指令冗余 技术.使用单片机自带的看门狗也是不错的办法. 5结论 1)该智能点火器满足了摩托车从低速到高速全 工况点火提前角要求,增加了控制的灵活性. 2)可控制点火提前角精度在1oCA以下,并可通 过按键手动调整. PIC单片机价格低,功能强,非常适用于工业控 制,通过编程利用它内部的功能可简化外部电路,使测 试设备结构紧凑.同时它的可编程特性,更增加了灵 活性,为今后功能的不断扩展提供了可能. 参考文献 1李学海.PIC单片机实用教程[M].北京:北京航空航天大 学出版社,2002 2庞【I严英,曹海建.PIC单片机子程序库及运算平台[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2004 3任立环.国产摩托车维修手册[M].福建:福建科学技术 出版社,1997 4骆永,杨建国,王晖.车载电子设备的抗干扰设计[J].宁 夏工程技术,2003(1):35,38 5刘迎澍,任立环.摩托车用数字式晶体管点火器[J].小型 内燃机与摩托车,2002(2):41—42 6蒋德明.内燃机原理[M].北京:机械工业出版社,1992 7刘峥,王建昕.汽车发动机原理教程[M].北京:清华大学 出版社,2001 (收稿日期:2005—06—03)