吳金峰（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710046）

基于89C51的汽油機電控點火控制系統(tǒng)設(shè)計①

吳金峰
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710046）

針對車用汽油機進行電控系統(tǒng)的開發(fā)研究，以日產(chǎn)ECCS控制系統(tǒng)為依托，電控單元以AT89C51系列單片機為核心，設(shè)計了傳感器信號處理電路和執(zhí)行器驅(qū)動電路，確定了點火提前角和初級電流導(dǎo)通時間（導(dǎo)通角）的控制方法，最后通過仿真驗證點火控制系統(tǒng)的可行性.

89C51；點火系統(tǒng)；點火提前角；導(dǎo)通角

0　引言

點火系統(tǒng)是以汽油機的一個主要系統(tǒng)，點火系統(tǒng)的優(yōu)劣對汽油機性能（動力性、經(jīng)濟性、經(jīng)濟性）有很大的影響.我國對汽油機采用電子控制技術(shù)的點火系統(tǒng)的研究相對其它國家較晚，取得了一些進展，在國內(nèi)的的些機型中得以應(yīng)用，但是，國內(nèi)主要汽車廠需求的計算機控制的點火系統(tǒng)，大多來自于進口或德國博世公司及美國德爾福公司等在國外企業(yè).電控單元是點火控制系統(tǒng)的一個主要控制部分，對它的分析與研究對我國汽車工業(yè)的發(fā)展有現(xiàn)實的意義.

1　點火控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文電控單元采用高性能單片機AT89C51核心，用以滿足發(fā)動機的電子控制技術(shù)要求，應(yīng)用了Flash快速閃存，滿足數(shù)據(jù)存儲和程序的要求［1］.點火系統(tǒng)是由各種傳感器（凸輪軸位置傳感器、車速傳感器、曲軸位置傳感器、空氣流量傳感器、冷卻液溫度傳感器等）、電源、電子控制單元、點火執(zhí)行器等組成.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.1模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路

在測量發(fā)動機冷卻水溫度，進氣壓力以及蓄電池電壓信號時，這三個被測對象的參量都是連續(xù)變化的模擬量，這些模擬量必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計算機進行處理，本文采用基于逐次逼近法的ADC0809.轉(zhuǎn)換電路如圖2所示.

圖1　電控系統(tǒng)的組成

圖2　模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖3　光電式發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器引腳圖

1.2傳感器連接電路

（1）光電式發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器和89C51的連接

曲軸位置的確定及發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器確定，本文中采用光電式，光電式發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器的引腳如圖3所示.

TDC（TDC信號出現(xiàn)在上止點前70°）輸出引腳接89C51的P3.4（定時器T0）引腳，曲軸轉(zhuǎn)角輸出引腳接89C51的P3.2引腳（外部中斷INT0）.

（2）冷卻液溫度傳感器和ADC0809的連接

冷卻液溫度傳感器輸出的是模擬信號，故其要先和ADC0809連接進行A/D轉(zhuǎn)換，本文用熱敏電阻來代替冷卻水溫度傳感器，其與ADC0809的連接如圖4所示.

圖4　熱敏電阻式溫度傳感器的測量電路

（c）蓄電池電壓信號的獲取電路

輸入電路的作用是把不同量程的被測電壓規(guī)范到ADC0809所要求的電壓值，它要求輸入電壓0 ～5V.采用分壓電路可以增大測量電壓量程到15V.

1.3點火驅(qū)動電路

點火驅(qū)動電路是產(chǎn)生火花塞點火所需的高壓.其輸入是來自單片機P1.0引腳的點火控制信號，電路圖如圖6所示.

圖5　蓄電池電壓測量電路

圖6　點火驅(qū)動電路

單片機的P1.0輸出高電平時，T1和T2都截止，12V電壓通過R4和L1對C充電.當單片機P1.0輸出低電平時（發(fā)出點火控制信號），T1，T2導(dǎo)通，則C兩端的電壓立即變?yōu)榈碗娖剑碈迅速放電），從而使流過L1的電流突變，L2兩端產(chǎn)生點火高壓.其中D1起保護T2的作用.

2　微機控制點火系統(tǒng)一般工況點火控制策略

2.1點火提前角的控制

由光電式曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)原理可知，曲軸位置傳感器產(chǎn)生的脈沖躍變信號發(fā)生于壓縮上止點前70°.微機即以此為點火時刻的控制基準（產(chǎn)生點火基準信號），當ECU接收到基準信號上升沿后，將對曲軸位置傳感器的1°信號進行計數(shù).假設(shè)點火提前角為θ°，那么ECU計數(shù)到第（70-θ）個1°信號后，向點火控制器發(fā)出指令，使功率三極管截止，切斷點火線圈初級電流，次級繞組產(chǎn)生高壓電并送到火花塞電極上跳火從而將點火提前角控制在第一缸壓縮上止點前θ°.

圖7　點火控制程序

2.2閉合角的控制

根據(jù)電源電壓查得點火線圈初級回路導(dǎo)通時間Td，根據(jù)導(dǎo)通角

即在上述發(fā)動機工作條件下功率三極管從導(dǎo)通到截止必須保證β°曲軸轉(zhuǎn)角，因為四缸發(fā)動機跳火間隔為180°曲軸轉(zhuǎn)角，所以在功率三極管截止期間，需要曲軸轉(zhuǎn)過角度 =跳火間隔角度-導(dǎo)通角，即（180°-β），實際控制時，ECU從發(fā)出功率管截止指令開始對1°信號進行計數(shù)，計數(shù)（180°-β）次1°信號后，向點火控制器發(fā)出指令使三極管導(dǎo)通，接通點火線圈初級電流，保證導(dǎo)通角具有β°

2.3計算點火提前角及導(dǎo)通角模塊

點火提前角 =基本點火提前角×水溫修正系數(shù)，基本點火提前角由進氣歧管壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定，導(dǎo)通角則是根據(jù)通電時間和發(fā)動機轉(zhuǎn)速查表而得.故計算點火提前角和導(dǎo)通角時，先得確定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣歧管壓力、水溫修正系數(shù)和通電時間［2］.

3　點火控制程序設(shè)計

首先開啟ADC0809，將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字信號，并儲存在單片機片內(nèi)RAM的30H-32H中，然后根據(jù)預(yù)定的算法計算出點火提前角和功率三極管截止期間曲軸轉(zhuǎn)過的角度（180°-β）.得到這兩個數(shù)據(jù)后，開始控制點火定時脈沖的生成，然后重新開始采集傳感器信號，如此循環(huán).程序流程圖如圖7所示.

4　系統(tǒng)仿真試驗

通過上述對微機控制點火系統(tǒng)的原理分析及硬件電路的設(shè)計、軟件程序的編譯，實現(xiàn)了點火的功能，其在proteus上的仿真如圖8所示.

圖8　proteus仿真圖

圖中黃色脈沖即為基準信號（上止點前70°信號），紅色脈沖為1°信號，綠色脈沖即為點火控制信號.通過仿真可以得到，在獲得最佳點火提前角和導(dǎo)通角后，系統(tǒng)等待黃色脈沖信號到來，信號到來后便開始對紅色脈沖信號進行計數(shù)，當計數(shù)個數(shù)等于（180°-β）.最佳點火提前角時，點火控制信號為低電平，繼續(xù)對紅色脈沖信號進行計數(shù)，當計數(shù)個數(shù)等于時，點火控制信號為高電平，完成點火控制脈沖的輸出，點火控制信號的波形符合期望的輸出.

5　結(jié)論

（1）本文以AT89C51單片機作為發(fā)動機ECU的主控芯片，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，通過仿真實現(xiàn)了發(fā)動機的點火精確控制，為汽油機的電控點火控制技術(shù)的發(fā)展提供了一定的幫助.

（2）本文只針對汽油機在一般工況時點火提前角的控制設(shè)計，在修正點火提前角控制設(shè)計時，只考慮了水溫的影響，在今后的研究工作中，要進行更加精細、全面的系統(tǒng)設(shè)計.

［1］ 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［2］朱輝，等.電控汽油噴射發(fā)動機中點火線圈與噴油器控制［J］.內(nèi)燃機工程，1997，（18）：1.

Design of Electronic Control Ignition System for Gasoline Engine Based on 89C51

WU Jin-feng
（School of Automobile，Chang＇an University，Xi＇an 710064，China）

An electronic control ignition system on gasoline engine in vehicles was developed.Based on the ECCS of Nissan，the sensors signal processing circuit and actuators drive circuit were designed and the AT89C51 was used as the core of electronic control unit.The control methods of the ignition advance angle and the primary current conduction time（conduction angle）were determined.Finally，the feasibility of the electronic control ignition system was verified by simulation.

89C51；ignition system；ignition advance angle；conduction angle

U464.12

A

1008-1402（2015）06-0952-04

2015-11-04

吳金峰（1992-），男，黑龍江佳木斯人，長安大學(xué)汽車學(xué)院動力機械及工程專業(yè)在讀碩士研究生.