基于-MCS-51汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及對(duì)策

1、-. z.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射技術(shù)是關(guān)系到燃機(jī)發(fā)展中能源和環(huán)保的問題，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)不斷發(fā)展并日趨完善。電控燃油噴射系統(tǒng)以其對(duì)噴油量的精確控制，使得噴射霧化良好、燃燒完全，不僅能提高汽車的動(dòng)力性，而且還能顯著改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)已深入到眾多技術(shù)領(lǐng)域，MCS-51系列單片機(jī)是使用最廣泛的單片機(jī)系列，其中由Philips公司生產(chǎn)的89V51系列單片機(jī)，具有低功耗低電壓、高性能的特點(diǎn)，因此是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，尤其是它片的Flash ROM允許在系統(tǒng)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程，給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來便利。文中所

2、研究的系統(tǒng)在對(duì)汽油及燃油噴射電子控制系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以AT89C51單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合TLC2543串行AD轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)各種相關(guān)傳感器及外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)噴油量及噴油正時(shí)控制程序進(jìn)行編程。硬件電路的設(shè)計(jì)包括傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)，模擬輸入AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，以及AT89C51與TIC2543等芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)?？刂瞥绦虻木帉懼饕ㄞD(zhuǎn)速計(jì)算、噴油量計(jì)算以及噴油正時(shí)控制程序。1 汽油機(jī)燃油控制系統(tǒng)的組成燃油噴射電子控制系統(tǒng)由各種傳感器與控制開關(guān)、電子控制單元ECU和執(zhí)行器3部分組成，如圖1所示。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射電子控制系統(tǒng)，采用的傳感器主要有空氣流量

3、傳感器或歧管壓力傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器和車速傳感器等；電子控制單元ECU采集的控制開關(guān)信號(hào)主要有點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)、起動(dòng)開關(guān)信號(hào)、電源電壓信號(hào)、空調(diào)開關(guān)信號(hào)和空擋開關(guān)信號(hào)等；執(zhí)行器主要有電動(dòng)燃油泵、電磁噴油器和油壓調(diào)節(jié)器。在燃油噴射電子控制系統(tǒng)的控制部件中，空氣流量傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器最關(guān)鍵，其信號(hào)是計(jì)算確定和控制燃油噴射量必不可少的傳感器。冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器、車速傳感器的信號(hào)以及各種開關(guān)信號(hào)主要用于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、修正燃油噴射量，增強(qiáng)控制效果。發(fā)動(dòng)機(jī)工作

4、時(shí)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上不同位置的傳感器將檢測(cè)到表示發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)輸送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)其存程序進(jìn)行分析、運(yùn)算，然后向各執(zhí)行器發(fā)出指令，使其按要求工作。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）主要由輸入回路、單片機(jī)以及輸出回路組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。2 汽油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)原理2.1 起動(dòng)時(shí)噴油控制當(dāng)啟動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低，且波動(dòng)較大，導(dǎo)致空氣流量傳感器誤差較大。因此，當(dāng)ECU根據(jù)曲軸位置傳感器、點(diǎn)火開關(guān)和節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)工況時(shí)，將運(yùn)行啟動(dòng)程序。ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器的信號(hào)確定基本噴油量，進(jìn)氣溫度和蓄電池電壓確定修正量，對(duì)噴油量進(jìn)行開環(huán)控制。控制原理如圖3所示

5、。2.2 起動(dòng)后噴油量控制在起動(dòng)后正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，單片機(jī)主要根據(jù)空氣流量傳感器（AFS）信號(hào)和曲軸位置傳感器（CPS）信號(hào)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出基本噴油量，并經(jīng)過進(jìn)氣溫度、大氣壓力、蓄電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、怠速工況、加速工況以及全負(fù)荷工況等參數(shù)修正后，得出噴油脈寬，向噴油器發(fā)送噴油指令控制噴油。噴油器的實(shí)際噴油量由基本噴油量、噴油修正量和噴油增量3部分組成?；緡娪土坑煽諝饬髁總鞲衅鳎ˋFS）信號(hào)、曲軸位置傳感器（CPS）信號(hào)、以及目標(biāo)空燃比（AF）計(jì)算確定。噴油修正量由氧傳感器（EGO）信號(hào)和蓄電池電壓UBAT信號(hào)計(jì)算確定。噴油增量由節(jié)氣門位置傳感器（TPS）信號(hào)、冷卻液溫度傳感器（CTS）

6、信號(hào)和點(diǎn)火開關(guān)（IGN）信號(hào)計(jì)算確定。啟動(dòng)后噴油量控制原理如圖4所示。2.3 斷油控制發(fā)動(dòng)機(jī)斷油控制系統(tǒng)根據(jù)斷油條件的不同，可分為超速斷油控制、減速斷油控制和清除溢流控制等。超速斷油是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)超過允許的極限轉(zhuǎn)速時(shí)，ECU立即控制噴油器中斷燃油噴射。減速斷油是指發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中突然減速時(shí)，ECU自動(dòng)控制噴油器中斷燃油噴射。清除溢流是指當(dāng)加速踏板踩到底，同時(shí)又接通點(diǎn)火開關(guān)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，ECU自動(dòng)控制噴油器中斷燃油噴射，以便排除汽缸的燃油蒸汽，使火花塞干燥以便能夠跳火。2.4 空燃比反饋控制為降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放量，許多汽車上裝備了三元催化轉(zhuǎn)換裝置。但三元催化轉(zhuǎn)換裝置只有在混合氣濃度處于理想

7、空燃比附近時(shí)才能使CO、HC的氧化反應(yīng)和NO的還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，才能最大限度地降低有害氣體地排放量。為將混合氣體濃度控制在理想空燃比147：1附近，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中安裝了氧傳感器，單片機(jī)通過氧傳感器的反饋信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行控制，從而控制混合氣的濃度。2.5 噴油正時(shí)的控制噴油正時(shí)控制就是控制噴油器何時(shí)開始噴油。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)按噴油器安裝部位分為單點(diǎn)噴射系統(tǒng)和多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)兩類。單點(diǎn)噴射系統(tǒng)只有一或兩只噴油器，安裝在節(jié)氣門體上，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦工作就連續(xù)噴油。多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)每個(gè)汽缸配有一只噴油器，安裝在燃油分配管上。噴油器的控制電路決定著噴油正時(shí)，即噴油時(shí)刻與噴油順序。噴油器的控制電路可分為同

8、時(shí)噴射、分組噴射和順序噴射3種方式。3 燃油噴射控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)控制芯片采用89C51單片機(jī)，由3個(gè)89C51芯片分別進(jìn)行噴油量計(jì)算、轉(zhuǎn)速計(jì)算和噴油正時(shí)控制。AD轉(zhuǎn)換采用TI公司生產(chǎn)的串行AD轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有輸入通道多、精度高、速度高、使用靈活和體積小的優(yōu)點(diǎn)。TLC2543為CMOS型12位開關(guān)電容逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器。片含有一個(gè)14通道多路器，可從11個(gè)模擬輸入或3個(gè)部自測(cè)電壓中選擇一個(gè)。發(fā)動(dòng)機(jī)上裝配的傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)控制和判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵部件，但其輸出的信號(hào)千差萬別，不能直接輸送給單片機(jī)進(jìn)行處理，必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)后再送給單片機(jī)。各種傳感器

9、所采集的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。對(duì)于模擬信號(hào)，如空氣流量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器等幅值為0.55V之間，頻率變化緩慢，主要處理方式是低通濾波和信號(hào)隔離。經(jīng)低通濾波后，在經(jīng)過隔離裝置送入AD轉(zhuǎn)換器，以消除數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾。模擬信號(hào)中有些幅值較小的信號(hào)如果直接送給AD轉(zhuǎn)換器，不能充分的利用AD轉(zhuǎn)換器的精度，故需對(duì)其進(jìn)行放大處理。對(duì)一些大幅值信號(hào)，如蓄電池電壓信號(hào)，其幅值達(dá)14V，因此需要對(duì)其進(jìn)行限幅處理之后再經(jīng)低通濾波和隔離，才可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，因其在傳輸過程中受到電磁輻射以及自身信號(hào)衰減等會(huì)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致單片機(jī)無法直接使用，故需進(jìn)行整形處理。整形

10、后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖再經(jīng)高速光電隔離電路后送給單片機(jī)，以消除干擾，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。3.1 空氣流量傳感器輸出信號(hào)的處理設(shè)計(jì)采用專用芯片5階開關(guān)低通濾波器Ma*7419，對(duì)空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波。Ma*7419允許通過的信號(hào)頻率為1 Hz45 kHz，其外圍電路如圖5所示。芯片采用+5 V供電，時(shí)鐘信號(hào)由部提供，也可以用外部時(shí)鐘以獲得更高的頻率穩(wěn)定性，失調(diào)調(diào)節(jié)引腳（OS）可用于調(diào)節(jié)輸出直流電平。Ma*7419提供53 dB的阻帶抑制，過渡比為16：1。Ma*7419采用的逼近函數(shù)為Besel函數(shù)。3.2 曲軸位置傳感器輸入信號(hào)的處理3.2.1 輸出波形的整形曲軸位置傳感器信號(hào)決定著

11、何時(shí)進(jìn)行噴油，對(duì)噴油正時(shí)尤為重要。文中以上汽通用五菱4缸微型車曲軸位置傳感器為例。該車采用霍爾式曲軸位置傳感器，輸出信號(hào)為方波脈沖信號(hào)，曲軸齒圈上人為地去掉兩個(gè)輪齒，以確定曲軸位置。曲軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，產(chǎn)生58個(gè)方波脈沖，其中包括1個(gè)較寬脈沖和57個(gè)較窄脈沖，寬脈沖寬度約為窄脈沖寬度的3倍。由此可知，每個(gè)窄脈沖相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)過60，可根據(jù)該寬脈沖作為基準(zhǔn)，確定曲軸的位置。同時(shí)，配以凸輪軸位置傳感器信號(hào)，即可確定各缸活塞的運(yùn)行位置?；魻柺角S位置傳感器輸出的方波信號(hào)由于在傳輸?shù)倪^程中受到輻射等干擾會(huì)產(chǎn)生一定程度的失真，需對(duì)其進(jìn)行整形。在此，采用集成施密特觸發(fā)器CD40106作為整形電路。觸發(fā)器輸

12、出端接反相器即可得到與輸入信號(hào)同相并且消除了幅值波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖信號(hào)。3.2.2 曲軸位置的檢測(cè)曲軸位置傳感器的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，經(jīng)過高速光電隔離器可送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)結(jié)合凸輪軸位置傳感器信號(hào)，即可測(cè)得曲軸位置的第0號(hào)大缺齒脈沖，再通過凸輪軸位置傳感器的高低電平狀態(tài)判斷此時(shí)第一缸處于的工作狀態(tài)。3.3 溫度傳感器輸出信號(hào)的處理燃油噴射電子控制系統(tǒng)中有兩個(gè)溫度傳感器，即冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器。圖6所示為水溫傳感器的工作電路。對(duì)水溫傳感器輸出信號(hào)的處理方法與對(duì)節(jié)氣門位置傳感器輸出信號(hào)的處理方法相似，也通過低通濾波器和線性光電隔離放大器，然后送入TLC2543 AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。進(jìn)

13、氣溫度傳感器信號(hào)的處理可參照水溫傳感器信號(hào)處理的方法。3.4 氧傳感器輸出信號(hào)的處理氧傳感器是空燃比反饋控制系統(tǒng)的重要部件，它通過監(jiān)測(cè)排氣中的氧離子含量來獲得混合氣的空燃比信號(hào)，并將空燃比信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。ECU根據(jù)氧傳感器信號(hào)對(duì)噴油脈寬進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制，從而將過量空氣系數(shù)控制在10左右，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到最佳濃度的混合氣，從而降低有害氣體排放量和節(jié)約燃油之目的。3.5 噴油器及其驅(qū)動(dòng)電路噴油器的驅(qū)動(dòng)電路可采用如圖7所示的電路。通過控制噴油器的工作電壓來控制噴油器工作。在該電路中，使用高電阻噴油器時(shí)，可將蓄電池電壓直接加在噴油器上；而使用低電壓噴油器時(shí)，則應(yīng)在電路中串入附加電阻，將蓄電池電壓分壓后加在噴油器上。圖中的R和C組成消弧回路。4 程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，采用3片單片機(jī)E1、E2、E3，由E1單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，計(jì)算完成后將轉(zhuǎn)速計(jì)算數(shù)值通過串行口發(fā)送給E2。E2單片機(jī)首先根據(jù)起動(dòng)開關(guān)信號(hào)（STA）、怠速觸點(diǎn)信號(hào)（IDL）以及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行工況識(shí)別，而后進(jìn)行噴油量計(jì)算，計(jì)算完成后，將噴油量控制脈寬數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給E1。E2單片機(jī)