汽油機(jī)噴油器工作電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院需要研究和開發(fā)能夠評(píng)價(jià)和測試噴油器特性的裝置和設(shè)備。本文對(duì)噴油器動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了分析，從理論上對(duì)噴油器工作原理進(jìn)行了分析和研究，為噴油器驅(qū)動(dòng)電路的電阻、電流特性測試開發(fā)提供了一定的理論依據(jù)。同時(shí)，完成了該測試系統(tǒng)電子控制單元的設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以控制或檢測測試系統(tǒng)的狀態(tài)，并且設(shè)計(jì)了一套簡便易操作的測試軟件，為試驗(yàn)提供了方便的操作環(huán)境。汽油機(jī)噴油器下線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程、控制面板設(shè)計(jì)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，本測試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠準(zhǔn)確地測試汽油機(jī)噴油器的電阻、電流值。

第二部分設(shè)計(jì)說明2.1工作原理噴油器相當(dāng)于電磁閥。通電時(shí)電磁線圈產(chǎn)生電磁力，銜鐵及針閥吸起，噴油器開啟，汽油經(jīng)噴孔噴入進(jìn)氣道或進(jìn)氣管。斷電時(shí)電磁力消失，銜鐵及針閥在復(fù)位彈簧的作用下將噴孔封閉，噴油器停止噴油。噴油器的通電、斷電由電控單元以電脈沖控制。噴油量由電脈沖寬度決定。脈沖寬度=噴油持續(xù)時(shí)間=噴油量。在噴油器開啟時(shí)，STC12C5204AD單片機(jī)產(chǎn)生5V方波信號(hào)，信號(hào)通過光耦由5V方波信號(hào)轉(zhuǎn)為12V的方波信號(hào)（如圖2.1所示），12V的方波信號(hào)使場效應(yīng)功率管(IRF540)產(chǎn)生逆變電流，處于不停的導(dǎo)通（12V）和斷開（0V）狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了噴油器開啟時(shí)工作在大電流狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電流上升到最大值后工作在小電流狀態(tài)，維持噴油器開啟。達(dá)到了電路板模擬發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊根據(jù)各種傳感器的信號(hào)控制噴油器噴油時(shí)刻和噴油脈沖寬度的控制過程的設(shè)計(jì)目的。圖2.1光耦的升壓電路2.2總電路原理圖本設(shè)計(jì)汽油機(jī)噴油器工作電路電路圖如下：圖2.2汽油機(jī)噴油器工作電路2.3汽油機(jī)噴油器工作電路元件清單表1汽油機(jī)噴油器工作電路元件清單表元件編號(hào)元件類型參數(shù)R1、R2、R3、R4電阻10KR5、R6電阻5W/10ΩR7電阻470ΩR8電阻1KCT1、CT2電解電容22ufCT3電解電容10ufC1、C2瓷片電容0.1ufD1二極管1N4007Q1場效應(yīng)晶體管IRF540Q2集成穩(wěn)壓電源7805U1單片機(jī)STC12C5204ADU2光耦TLP521-1S1、S2、S3、S4不自鎖按鍵SW-PBY1晶振2MC3、C4瓷片電容10pf2.4主要組成元件及作用1、汽油機(jī)噴油器噴油器接受ECU送來的噴油脈沖信號(hào)，精確的控制燃油噴射量。噴油器是一種加工精度非常高的精密器件，要求其動(dòng)態(tài)流量范圍大，抗堵塞和抗污染能力強(qiáng)以及霧化性能好。2、STC12C5204AD單片機(jī)STC12C5204AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）、高速/超強(qiáng)抗干擾的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。STC12C5204AD單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。由于集成8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換，使用STC12C5204AD單片機(jī)比使用AT89C51和ADC芯片的實(shí)際電路簡單。圖2.3STC12C5204AD單片機(jī)引腳圖STC12C5204AD單片機(jī)引腳說明P1.0/ADC0：復(fù)用端口，標(biāo)準(zhǔn)I/O口，PORT1[0]/ADC輸入通道-0，模擬量通過該端口進(jìn)入即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，無需另接A/D轉(zhuǎn)換電路。P1.1/ADC1：同P1.0/ADC0。P1.2/ADC2/EX_LVD/RST2：標(biāo)準(zhǔn)I/O口，PORT1[2]/ADC輸入通道-2，EX_LVD是外部低壓檢測中斷/比較器端口，RST2是第二復(fù)位功能腳。P2.0~P2.7：Port2口，即可作為輸入/輸出口，也可作為高8位地址總線使用（A8~A15）。P3.2/INT0：Port3口，標(biāo)準(zhǔn)IO口，第二功能是外部中斷0的輸入端，下降沿或低電平中斷。P3.3/INT1：功能同P3.2/INT0。P3.5/T1/CCP1：標(biāo)準(zhǔn)IO口，定時(shí)器計(jì)數(shù)器的外部輸入，也可為外部信號(hào)捕獲（可做為頻率測量），高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出。P3.7/CCP0：標(biāo)準(zhǔn)IO口，也可為外部信號(hào)捕獲（可做為頻率測量），高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出。XTAL1：內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器輸入端，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是外部時(shí)鐘源的輸入端。XTAL2：內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器輸出端，接外部晶振的另一個(gè)端。3、7805引腳介紹及常用電路圖2.47805引腳介紹圖2.57805引腳常用電路7805三端穩(wěn)壓集成電路，最大輸出電流為1.5A。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管、TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。4、IRF540引腳功能及常用電路圖2.6IRF540引腳常用電路IRF540是一種溝渠工藝封裝的N通道增強(qiáng)型場效應(yīng)功率晶體管。其主要應(yīng)用于：DC到DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、電視及電腦顯示器電源等。上圖電路中，控制信號(hào)如果接TTL信號(hào)，可以控制電磁閥等負(fù)載；控制信號(hào)如果接PWM占空比信號(hào)，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者燈泡的亮度。IRF540引腳常用電路如圖2.6所示。圖2.7IRF540引腳功能介紹IRF540引腳的三個(gè)針腳及名稱如圖2.4.4所示，在圖2.2中管腳1（Gate）懸空，管腳2（Drain）接地，管腳3（Source）接1K電阻，接5V電壓。5、電阻電阻（通常用“R”表示），在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。電阻元件的電阻值大小一般與溫度、材料、長度、還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1℃時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對(duì)信號(hào)來說，交流與直流信號(hào)都可以通過電阻。6、電容電容器是一種能儲(chǔ)存電能的元件，在電路中，當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時(shí)候，便對(duì)電容器充電，把電能儲(chǔ)存在電容器中；當(dāng)外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲(chǔ)存的電能再放出來。7、二極管二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管，它是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。整流二極管主要用于整流電路，即把交流電變換成脈動(dòng)的直流電。二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。外加反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。8、按鍵常用的按鍵分為自鎖按鍵和不自鎖按鍵。自鎖按鍵：在開關(guān)按鈕第一次按時(shí)，開關(guān)接通并保持，即自鎖，在開關(guān)按鈕第二次按時(shí)，開關(guān)斷開，同時(shí)開關(guān)按鈕彈出來。不自鎖按鍵：開關(guān)每按動(dòng)一次，使電路導(dǎo)通一次，隨即斷開，常用來產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，或者發(fā)送一次命令。9、晶體振蕩器圖2.8石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)及外觀石英晶體振蕩器簡稱晶振，它是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振；而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。10、TLP521-1光耦TLP521-1光耦的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個(gè)pF）所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電路的電壓。線性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光，光敏三級(jí)管導(dǎo)通，光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型，需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號(hào)太小，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，其輸出信號(hào)將失真。在開關(guān)電源，尤其是數(shù)字開關(guān)電源中。圖2.9TLP521-1光耦的外觀第三部分設(shè)計(jì)成果3.1設(shè)計(jì)成果展示圖3.1汽油機(jī)噴油器的PCB電路板3.2作品的特點(diǎn)電路模擬汽油機(jī)噴油器工作的基本原理。在電路中使用單片機(jī)模擬汽車中的ECU控制單元，在按動(dòng)按鍵S2、S3、S4時(shí)，ECU產(chǎn)生相關(guān)的頻率方波信號(hào)，信號(hào)通過光耦由5V方波信號(hào)轉(zhuǎn)為12V的方波信號(hào)，12V的方波信號(hào)使場效應(yīng)功率管(IRF540)處于不停的導(dǎo)通（12V）和斷開（0V）狀態(tài)，使汽油機(jī)噴油器處于工作狀態(tài)。在電路板中，按動(dòng)開關(guān)S2、S3、S4可使汽油機(jī)噴油器工作在不同的工作頻率狀態(tài)?？墒蛊蜋C(jī)噴油器在不同工作頻率下切換，觀察工作狀態(tài)的變化。電路同時(shí)提供端子AD、AC、AC2?？墒褂眯盘?hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同脈寬的數(shù)字、模擬信號(hào)來驅(qū)動(dòng)汽油機(jī)噴油器在不同信號(hào)下工作。3.3作品的仿真測試測試目的：將設(shè)計(jì)好的電路圖通過仿真軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，模擬出實(shí)際功能，然后通過其分析改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。測試思路：若在電流最大值時(shí)，場效應(yīng)晶體管IRF540的電壓為12V，在電流最小值場效應(yīng)晶體管IRF540的電壓為0V，則電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器噴油時(shí)間的精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)電路可以正常使用。測試方案：使用Multisim2001對(duì)電路模塊進(jìn)行靈敏度分析，測試在電流有最大值到最小值時(shí)場效應(yīng)晶體管IRF540的實(shí)時(shí)變化情況。測試過程：1.編輯原理圖，使用原理圖編輯器（SchematicEdit）將汽油機(jī)噴油工作電路圖導(dǎo)入Multisim2001；在“DesignExplorer”窗口內(nèi)，單擊“File”菜單下的“New...”命令創(chuàng)建一個(gè)新的設(shè)計(jì)文件，接著輸入新設(shè)計(jì)文件名，并指定存放路徑。單擊“設(shè)計(jì)文件管理器”前的“+”，顯示設(shè)計(jì)文件包結(jié)構(gòu)，單擊其中的“Documents”文件夾。單擊“File”菜單下的“New...”命令，在彈出的文檔類型選擇框里，雙擊“SchematicDocument”，建立名稱為“Sheet1”的原理圖文件。放置仿真激勵(lì)源，在仿真測試電路中，必須包含一個(gè)仿真激勵(lì)源。這里采用protel99的仿真激勵(lì)源，具體步驟如下：新建一個(gè)設(shè)計(jì)，選擇新建sch文件；browsesch中選擇添加library文件中的sim文件夾下的simulationmodels.ddb；放置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在需要觀察電壓波形的節(jié)點(diǎn)上，放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，以便觀察到指定節(jié)點(diǎn)的電壓波形；選擇仿真方式，并設(shè)置仿真參數(shù)，原理圖編輯環(huán)境執(zhí)行“Simulate|Setup...”命令?；静襟E如下：點(diǎn)擊菜單欄的“OPtions”選項(xiàng)的“Preferences”進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)置選取“Circuit”，在“Circuit”中選取“Showcomponenetlabej”“ShowcomponentreferenceI”“Showcomponentvalue”；點(diǎn)擊“Preferences”中的“Workspace”，進(jìn)行平臺(tái)參數(shù)設(shè)置選取“Showgrid”“Showtitebld”；點(diǎn)擊“Preferences”中的“ComponentBin”進(jìn)行元件箱參數(shù)設(shè)計(jì)，選取“ANSI”中的“NOautoshow”。4執(zhí)行仿真操作。進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度分析是計(jì)算電路中的輸出變量對(duì)電路中元件參數(shù)的敏感程度。通過靈敏度分析，可以了解各電路元件對(duì)ECU的輸出信號(hào)的執(zhí)行程度。檢測我所設(shè)計(jì)的汽油機(jī)噴油器是否能夠準(zhǔn)確的控制噴油器的開關(guān)。具體操作步驟如下：打開“SensitivityAnalysis”選取“AngalysisParameters”上的“Voltage”點(diǎn)擊“Cancel”。對(duì)分析我所設(shè)計(jì)的電路，以光耦TLP521-1和場效應(yīng)晶體管IRF540為例選擇交流靈敏度分析，仿真結(jié)果如圖3.2所示，圖中紅色線段表示場效應(yīng)晶體管IRF540隨電流變化電壓的的變化。圖中藍(lán)色線段表示集成光耦TLP521-1隨電流變化電壓的變化。圖3.2電流逐漸變小過程中電器元件的電壓變化測試結(jié)果：使用Multisim2001對(duì)電路模塊進(jìn)行靈敏測試中由圖3.6可知在效應(yīng)晶體管IRF540由最大值12V逐漸減小至0V左右，光耦TLP521-1回降到輸入電壓5V，到達(dá)了理論值。由測試證明，我所設(shè)計(jì)的汽油機(jī)噴油器電路完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)束語汽油機(jī)噴油器是汽油機(jī)電控噴射系統(tǒng)中核心部件之一，其性能的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能。噴油器的性能是決定電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要因素，直接影響燃油控制單元的精確性。為了進(jìn)一步研究噴油器，就需要研究和開發(fā)能夠評(píng)價(jià)和測試噴油器特性的裝置和設(shè)備。本文所述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路控制精度高，熱穩(wěn)定性能好,而且電路形式簡明可靠。同時(shí)