直流CDI式摩托車點(diǎn)火器設(shè)計(jì)方案

直流CDI式摩托車點(diǎn)火器設(shè)計(jì)方案目錄第一章摩托車點(diǎn)火器概述 21.1序言 21.2點(diǎn)火系統(tǒng)構(gòu)成 21.3點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展及分類 21.3.1點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展 31.3.2點(diǎn)火系統(tǒng)分類 31.3.3小結(jié) 5第二章原理設(shè)計(jì) 62.1電源部分設(shè)計(jì) 62.1.1單片機(jī)電源設(shè)計(jì) 62.1.1逆變振蕩電路設(shè)計(jì) 72.2可控硅控制放電電路設(shè)計(jì) 82.3觸發(fā)信號(hào)處理部分電路設(shè)計(jì) 82.3.1觸發(fā)PC簡(jiǎn)介 92.3.2觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 92.4MCU控制電路 102.4.1P89LPC915簡(jiǎn)介 112.4.2復(fù)位電路 112.4.3模擬電壓比較器輸入電路 122.4.4PTC功能電路 12第三章 軟件設(shè)計(jì) 123.1簡(jiǎn)介內(nèi)容 133.1.1點(diǎn)火正時(shí) 133.1.2提前角延時(shí)原理 133.2點(diǎn)火程序軟件設(shè)計(jì) 153.2.1設(shè)計(jì)功能及I/O口設(shè)定 153.2.2程序主體構(gòu)造簡(jiǎn)介 153.2.3持續(xù)點(diǎn)火模式 16第四章 總結(jié) 254.1測(cè)試成果簡(jiǎn)介 254.1.1提前角延時(shí)點(diǎn)火方式 264.1.2固定點(diǎn)火方式 284.2總結(jié) 294.3申明 29第一章摩托車點(diǎn)火器概述1.1序言我們懂得，燃油摩托車的動(dòng)力來自于汽油機(jī)氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒，而燃燒的完善與否直接影響到汽油機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。良好的燃燒必須具有如下三個(gè)條件，即：良好的混合氣充足的壓縮最佳的點(diǎn)火其中，點(diǎn)火包括點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量。點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制則由點(diǎn)火系統(tǒng)來完畢。點(diǎn)火系統(tǒng)在汽油機(jī)中有著十分重要的作用。點(diǎn)火能量必須要足夠大，否則則不能點(diǎn)燃缸內(nèi)的混合氣，汽油機(jī)也無法正常運(yùn)行。點(diǎn)火時(shí)刻或點(diǎn)火提前角則更為關(guān)鍵，由于它是影響汽油機(jī)性能的最重要參數(shù)之一，點(diǎn)火的過早或過遲都會(huì)直接影響到汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。因此，對(duì)應(yīng)于給定的汽油機(jī)運(yùn)行工況都存在著一種最佳點(diǎn)火提前角。1.2點(diǎn)火系統(tǒng)構(gòu)成磁電機(jī)：提供發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信息；提供點(diǎn)火能量（對(duì)于部分點(diǎn)火器）點(diǎn)火器：臨時(shí)存儲(chǔ)點(diǎn)火能量；在合適的時(shí)候向點(diǎn)火線圈輸出點(diǎn)火能量點(diǎn)火線圈：將點(diǎn)火器輸出轉(zhuǎn)換為高壓，傳播點(diǎn)火能量火花塞：將點(diǎn)火能量從電能轉(zhuǎn)換為熱能，點(diǎn)燃油氣混合物1.3點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展及分類有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)CDI電容放電式TLI電感儲(chǔ)能式可控硅控制點(diǎn)火晶體管控制點(diǎn)火圖1.1點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展1.3.1點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展如圖1.1所示，近幾十年來，摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展很快。首先它經(jīng)歷了從有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)到目前普遍使用的無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的歷史性技術(shù)革新。由于在有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，其觸點(diǎn)因機(jī)油污損或磨損等原因常引起觸點(diǎn)接觸不良和導(dǎo)電困難等故障，可靠性差，因此需要進(jìn)行常常性的檢查和保養(yǎng)，到了使用周期后應(yīng)當(dāng)更換新品，十分不便。這無疑也制約著摩托車無端障里程數(shù)的提高。無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)是通過觸發(fā)線圈獲取的觸發(fā)電流來控制晶體管或可控硅的動(dòng)作，從而切斷點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流。無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)無需保養(yǎng)，成本不高，技術(shù)上也不復(fù)雜，因此很快被推廣使用。目前的摩托車幾乎所有都使用這種無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)。1.3.2點(diǎn)火系統(tǒng)分類摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)的分類措施諸多，這里重要簡(jiǎn)介如下兩種：按放電方式可分為電容放電式點(diǎn)火系統(tǒng)和電感放電式點(diǎn)火系統(tǒng)按點(diǎn)火時(shí)刻控制方式可分為模擬式點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)電容放電式點(diǎn)火系統(tǒng)(CDI)該系統(tǒng)采用磁電機(jī)發(fā)出的電流為電容充電，由于電容放電能產(chǎn)生強(qiáng)大的電火花，并且次級(jí)電流上升快，對(duì)高速汽油機(jī)十分有利，并且也有助于防止火花塞污損。這些特點(diǎn)與二沖程汽油機(jī)的特殊規(guī)定極其吻合，因此高性能二沖程汽油機(jī)大多使用這種點(diǎn)火方式。由于此類點(diǎn)火系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)樸、工作可靠，我國又能自己生產(chǎn)，因此，我國生產(chǎn)的摩托車(不管是二沖程還是四沖程)絕大部分都采用了此類點(diǎn)火系統(tǒng)。電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)中火花強(qiáng)，但放電時(shí)間短，這樣，在汽油機(jī)低速或混合氣較稀時(shí)就不易點(diǎn)燃混合氣。此外，磁電機(jī)方式的固有缺陷是低速時(shí)電流弱、點(diǎn)火能量小。因此，高性能大排量的四沖程汽油機(jī)大多采用無觸點(diǎn)蓄電池式晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)(TLI)。晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)（TLI）無觸點(diǎn)蓄電池式晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)采用蓄電池供電，運(yùn)用晶體管的導(dǎo)通和截止特性，在需要點(diǎn)火時(shí)瞬間切斷點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流，從而在次線線圈上感應(yīng)產(chǎn)生出高電壓，由此在火花塞得到很強(qiáng)的電火花。晶體管點(diǎn)火器的點(diǎn)火性能穩(wěn)定，火花強(qiáng)，放電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)也能保證可靠點(diǎn)火。在該系統(tǒng)中，磁電機(jī)發(fā)出的三相交流電通過整流調(diào)壓器向蓄電池充電，這樣可以充足運(yùn)用磁電機(jī)產(chǎn)生的電能。國外的中大排量四沖程汽油機(jī)基本上采用此類點(diǎn)火系統(tǒng)。我國生產(chǎn)的某些高性能四沖程汽油機(jī)也采用了這種點(diǎn)火系統(tǒng)，如輕騎集團(tuán)生產(chǎn)的GS125摩托車。表1.1CDI和TLI點(diǎn)火系統(tǒng)特性比較3、模擬式點(diǎn)火器上述兩大類點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展重要體目前點(diǎn)火器上，而點(diǎn)火器的技術(shù)進(jìn)步又重要體目前點(diǎn)火提前角的控制上。簡(jiǎn)樸的點(diǎn)火器重要依托觸發(fā)線圈發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)隨磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而迅速提前的特性來控制點(diǎn)火提前角。這種點(diǎn)火器被稱為第一代點(diǎn)火器。盡管這種提前特性可以通這調(diào)整電路和和元件參數(shù)略作變化，但可變化的范圍及靈活性均有很有限，其點(diǎn)火特性與汽油機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角規(guī)律相差甚遠(yuǎn)。為了使實(shí)際的點(diǎn)火提前角盡量靠近其最佳值，四沖程汽油機(jī)點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性一般被設(shè)計(jì)成擁有二臺(tái)階的折線，即低速段和高速段各對(duì)應(yīng)一種近于固定的點(diǎn)火提前角，中間過度段用斜線連接。高下轉(zhuǎn)速段之間的點(diǎn)火提前角差由磁電機(jī)上觸發(fā)塊所占的弧度決定，其詳細(xì)的控制過程一般由專用芯片來完畢。這種點(diǎn)火器被稱為第二代產(chǎn)品，其點(diǎn)火特性可更靠近汽油機(jī)的最佳值。盡管第二代點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性是以擁用二臺(tái)折線來迫近形狀復(fù)雜的最佳點(diǎn)火提前角規(guī)律，比第一代點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性更靠近最佳值，但與實(shí)際的最佳點(diǎn)火提前角規(guī)律尚有一定的差距。這是由于在第一代和第二帶點(diǎn)火器的點(diǎn)火控制電路中采用了模擬電路，很難實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的最佳點(diǎn)火特性。此類點(diǎn)火器就是模擬式點(diǎn)火器。4、數(shù)字式點(diǎn)火器如前所述，由于在點(diǎn)火控制電路中采用模擬電路，模擬式點(diǎn)火器所控制的點(diǎn)火特性只能大體靠近而很難到達(dá)最佳值。要實(shí)現(xiàn)摩托車汽油機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的最佳點(diǎn)火就必須采用數(shù)字控制電路，這種數(shù)字式點(diǎn)火器被稱為第三代點(diǎn)火器。由于數(shù)字式點(diǎn)火器采用了單片機(jī)控制電路，故能按照任意給定的點(diǎn)火提前角曲線控制點(diǎn)火。因此，只要獲取汽油機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角規(guī)律，數(shù)字式點(diǎn)火器即可保證其最佳點(diǎn)火。在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國里，基于對(duì)最佳性能的追求，點(diǎn)火提前角的數(shù)字式(微機(jī))控制在轎車汽油機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)有二十?dāng)?shù)年的歷史。在豪華大排量運(yùn)動(dòng)型摩托車汽油機(jī)上數(shù)年來同樣也應(yīng)用了微機(jī)控制技術(shù)，以最大程度地發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)的性能潛力。如著名的美國哈利·戴維森企業(yè)、德國寶馬企業(yè)和日本本田、川崎、鈴木企業(yè)等均有此類產(chǎn)品。近來幾年某些企業(yè)又把這種數(shù)字式點(diǎn)火技術(shù)應(yīng)用到一般家庭型的摩托車汽油機(jī)上，如日本雅馬哈的JOGAPRIO踏板車就采用了數(shù)字式點(diǎn)火器，使其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性得到了深入的改善。因此，越來越多的摩托車制造商也將會(huì)很快地把數(shù)字式點(diǎn)火器應(yīng)用到一般家庭型摩托車汽油機(jī)上。1.3.3小結(jié)綜上所述，數(shù)字化也是點(diǎn)火系統(tǒng)未來必然的發(fā)展趨勢(shì)。再充足考慮性價(jià)比原因，因此本方案的設(shè)計(jì)目的確定為：直流CDI(DC-CDI)點(diǎn)火器。特選擇NXP半導(dǎo)體的89LPC915單片機(jī)作為控制設(shè)計(jì)。第二章原理設(shè)計(jì)圖2.1DC-CDI點(diǎn)火器原理圖如圖2.1所示為本方案DC-CDI點(diǎn)火器原理圖。如下將按各個(gè)功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)介。2.1電源部分設(shè)計(jì)本次方案設(shè)計(jì)目的為直流CDI點(diǎn)火器。使用的工作電源為12V蓄電池，即輸入電源為直流12V電壓。2.1.1單片機(jī)電源設(shè)計(jì)因使用輸入電源為12V，而選擇的MCU：P89LPC915操作電壓范圍為（2.4～3.6）V。因此需要添加電源轉(zhuǎn)換器件。本方案選用SPX1117M3。SPX1117為Sipex企業(yè)生產(chǎn)的LDO芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。SPX1117系列LDO芯片輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能。它是一種低功耗正向電壓調(diào)整器，其可以用在某些高效率，小封裝的低功耗設(shè)計(jì)中。這款器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應(yīng)用。SPX1117有很低的靜態(tài)電流，在滿負(fù)載時(shí)其低壓差僅為1.1V。當(dāng)輸出電流減少時(shí)，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。SPX1117可調(diào)整，以選擇1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的輸出電壓。這里選擇3.3V輸出電壓的SPX1117M3-3.3。一種10uF的輸出電容可有效地保證該芯片的穩(wěn)定性，然而在大多數(shù)應(yīng)用中，僅需一種更小的2.2uF電容。在本方案中，考慮較高的可靠性設(shè)計(jì)，特在SPX1117的輸入及輸出端均加上一種10uF圖2.2電源電路其中D1二極管為防止外部電源反接，R21電阻為限流電阻。2.1.1逆變振蕩電路設(shè)計(jì)圖2.3逆變振蕩電路CDI點(diǎn)火器的經(jīng)典特點(diǎn)就是通過給電容的充電和放電過程來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的。而逆變振蕩電路就是保證系統(tǒng)給電容器正常充電的設(shè)計(jì)。VDD電源輸入直流12V到逆變線圈T1的初級(jí)的一端，當(dāng)三極管Q1（TIP41C）處在放大狀態(tài)時(shí)，其集電極將線圈T1初級(jí)的另一端拉低，從而使逆變線圈起振，進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換。這時(shí)。T1的次級(jí)產(chǎn)生250V左右的交流通過續(xù)流二極管D3完畢給電容C3的充電過程。其中，D4穩(wěn)壓管起穩(wěn)定充電后C3電容電壓的作用。如圖中OSC端為單片機(jī)的輸出端控制端。當(dāng)OSC輸出為高電平時(shí)（3.3V）使能三極管Q2，于是Q2的集電極將Q1的基極拉低，使Q1進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。這樣Q1的集電極被拉高從而可使T1停振，停止對(duì)電容C3的充電過程。這樣，就可以通過單片機(jī)OSC端輸出高下電平以完畢對(duì)振蕩電路停振和起振的轉(zhuǎn)換控制。2.2可控硅控制放電電路設(shè)計(jì)如圖2.4所示，OUT為單片機(jī)的輸出I/O口。當(dāng)OUT被單片機(jī)置高后，三極管Q3被使能，其射極被拉高后通過兩個(gè)電阻R9，R10分壓將高電平（1.5V左右）加到可控硅的控制極上，便可將可控硅Q4導(dǎo)通，這樣Q4和C3便構(gòu)成了一種放電回路。在點(diǎn)火器IGN輸出端接點(diǎn)火線圈時(shí)，電容器的電能便通過可控硅進(jìn)入點(diǎn)火線圈。而當(dāng)OUT腳被單片機(jī)拉低后，Q3截止關(guān)斷可控硅。點(diǎn)火線圈的電流被斷開，這時(shí)點(diǎn)火線圈就會(huì)立即產(chǎn)生自耦高壓電，使火花塞迸發(fā)火花點(diǎn)火。如此反復(fù)循環(huán)，就能保證點(diǎn)火系統(tǒng)正常工作。圖2.4可控硅控制放電電路此外需要注意的是，由于是CDI式點(diǎn)火，即電容充放電點(diǎn)火。該方式存在一種“充電—放電—充電”的循環(huán)過程，而由前面2.1.2部分簡(jiǎn)介可知，電容的充電過程也是由單片機(jī)通過另一種輸出腳OSC控制逆變電路的起振來實(shí)現(xiàn)的。因此，需要滿足在逆變電路起振時(shí)（即給電容充電過程中），可控硅必須截止（此時(shí)不能形成放電回路，否則將無法給電容充電）；同步，必須保證在振蕩電路停振后才開可控硅（否則將損壞點(diǎn)火器）。因此，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，必須充足考慮OSC和OUT兩個(gè)輸出控制信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，以防止系統(tǒng)運(yùn)行不正常甚至毀壞系統(tǒng)。2.3觸發(fā)信號(hào)處理部分電路設(shè)計(jì)（a）轉(zhuǎn)動(dòng)方向（a）轉(zhuǎn)動(dòng)方向磁電機(jī)飛輪觸發(fā)凸臺(tái)觸發(fā)線圈（b）AB圖2.5摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)物及信號(hào)圖2.3.1觸發(fā)PC簡(jiǎn)介在分析觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路之前，這里先簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介一下摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)的PC觸發(fā)信號(hào)。如圖2.5（a）所示，在磁電機(jī)飛輪的外表面上，存在一種凸臺(tái)（諸多復(fù)雜磁電機(jī)甚至具有多種長(zhǎng)短不一，間隔不等的凸臺(tái)）。摩托車的磁電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，飛輪與磁電極定子之間通過磁場(chǎng)變化為摩托車提供電能。與此同步，飛輪上每轉(zhuǎn)過一周，與磁電機(jī)配套的觸發(fā)塊（即觸發(fā)線圈）在凸臺(tái)到來時(shí)都會(huì)被觸發(fā)，產(chǎn)生一種PC信號(hào)，如圖2.5（b）所示。該P(yáng)C信號(hào)在飛輪轉(zhuǎn)速不變的狀況下為固定周期的持續(xù)脈沖信號(hào)。有的點(diǎn)火系統(tǒng)PC信號(hào)為先正后負(fù)，有的點(diǎn)火系統(tǒng)PC信號(hào)又是先負(fù)后正。這是由觸發(fā)線圈的硬件構(gòu)造決定的，這里就不在詳細(xì)簡(jiǎn)介。本方案設(shè)計(jì)的PC觸發(fā)為先負(fù)后正。在磁電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，一般把凸臺(tái)先轉(zhuǎn)到觸發(fā)線圈位置處的邊緣叫做觸發(fā)前沿，后轉(zhuǎn)過的邊緣則稱做觸發(fā)后沿。再來看看圖2.5，序言信號(hào)為負(fù)向脈沖，后沿信號(hào)為正向脈沖。A便是磁電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速周期。B則是凸臺(tái)角度在目前轉(zhuǎn)速下的周期時(shí)間。2.3.2觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖2.6信號(hào)轉(zhuǎn)換電路我們對(duì)PC信號(hào)轉(zhuǎn)換的最終目的是將PC觸發(fā)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所能識(shí)別，并且以便我們做有關(guān)處理判斷的邏輯電平信號(hào)。原始PC觸發(fā)信號(hào)如圖2.5（b）所示。轉(zhuǎn)換電路如圖2.6所示。該部分處理電路將PC前沿和后沿信號(hào)通過兩個(gè)二極管D9，D10分兩條支路進(jìn)行處理。最終輸出IN1代表前沿信號(hào)，IN2代表后沿信號(hào)作為單片機(jī)輸入。D9負(fù)向支路在前沿信號(hào)未屆時(shí)，三極管Q5基極被上拉置高，Q5導(dǎo)通，其集電極為低從而保證Q6截止，這樣保證沒有前沿負(fù)向信號(hào)時(shí)IN1一直為高；目前沿負(fù)向信號(hào)到來時(shí)，Q5基極電壓變低，于是Q5截止，集電極將Q6基極拉高，Q6導(dǎo)通集電極被拉低，于是保證了前沿信號(hào)到來時(shí)IN1輸出低電平。D10正向支路中，也是通過三極管Q9的截止和導(dǎo)通來保證IN2在沒有后沿信號(hào)時(shí)輸出一直為高，而后沿信號(hào)到來時(shí)輸出為低。如圖2.7所示為PC的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換波形。PCPCIN1IN2圖2.7波形轉(zhuǎn)換圖2.4MCU控制電路圖2.8MCU控制電路如圖2.8所示，為MCU控制芯片的電路及有關(guān)外圍電路（包括芯片輸入電源，復(fù)位器件，模擬比較輸入電壓部分等）。這里芯片電源使用SPX1117的輸出3.3V電源。電阻R22為限流電阻。下面，首先對(duì)P89LPC915做一種簡(jiǎn)樸性能簡(jiǎn)介。2.4.1P89LPC915簡(jiǎn)介圖2.9LPC915管腳圖P89LPC915是單片封裝的微控制器，適合于許多規(guī)定高集成度、低成本的場(chǎng)所，可以滿足多方面的性能規(guī)定。P89LPC915采用了高性能的處理器構(gòu)造，指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于原則80C51器件。P89LPC915集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并減少系統(tǒng)的成本。P89LPC915重要特性：2kB可字節(jié)擦除的Flash程序存儲(chǔ)器，具有256字節(jié)的扇區(qū)和16字節(jié)的頁。單字節(jié)擦除功能使得任何字節(jié)可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2個(gè)16位定期/計(jì)數(shù)器，定期器0可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)對(duì)應(yīng)端口輸出或作為PWM輸出。23位的系統(tǒng)定期器，可用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘。4輸入8位A/D轉(zhuǎn)換器/1個(gè)DAC輸出。2個(gè)模擬比較器，可選擇參照源。增強(qiáng)型UART。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測(cè)、幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址識(shí)別和通用中斷功能。選擇內(nèi)部RC振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件。RC振蕩器（出廠校準(zhǔn)精度為±1％）選項(xiàng)可選并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)整。VDD操作電壓范圍為2.4～3.6V。I/O口可承受5V（可上拉或驅(qū)動(dòng)到5.5V）。2.4.2復(fù)位電路本方案中使用外部復(fù)位方式，選擇Catalyst半導(dǎo)體企業(yè)生產(chǎn)的外部復(fù)位監(jiān)控期間CAT809R。CAT809的RESET是推挽輸出（低有效）。復(fù)位時(shí)，CAT809產(chǎn)生一種復(fù)位信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在電源電壓低于預(yù)置的閾值時(shí)和電源電壓上升到該閾值后的140ms內(nèi)有效。由于Catalyst半導(dǎo)體運(yùn)用了底層浮動(dòng)閘（floatinggate）技術(shù)AE2TM，因此器件可以提供任何特定的復(fù)位閾值。7個(gè)工業(yè)原則的閾值可支持+5.0V、+3.3V、+3.0V和+2.5V的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中選擇使用CAT809R，復(fù)位閾值為2.63V。2.4.3模擬電壓比較器輸入電路本方案設(shè)計(jì)中，選擇模擬電壓比較方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU的過壓保護(hù)功能。當(dāng)輸入電壓不小于保護(hù)電壓時(shí)，點(diǎn)火系統(tǒng)將關(guān)閉振蕩電源電路。這里，只使用單個(gè)比較器輸入引腳，選擇內(nèi)部參照電壓發(fā)生器提供的默認(rèn)參照電壓Vref=1.23（1±10%）V。因此，由圖2.8中電路，可計(jì)算出保護(hù)電壓為：（1.23×21）V=25.83V。2.4.4PTC功能電路PTC功能即啟動(dòng)加濃功能是指通過啟動(dòng)加濃，使機(jī)車的啟動(dòng)時(shí)燃油通過加濃通道與空氣混合，使機(jī)車啟動(dòng)更輕易。目前的座式車發(fā)動(dòng)機(jī)上的化油器一般都設(shè)置有自動(dòng)加濃閥裝置，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速急劇變化的一段時(shí)間內(nèi)，加濃閥自動(dòng)打開。當(dāng)轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)到一定期，需要MCU通過軟件控制PTC電路使電流導(dǎo)通流過PTC發(fā)熱體，從而關(guān)閉自動(dòng)啟動(dòng)加濃閥！這里不再對(duì)PTC發(fā)熱體的工作原理和過程進(jìn)行詳細(xì)闡明。PTC控制電路如圖2.10所示。圖2.10PTC控制電路系統(tǒng)PTC輸出外接PTC發(fā)熱塊，當(dāng)PTC為低電平時(shí)，回路導(dǎo)通，電流流過發(fā)熱塊實(shí)現(xiàn)關(guān)閉自動(dòng)啟動(dòng)加濃閥功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不小于PTC額定啟動(dòng)轉(zhuǎn)速后，P89LPC915的PTC功能輸出I/O口將被拉高。于是三極管Q7導(dǎo)通，發(fā)射極變高又導(dǎo)通三極管Q8，于是PTC輸出被Q8集電極拉低。本章節(jié)內(nèi)容簡(jiǎn)介了電路個(gè)部分的設(shè)計(jì)，對(duì)功能性部分作了簡(jiǎn)略的簡(jiǎn)介。下一章，將對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)控制MCU的軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行簡(jiǎn)介。軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火正時(shí)概念，以及CDI式的點(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整提前角的原理有一種清晰的認(rèn)識(shí)。下面，首先簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介一下這部分內(nèi)容。3.1簡(jiǎn)介內(nèi)容點(diǎn)火正時(shí)及提前角延時(shí)簡(jiǎn)介3.1.1點(diǎn)火正時(shí)對(duì)于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)行過程中氣缸內(nèi)的氣體被活塞壓縮，噴油嘴給油，在汽缸內(nèi)形成高濃度的油氣混合物，當(dāng)活塞將其壓縮到一定程度時(shí)，點(diǎn)火系統(tǒng)工作，火花塞放電點(diǎn)火，油氣混合物急速劇烈燃燒，推進(jìn)活塞運(yùn)動(dòng)，為摩托車提供動(dòng)力?；钊钊麣飧讎娪妥旎鸹ㄈc(diǎn)火理想點(diǎn)火位置提前點(diǎn)火位置圖3.1點(diǎn)火示意圖如圖3.1所示，在此過程中，理論上的理想狀態(tài)是當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到最高位置，如圖中黑線所示活塞的理想點(diǎn)火位置（即將油氣混合物壓縮最小體積）時(shí)，火花塞點(diǎn)火。這就稱做點(diǎn)火正時(shí)。點(diǎn)火正時(shí)的前提是認(rèn)為點(diǎn)火后，油氣混合物瞬間燃燒。不過眾所周知，雖然混合密度非常均勻的油氣混合物的燃燒也是有一定延時(shí)的，雖然這個(gè)延時(shí)很小，不過對(duì)于點(diǎn)火系統(tǒng)來說卻是不可忽視的，況且諸多發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸里的油氣混合物混合還沒有到達(dá)均勻的程度，更會(huì)加大完全燃燒的延時(shí)，導(dǎo)致點(diǎn)火不正時(shí)。長(zhǎng)期工作于點(diǎn)火不正時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不僅對(duì)汽油燃燒的運(yùn)用率不高會(huì)導(dǎo)致油耗增長(zhǎng)，愈加會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。3.1.2提前角延時(shí)原理由3.1.1節(jié)簡(jiǎn)介可知，假如點(diǎn)火不正時(shí)，將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油和使用壽命。怎么處理點(diǎn)火不正時(shí)的問題呢？業(yè)界通用的CDI點(diǎn)火器提前角延時(shí)法便是針對(duì)這個(gè)問題的處理方案。什么是點(diǎn)火提前角呢？再看看圖3.1，黑實(shí)線表達(dá)理想的點(diǎn)火時(shí)刻，不過由于油氣混合物燃燒延時(shí)原因，假如等活塞運(yùn)動(dòng)到該位置再點(diǎn)火，那么將會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火不正時(shí)。因此，如圖3.1中虛線所示，在活塞還沒有運(yùn)動(dòng)到最高的理想狀態(tài)位置時(shí)，我們提前一定的時(shí)間讓點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火，以此來緩沖前面所提到的燃燒延時(shí)，盡量減小燃燒延時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，使點(diǎn)火器的工作盡量迫近點(diǎn)火正時(shí)。由于活塞的上下沖程運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)，我們從磁電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圓周角度的方面來看的話，就是要提前一定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度讓點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火，這便稱做點(diǎn)火提前角。此外，由于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較大，因此，我們不能在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都使用同一種點(diǎn)火提前角。簡(jiǎn)樸來說就是，必須要讓CDI點(diǎn)火系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)整點(diǎn)火提前角的能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)點(diǎn)火提前角變小，在高速時(shí)點(diǎn)火提前角自動(dòng)增大。那什么又是提前角延時(shí)呢？在闡明這個(gè)問題之前，先簡(jiǎn)介如下固定點(diǎn)火方式，以以便和提前角點(diǎn)火做比較。首先，理想狀態(tài)的點(diǎn)火我們稱做：固定角度點(diǎn)火，簡(jiǎn)稱為固定點(diǎn)火。如圖3.2A所示，固定點(diǎn)火方式是指點(diǎn)火一直在凸臺(tái)后沿信號(hào)到來時(shí)刻。固定點(diǎn)火時(shí)刻固定點(diǎn)火時(shí)刻固定點(diǎn)火時(shí)刻固定點(diǎn)火方式A提前點(diǎn)火時(shí)刻提前點(diǎn)火時(shí)刻B提前角點(diǎn)火方式提前角延時(shí)提前角度對(duì)應(yīng)時(shí)間凸臺(tái)夾角對(duì)應(yīng)時(shí)間圖3.2固定點(diǎn)火與提前點(diǎn)火而提前角點(diǎn)火方式如圖3.2B所示，提前點(diǎn)火時(shí)刻比固定點(diǎn)火時(shí)刻提前了一段時(shí)間。這段時(shí)間就是磁電機(jī)在目前轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)過提前角度所用的時(shí)間。此外，由于點(diǎn)火器是當(dāng)PC觸發(fā)信號(hào)到來之后才被觸發(fā)開始工作，因此提前角延時(shí)就是指觸發(fā)前沿信號(hào)到提前點(diǎn)火時(shí)刻這段時(shí)間。因此有：提前角延時(shí)=(凸臺(tái)夾角-提前角)/目前轉(zhuǎn)速…………公式3-1必須注意的是不一樣的轉(zhuǎn)速下，對(duì)應(yīng)的提前角是不一樣樣的。前面簡(jiǎn)介點(diǎn)火器類型時(shí)曾說過，模擬CDI點(diǎn)火器是通過專用芯片來盡量實(shí)現(xiàn)迫近點(diǎn)火二臺(tái)階曲線。而數(shù)字點(diǎn)火器則是只要獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的提前角變化規(guī)律，便可在程序中任意設(shè)定點(diǎn)火提前角曲線。3.2點(diǎn)火程序軟件設(shè)計(jì)首先對(duì)程序設(shè)計(jì)功能及MCU的I/O口設(shè)定做簡(jiǎn)要簡(jiǎn)介。3.2.1設(shè)計(jì)功能及I/O口設(shè)定本方案設(shè)計(jì)點(diǎn)火器重要有如下功能：點(diǎn)火提前角自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速限制過壓保護(hù)PTC功能控制MCU的輸入輸出，如表3.1所示：表3.1I/O口功能表I/O口功能P1^4觸發(fā)前沿(正脈沖)輸入P1^3觸發(fā)后沿(負(fù)脈沖)輸入P0^1停止振蕩輸出P0^4模擬電壓比較正向輸入，使用內(nèi)部參照電壓P1^0點(diǎn)火輸出P1^1PTC功能控制輸出3.2.2程序主體構(gòu)造簡(jiǎn)介開始開始初始化觸發(fā)輸入與否正常進(jìn)入持續(xù)點(diǎn)火模式NY持續(xù)點(diǎn)火模式初始化進(jìn)入循環(huán)模式PTC、限速及過壓保護(hù)功能判斷處理計(jì)算處理得到提前角延時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)火處理AB圖3.3流程圖1如圖3.3A為程序重要構(gòu)造流程圖，當(dāng)時(shí)始化完畢后，程序?qū)⒉煌z測(cè)與否有觸發(fā)信號(hào)到來，如有IN1，IN2信號(hào)到來，判斷如下為程序主函數(shù)：程序清單1其中，check_pulse()為信號(hào)檢測(cè)子函數(shù)：程序清單2run_ignite()為持續(xù)點(diǎn)火子函數(shù)。3.2.3持續(xù)點(diǎn)火模式持續(xù)點(diǎn)火模式是指程序通過初始化并收到對(duì)的的輸入信號(hào)后，開始進(jìn)行循環(huán)的點(diǎn)火過程。它執(zhí)行一遍就對(duì)應(yīng)著磁電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周。如圖3.3B為持續(xù)點(diǎn)火模式的流程圖。這里將不對(duì)整個(gè)程序做詳細(xì)簡(jiǎn)介，重點(diǎn)闡明如下幾部分內(nèi)容：第一部分目前轉(zhuǎn)速計(jì)算持續(xù)點(diǎn)火模式每循環(huán)一次，都會(huì)計(jì)算一次目前轉(zhuǎn)速。在持續(xù)點(diǎn)火模式初始化中，會(huì)打開定期器1計(jì)時(shí)，然后運(yùn)用兩次IN1外部中斷的間隔時(shí)間得到目前轉(zhuǎn)速周期，便可通過計(jì)算得到目前的轉(zhuǎn)速。這里需要闡明一點(diǎn)的是，磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速在高速時(shí)可達(dá)10000r/min，為了以便對(duì)8位寄存器的操作，因此對(duì)目前實(shí)際轉(zhuǎn)速作除以100的操作，得到商代表目前轉(zhuǎn)速，這樣以保證目前轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)在256范圍以內(nèi)，并增長(zhǎng)了一種表達(dá)目前轉(zhuǎn)速余值的數(shù)據(jù)。程序清單3第二部分提前角延時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算這部分是按如下流程進(jìn)行計(jì)算的：得到目前轉(zhuǎn)速及目前轉(zhuǎn)速余數(shù)得到目前轉(zhuǎn)速及目前轉(zhuǎn)速余數(shù)根據(jù)目前轉(zhuǎn)速計(jì)算提前角數(shù)據(jù)地址根據(jù)地址從設(shè)定數(shù)組中取出兩個(gè)相鄰的提前角數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算判斷進(jìn)角方向提前角＋插值提前角－插值由提前角得到提前角延時(shí)數(shù)據(jù)正向進(jìn)角反向進(jìn)角圖3.4流程圖2程序清單4提前角數(shù)據(jù)的計(jì)算是通過查表的方式來實(shí)現(xiàn)。在程序的開始定義了一種一維數(shù)組用于查表，由于程序中操作的目前轉(zhuǎn)速是通過除以100的處理之后的數(shù)據(jù)，因此該數(shù)組中相鄰兩個(gè)提前角數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速間隔為100r/min。如上所示，該數(shù)組數(shù)據(jù)可根據(jù)調(diào)試成果更改，以滿足顧客需求。根據(jù)目前轉(zhuǎn)速計(jì)算出查表用的提前角數(shù)據(jù)地址。這樣，查表就可以得到原始的提前角數(shù)據(jù)。這里程序借用了125AN車型點(diǎn)火器的提前角數(shù)據(jù)。程序清單5上面取了兩個(gè)相鄰的原始提前角數(shù)據(jù)。是為了進(jìn)行插值計(jì)算。這里采用了工程計(jì)算中常用的牛頓插值法，其特點(diǎn)是函數(shù)迫近。通過有限個(gè)已知點(diǎn)，可以運(yùn)用插值法計(jì)算出插值，得到較為精確的函數(shù)曲線。已知點(diǎn)越多，牛頓插值均差的階數(shù)越高，近似迫近就越精確。下面對(duì)牛頓插值公式做個(gè)簡(jiǎn)要簡(jiǎn)介。YYXX1X2XY2Y1圖3.5牛頓插值公式圖如圖3.5所示，Y為X的一維函數(shù)，Y2=F(X2),Y1=F(X1)。則當(dāng)X1＜X＜X2時(shí)，函數(shù)Y對(duì)應(yīng)目前X的插值計(jì)算公式為：K=[(X－X1)/(X2－X1)]×(Y2－Y1)…………公式3.2因此，根據(jù)前面所取的相鄰兩個(gè)提前角數(shù)據(jù)，可以計(jì)算目前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的提前角插值：目前插值＝[(目前實(shí)際轉(zhuǎn)速－V1)/(V2－V1)]×(Q2－Q1)…………公式3.3這里的V1，V2為處理過后的相鄰目前轉(zhuǎn)速，因此有V2-V1=1。此外，還滿足關(guān)系：V1所代表實(shí)際轉(zhuǎn)速＜目前實(shí)際轉(zhuǎn)速＜V2所代表實(shí)際轉(zhuǎn)速，因此有：（目前實(shí)際轉(zhuǎn)速－V1）即是目前轉(zhuǎn)速余值。于是，最終的計(jì)算公式為：目前插值＝目前轉(zhuǎn)速余值×(Q2-Q1)…………公式3.4計(jì)算出插值后，再根據(jù)提前角的變化趨勢(shì)判斷出是正向進(jìn)角還是反向進(jìn)角以進(jìn)行插值的加減運(yùn)算，這樣便完畢了運(yùn)用插值法對(duì)點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)的修正過程。牛頓插值法在這里的應(yīng)用，大大地提高了提前角曲線的精度，使系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)刻愈加精確，提高了點(diǎn)火器的性能。程序清單6得到處理過的提前角數(shù)據(jù)后，根據(jù)3.1.2簡(jiǎn)介，運(yùn)用公式3.1，便可計(jì)算的出目前轉(zhuǎn)速下的提前角延時(shí)數(shù)據(jù)了。這里需要闡明一點(diǎn)的是，本方案確定的磁電機(jī)觸發(fā)凸臺(tái)角度為36°，并且提前角度也在這個(gè)范圍內(nèi)，相對(duì)于8位寄存器最大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)255，其變化范圍均較小。因此程序中對(duì)凸臺(tái)夾角和提前角都作了除以0.15的操作（36÷0.15=240），以放大角度的變化范圍，便于更精確的操作。這樣，需要將程序中的角度數(shù)據(jù)做乘以0.15的操作，以還原為實(shí)際角度，才能將其用來計(jì)算提前角延時(shí)。程序清單7第三部分點(diǎn)火處理雖然持續(xù)點(diǎn)火模式的循環(huán)中，每一次都會(huì)按前面所簡(jiǎn)介的措施計(jì)算提前角延時(shí)數(shù)據(jù)，不過在點(diǎn)火的處理中，卻不是每次都使用了這個(gè)數(shù)據(jù)來延時(shí)點(diǎn)火。由于除了提前角延時(shí)點(diǎn)火外，尚有固定點(diǎn)火方式。點(diǎn)火處理這部分程序首先就是判斷本次點(diǎn)火的點(diǎn)火方式是這兩者中的哪一種，然后再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理操作。在程序中尤其定義了一種表達(dá)點(diǎn)火方式的標(biāo)志變量ignite_pattern，當(dāng)ignite_pattern=0時(shí)為提前角延時(shí)點(diǎn)火，否則為固定的點(diǎn)火（有關(guān)這一點(diǎn)，有一種問題，本來設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)省空間，盡量少定義變量，因此將幾種程序中的狀態(tài)標(biāo)志定義為一種可位操作的變量的不一樣位，不過編譯出的程序在判斷點(diǎn)火方式時(shí)卻會(huì)跑飛，不得不將點(diǎn)火方式提出來此外定義）。如圖3.6所示，為點(diǎn)火處理部分的詳細(xì)流程圖：圖3.6點(diǎn)火流程圖有關(guān)代碼如下所述：程序清單8其中ignite_deal()為詳細(xì)的點(diǎn)火處理子程序：程序清單9有關(guān)幾種子函數(shù)代碼如下：程序清單10程序清單10(續(xù))這里闡明一下，本程序中固定點(diǎn)火方式的兩種狀況：開始點(diǎn)火的前幾種周期，有關(guān)變量start_count；目前轉(zhuǎn)速低于1000r/min；第四部分PTC控制功能的實(shí)現(xiàn)程序進(jìn)入持續(xù)點(diǎn)火模式后，首先就對(duì)與否啟動(dòng)PTC功能做了判斷，假如目前轉(zhuǎn)速不小于設(shè)定的PTC功能啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)PTC功能（PTC置1）。需要注意的是，由于持續(xù)模式執(zhí)行一遍的時(shí)間較短，電機(jī)轉(zhuǎn)速不也許發(fā)生較大的變化，這里判斷的轉(zhuǎn)速是磁電機(jī)上一周的轉(zhuǎn)速（即程序上一種持續(xù)點(diǎn)火模式中計(jì)算出的轉(zhuǎn)速）。代碼如下：程序清單11第五部分限速及過壓保護(hù)功能在程序中，定義了一種可位操作的狀態(tài)變量，將其中兩位分別設(shè)置為限速標(biāo)志位和過壓狀態(tài)位。以以便我們進(jìn)行限速和過壓保護(hù)操作：當(dāng)轉(zhuǎn)速不小于設(shè)定的限速值后，置為限速標(biāo)志位；當(dāng)外部輸入模擬比較電壓不小于內(nèi)部比較電壓時(shí)，置過壓狀態(tài)位。這兩個(gè)功能是緊跟在PTC功能判斷之后進(jìn)行，只要限速標(biāo)志位和過壓狀態(tài)位其中有一種為1，則關(guān)振蕩電路（OSC=1），停止點(diǎn)火系統(tǒng)工作，否則就開振蕩，系統(tǒng)正常工作。不過需要注意的，判斷關(guān)振蕩，這時(shí)程序仍然在運(yùn)行，下一次循環(huán)將繼續(xù)做此判斷處理。有關(guān)代碼如下：程序清單12其中子函數(shù)check_voltage()代碼為：程序清單13總結(jié)通過不停的軟件調(diào)試修改和三次改板，初步完畢了本方案的設(shè)計(jì)。這里首先對(duì)設(shè)計(jì)樣板的有關(guān)測(cè)試成果做一種簡(jiǎn)樸的簡(jiǎn)介。4.1測(cè)試成果簡(jiǎn)介如圖4.1波形所示為輸入IN1，IN2信號(hào)。IN2IN1IN2IN1圖4.1IN2OUTIN2OUT圖4.2OUT、IN2波