（光学工程专业论文）柴油机红外再生微粒捕集器电路控制系统研究与开发.pdf

摘要 柴油机尾气控制技术的研究已经得到国内外专家的广泛关注。本项目红外再 生微粒捕集技术可以基本解决柴油机排放碳烟的问题，其微粒排外净化率大于 9 5 ，安装本项目产品的国产柴油机车辆的微粒排放即可达到或者超过欧1 标准， 这会极大改善城市环境，促进社会和经济发展。 柴油机红外再生微粒捕集系统由两只陶瓷过滤器和电路控制系统组成。电路控 制系统实现实时控制，保证该系统正常自动化、智能化工作。本论文重点研究其 电路控制系统，采用z i l o g 公司的z 8 6 e 3 3 单片机进行控制，包括硬件设计和软件 开发。本论文将重点介绍该控制系统的硬件工作原理和功能以及软件的设计思想 和编程原理。硬件电路包括电源模块、外界存储器以及控制单片机组成。硬件设 计主要考虑到热电偶放大电路、v - f 转换电路、光耦隔离等单片机外围电路设计。 软件采用z i l o g 单片机汇编语言编写，通过z i l o g 开发系统进行开发。该电路控 制系统反复经过台架试验，性能稳定、控制效果十分理想。 关键字：红外再生；微粒捕集；控制系统；硬件：软件；z 8 6 e 3 3 a b s t r a c t t h et e c h n 0 1 0 9 yr e s e a r c ho ft h ed i e s e le n g i n eo f f g a sc o n t r 0 1h a sb e e n w i d e l yc o n s i d e r e db ye x p e r t sa 1 1o v e rt h ew o r l d t h ep r o j e c to ft h ed i e s e l e n g i n ei n f r a r e d r e g e n e r a t i o np a t t i c l ed r i pc a t c h e rc a nb a s i c a ll yr e s o l y e t h ep r o b l e mo fd i e s e le n g i n ec a r b o nf u m ee m i s s i o n ，t h ep a r t i c l er e l e a s e p u r i f i c a t i o nr a t i oi sg r e a t e rt h a n9 5 ，a n dt h ep a r t i c l ed i s c h a r g eo ft h e d o m e s t i cd i e s e le n g i n ei n s t a l l i n gt h i sp r o j e c tc a na c h i e v eo re x c e e dt h e e u r o p em s t a n d a r d s oi tw i l ld e f i n i t e l yi m p r o v et h ec i t ye n v i r o n m e n ta n d a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l es o c i e t ya n dt h ee c o n o m y t h e s y s t e m o fd i e s e l e n g i n ei n f r a r e d - r e g e n e r a t i o np a r t i c l ed r i p c a t c h e ri sm a d eu do ft w oc e r a m i cf i l t e r sa n dt h ec i r c u i tc o n t r 0 1s y s t e m t h ec i r c u i tc o n t r o l s y s t e m s h o u l dr e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o la n d g u a r a n t e et h ep r o j e c tw o r ka u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y t h i sp a p e r e m p h a t i c a i l yr e s e a r c h e so fc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m ，a d o p t i n gz 8 6 e 3 3s i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e rm a d eb yz i l o gc o m p a n yt o c o n t r o l ，i n c l u d i n g t h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ep a p e re l a b o r a t e st h e h a r d w a r e s w o r k i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o na n ds o f t w a r e sd e s i g ni d e o l o g y a n dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e t h eh a r d w a r ec i r c u i tc o n s i s t so fp o w e rm o d u l e ， e x t e r n a lm e m o r y ，s i n g l ec h i pp r o c e s s o rm o d u l ez 8 6 e 3 3 t h eh a t d w a r ed e i g n m a i n l yc o n s i d e r st h es i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rp e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n ， s u c ha s t h e r m o c o u p l ea m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，v - fs w i t c h i n gc i r c u i ta n d o p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t o rc i r c u i t ，e t c t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e db y a s s e m b l yl a n g u a g eo fz i l o gc h i pm i c r o c o m p u t e ra n dd e v e l o p e db yz i l o g d e v e i o p m e n ts y s t e m a f t e rr e p e a t e db e n c ht e s t ，t h ec i r c u i tc o n t r o ls y s t e m s h o w s s a t i s f a c t o r yr e s u l ta n dg o o da n ds t a b l ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：i n f r a r e d - r e g e n e r a t i o n p a r t i c l ed r i pc a t c h e r ，c o n t r o i s y s t e m h a r d w a r e 。s o f t w a r e z 8 6 e 3 3 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 1绪论 1 1 引言 目前柴油机尾气控制技术的研究已经得到国内外专家的广泛关注，高压喷 射、电控、高增压中冷、多气门、e g r 等技术的采用，使柴油机排放得到进 一步改善。由于我国柴油机结构、柴油燃料高硫的特点，使以上技术难以满足 日趋严格的微粒排放法规，尤其是超细微粒的净化更为困难。同时，由于中国 柴油机制造技术落后，过量的润滑油消耗也大都形成碳烟微粒排放。因此，采 用微粒捕集器是降低柴油机碳烟微粒排放的重要选择。 微粒捕集技术是否实用，再生技术是关键。在国外柴油机排放微粒捕集技 术中，催化再生技术是公认最成功的一种，无论再生的效率、再生温度要求及 再生的实用性都很好，我国香港公交车也采用，德国、韩国等国则采用燃油添 加剂催化连续再生技术。但以上技术并不适合中国国情，催化再生技术要求柴 油硫含量低于5 0 p p m ，超过限制将引起催化剂的硫中毒使催化再生不能实现， 而我国的柴油硫含量大约在2 0 0 0 p p m 左右，我国柴油要达到硫含量低于5 0 p p m 水平还需很长时间。因此，适合中国国情的柴油机微粒捕集技术及再生技术是 非常迫切的。 1 2 国内外净化技术对比报告 目前。国内在微粒捕集及再生技术方面还没有成熟的技术出现。一些研究 机构正在研制中，国内外所采用的其它微粒捕集技术与本项目所采用的技术比 较如下： 1 、负荷再生 柴油机的排气温度是随其工况变化的。在高速大负荷时，排气温度可以达 到5 0 0 c 以上，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒( 通常在5 5 0 以上温度 才能燃烧) 可自行燃烧，从而达到过滤体再生的目的。这种方法不用附加任何 辅助系统，因此比较简单。然而柴油机排气温度只有在接近最高转速、最大负 荷的工况时，在靠近气缸盖上排气口的位置，才能达到使过滤体内沉积的碳粒 自燃的温度。而汽车柴油机喟渎际使用中很少静这样的工况下工作，尤其是市 内运行的汽车，基本是低速运行，柴油机的平均排气温度更低。因此大负荷再 生技术对某些应用场合，尤其是车用是不合适的。 2 、催化再生 催化再生技术主要有两种：一种是将催化剂提前浸渍再过滤体上，以降低 过滤体上微粒的活化能，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此 很难进行完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进 行，催化剂的作用会逐渐减弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体 的有效再生和对其他有害气体的催化净化效果：另一种再生技术是采用燃油添 加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作 用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度下，不需外部能源，过滤体 柴油机红外再生微粒摘集器控制系统研究与开发 能自行再生。但是，燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时， 有一部分会沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体空 隙，缩短过滤器使用寿命。排入大气中的金属飘尘又会引起二次污染。催化剂 的抗中毒性、热稳定性以及二次污染等问题目前还没有真正得到很好地解决。 由于我国柴油中的硫含量在2 0 0 0 p p m 以上，远高于金属催化剂所要求的硫含 量( 低于5 0 p p m ) 标准，因此催化技术在我国的应用还需要一段时间。 3 、 喷油或喷燃气助燃再生 喷油或喷燃气助燃再生系统很复杂，造价昂贵，而且容易出故障。为保证 过滤体的成功再生，要求再生燃烧器具有点火可靠、燃烧完全、火焰分布均匀 等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染，并且 容易引起爆燃。燃烧不完全会使再生时排气冒烟，也会导致二次污染。另外， 在公交车上应用，燃烧系统的安全性有待进一步研究。 4 、电加热再生 电加热再生是利用具有高导电性能的结晶s i c 作为过滤材料，当需要再生 时，将过滤体作为电加热组件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟微粒升温 燃烧，实现过滤体自身的再生。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好， 并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行可靠的再生。电加热再生对车用电 源的要求很高，在车用过程中需要解决耗电量高的问题，结晶s i c 的制造工艺 复杂成本高。 5 、反吹再生 该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在 过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在 过滤器内累积的问题。经过本文的试验研究发现，反吹再生效率比较低特别当 柴油机窜机油排放中存在胶质或在过滤体温度湿度大的情况下，陶瓷利用率 小，如果压缩空气压力高，会引起陶瓷机械损坏。 6 、 微波加热再生 这种体积加热方式可以沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火、燃烧， 过滤体内的温度梯度小，因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能，无疑这些 对过滤体的安全有效再生十分有利的。正因为体积加热的特点使陶瓷内沉积的 碳烟同时燃烧，放热速率加快，再生过程难以控制。另外，存在微波泄漏的安 全问题。 电加热喷油助燃和微波加热对于壁流式蜂窝陶瓷意味着熟传导、对流传热 和热辐射，从加热点燃原理上来看加热再生可以归类为传导加热、对流加热和 辐射加热以及两种和多种的组合。其中辐射加热方式更具有地能耗和高加热效 率的优点，在微波加热中微波功率通常为6 5 0 8 5 0 w ，且再生效果十分明显。 其相对于电加热再生，无论是加热气体的对流加热方式或者直接点燃微粒的再 生方式，优点都十分明显。因此要寻找一种兼具有辐射加热特点又能克服微波 再生系统复杂不足的再生方式。 7 、 红外加热再生( 本文所采用的技术) 红外辐射自1 8 0 0 年发现至今已有2 0 0 年，第二次世界大战使红外探测得 2 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 到广泛应用。这之后人们开始利用红外辐射加热技术加热干燥各种产品，对红 外辐射加热技术的研究也逐渐深入。现在红外辐射加热技术已经被广泛应用于 工业农业和医学等各个方面礁 外辐射加热方式与其它加热方式热风导热和微 波辐射加热等相比较，能缩短受热体加热到所需温度的时间；减少能量消耗； 可以较为方便的控制辐射通量的空间分布，优化加热效果；能直接加热受热体； 加热装置简单可靠，使用寿命长。 红外辐射加热的这些优点跟其加热机理有密切的关系，从红外辐射加热的 机理上来讲，当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时，后者就吸 收了大量红外能从而改变和加剧其分子的运动，达到发热升温加热的作用。由 光谱学的分析可知物质的分子在吸收光子后可使光子的能量完全转变成为分 子的振动和转动能量，而当物质分子吸收了红外辐射能后，也可使分子的振动 和转动能量发生改变，吸收的能量使得分子运动加剧，导致晶格键团的振动和 相互问的碰撞也加剧。这种运动状况的变化犹如两个快速运转的物体加快了摩 擦，物质发热升温。 红外再生方式的优点：( 1 ) 红外辐射加热碳烟的电能利用率高，再生时间 短；( 2 ) 由于红外辐射加热沿过滤体径向分部均匀，使过滤体沿径向的温度梯 度小，降低过滤体的热应力，同时再生效率高；( 3 ) 再生过程容易优化控制， 达到再生效率、再生温度分布、再生时间、再生能耗几项指标同时优化；( 4 ) 再生装置结构简单、可靠，成本低。 目前该项技术正在申办国家发明专利。 j 。 1 3 课题提出的背景和意义 本项目主要以壁流式陶瓷过滤柴油机碳烟，采用红外技术再生，通过对再 生温度的反馈，调整积碳量及再生废气流量，优化再生过程。其创新点在于红 外技术、壁流式陶瓷及电子动态反馈控制的结合，使红外再生柴油机微粒捕集 器过滤效率高、再生效率高、再生过程可控、产品使用寿命长而且成本低，不 仅在性能上达到国际先进水平而且能够适应中国的燃油品质( 中国的优质柴油 含硫量为2 0 0 0 p p m 左右) ，为柴油机微粒捕集器在我国的实际应用解决了关键 性技术难题。 红外再生柴油机微粒捕集器适宜城市公交车、旅游大客车及高速公路重载 车辆，其微粒排放净化率大于9 5 ，达到并超过欧3 微粒排放标准，再生效 率高于9 5 ，噪声比原消声器降低2 分贝，使用寿命大于1 0 万公里。 该项目来源于大连理工大学内燃机研究所“八五”重点科技攻关项目“柴 油机颗粒排放控制技术”，通过多年对各种微粒捕集器技术( 如泡沫陶瓷与微 波再生技术、金属丝网与电晕放电、旋风分离技术等) 的研究与筛选，开发出 具有自主知识产权的红外再生柴油机微粒捕集系统，解决了国外催化再生微粒 捕集系统不适合我国高硫燃油问题、克服泡沫陶瓷与微波再生技术及其它技术 过滤效率低、再生过程不可控、成本高的缺点。2 0 0 1 年由大连高新科技园资 金资助和韩国仁荷大学资金资助形成新的柴油机微粒捕集器系统，其过滤效 率、再生效率、使用寿命、再生过程、高含硫量燃油适应性及成本均达到或超 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 过国内外先进水平。 本项目对环境保护、推动中国汽车制造业的发展、提升与盘活现有陶瓷制 造业及提高中国环保技术产业在国际上的竞争力均起到重要作用。 1 4 课题基本原理及关键技术内容 ( 1 ) 项目基本原理 以壁流式陶瓷过滤柴油机碳烟，采用红外技术再生，通过对积碳量、红 外再生能量及再生废气流量的实时控制，优化再生过程，使陶瓷反复利用，碳 烟微粒变成c 0 2 气体排除，达到柴油车尾气排放净化的目的。 ( 2 ) 项目关键技术内容 a 壁流式陶瓷过滤体的国产化 b 红外再生技术 红外再生技术的关键在于红外能量的优化分布、能量输入动态控制及 高效率红外材料的研制。 c 动态再生过程控制 关键在于建立与车型相匹配的优化控制模型，主要对红外能量、积碳 量、废气流量等参数动态优化控制达到最佳再生过程即再生温度及温度梯度 低，再生效率高、再生时间短、再生能耗小。 ( 3 ) 项目整体设计示意图 进气导管 红外辐射嚣街瓷过滤体 图l l 整体设计示意图 f i g 1 一lf i g u r eo fi n t e g r a ld e s i g n ( 4 ) 本论文研究 本论文针对红外再生微粒捕集器的控制单元一电路控制系统进行研究与 开发，保证红外再生微粒捕集器实时、准确、智能化工作。本论文将重点介绍 该电路控制系统的硬件工作原理和功能以及软件的设计思想和编程原理。 4 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 2 控制系统的工作原理及控制过程 2 1 控制系统组成 柴油机红外再生微粒捕集系统由两只陶瓷过滤器和电路控制组成。陶瓷过 滤器a 和b 前设有在步进电机控制下的三通阀f ，过滤器内各设红外加热器 r a 、r b 。另设转速传感器一只n ，压力传感器一只p ，排气温度传感器一只t 及电流传感器一只i ，和报警指示灯。 2 2 柴油机红外再生微粒捕集系统工作原理 1 、柴油机红外再生微粒捕集器是两只过滤器同时工作，以降低排气压力； 2 、柴油机红外再生微粒捕集系统再生时以一只过滤再生，另一只继续过 滤。其间转换靠阀f 来控制，控制阀不停泊在中间位而不停的靠在a 或靠在 b 位，以便于不停的测试背压，频率5 分钟一次； 3 、是否再生是以过滤器排气背压p i 达到设定值p 0 为准，用压力传感器 测定( n 稳定3 0 秒时测量) 。控制阀停泊在f a ，是测试过滤器b 排气背压； 控制阀停泊在f b ，是测试过滤器a 排气背压： p 0 为发动机某转速1 1 时的给定值，一般分怠速n 1 的p 0 1 ，常用转速n 2 的p 0 2 及额定转速n 3 的p 0 3 ：排气温度传感器t 为p 值作修正。 4 、电流传感器i 可测知r a 、r b 是否正常工作。 2 3 柴油机红外再生微粒捕集系统动作流程 1 、控制阀f 有6 个停泊位，分别为f a a 过滤器关闭、f a 0 1 一a 过滤器 开通1 0 、f a 大一a 过滤器开通较大位置；f b b 过滤器关闭、f b 0 1 一b 过 滤器开通1 0 、f b 大一b 过滤器开通较大位置； 2 、初始状态，上电之后5 分钟，控制阀在步进电机控制下停泊在f a ，发 动机转数传感器、排气温度传感器作为单片机输入信号都开始工作，读取过滤 器b 的背压值( 所读取值读取3 次后再取平均值) ：然后控制阀停泊在f b ，读 过滤器a 的背压值；比较a 、b 的背压值，如果a 的背压值较大，控制阀停 在f b 大，准备反复测试a 的背压值，反之控制阀停在f a 大，准备反复测试b 的背压值； 3 、根据台架试验数据及专家经验，把在不同发动机转数、不同排气温度 下确定的不同背压值存储到铁电存储器f m 2 4 c 0 4 中。根据不同单片机输入信 号条件( 发动机转数及排气温度) 来查询不同状态下的背压值p o 。为保证所 读数值的准确性，每组数读取3 次后再取平均值。而且传感器输入信号数值只 有在稳定状态区域才能有效查询背压值，否则重新读取、等待到稳定状态区域 再查询( 例如发动机转数稳定状态区域为1 0 0 0 r p m 2 2 0 0 r p m ，排气温度稳定状 态区域为2 0 0 ( 2 5 0 0 c ) ： 4 、当过滤器a 排气背压达到设定值p o 时( 为保证再生可靠，判断正确， 当排气背压值连续3 次均大于额定值时才开始再生，否则重新读数重新判断) 柴油机红外再生微粒捕集罂控制系统研究与开发 则过滤器a 前阀关闭。即控制阀停泊在f a ，a 过滤器内红外加热器通电( 继 电器a 接通) ，再生开始且计时开始；当时间等于t 1 时( 一般1 0 分钟) ，控制 阀停泊在f a 0 1 ，直到时间为t 2 时( 一般为4 分钟) 继电器a 断开，控制阀 停泊在f a 大，同时开始反复测量过滤器b 的背压值： 5 、同理当b 过滤器背压达到设定值p o 时，动作流程同前( 4 ) ，此时f a 换成f b 。 2 4 系统保护及报警 l 、记忆功能在断电时不应丧失( 再生顺序，时间设定，压力速度设定) ； 2 、p 0 1 、p 0 2 、p 0 3 应对照转速并分别记忆。若压力传感器损坏，可转入 计算里程流程工作并报警； 3 、i 检测红外加热情况，判断是否有电流，有工作指示并有故障报警； 4 、微机在开车后经常自检，有工作指示并有故障报警； 5 、微机启动后不能有数据溢出及死机现象； 6 、为保证微机正常稳定工作( 例如冬天防冻等) ，上电5 分钟后再进入工 作状态； 7 、为保证所读数值的准确性，每个参数值都需要读取数值3 遍，然后调 用中间值程序，求出中间值( 即去掉所读取的最大值和最小值) ，所得到的中 间值即为最后有效的测试值。 8 、判断过滤器是否再生时，由于再生条件要求比较严格，为了确保该状 态满足再生条件，当且仅当测试的背压值连续3 次大于背压额定值时，才满足 再生条件，进行再生。否则3 次中，只要有一次不满足再生条件就必须重新测 试，重新比较。 2 5 控制系统的功能要求及整体设计 2 5 1 控制系统的功能要求 综合考虑各方面要求，对控制系统最后实现方向定为以下目标： 1 、由于此系统是为实际车用而设计，所以必须满足工业设计中的各种要 求，外观形状必须适合车载环境、要求体积小、轻便。 2 、由于车载应用，工作环境比较恶劣。要求工作性能安全稳定，应具有 防尘、抗震、抗干扰性好等性能。 3 、控制系统必须有足够的程序存储空间，用于存储测试、控制程序；存 储器选择性能更安全可靠，非易失性的存储器。 4 、做到尽量减小硬件成本、方便实用、易于编程实现。 2 5 2 控制系统的整体设计 控制系统总体上由硬件和软件两部分组成的。硬件电路包括电源模块、外 界存储器以及控制单片机组成。硬件设计主要考虑到热电偶放大电路、v - f 转 换电路、光耦隔离等单片机外围电路设计。软件采用z i l o g 单片机汇编语言编 柴滴札红井再生微粒捕集罂控制系统研究与开发 写，通过z i l o g 开发系统进行开发。程序主要有主控制程序( 测试，判断与 再生) 、步进电机控制程序、输入信号计数程序、读写存储器程序、上电比较 程序、查询背压值地址程序、报警程序、中间值程序等构成。硬件电路原理在 第三章作以详细介绍，第四章主要讲述软件的编程原理及程序代码。 7 柴油机红外再生徽粒捕集器控制系统研究与开发 3 控制系统的硬件组成 3 1 总体电路 控制系统的硬件是整个系统的基础，主要包括电源部分、外界存储器以及 控制单片机。硬件设计主要考虑到热电偶放大电路、v - f 转换电路、光耦隔离 等单片机外围电路设计。单片机根据传感器输入信号的不同，实时控制程序的 运行、实现控制信息输出功能。所用到的主要元器件有；集成稳压电源l m 3 1 7 、 7 8 0 5 ，单片机z 8 6 e 3 3 ( 4 k r o m ) ，铁电随机存储器f m 2 4 c 0 4 ( 4 k ) ，v f 变换器 l m 3 3 1 ，集成与门、或门、非门，光耦隔离器4 n 2 9 ，热电偶放大器l m 3 5 8 等。 由于版面限制，整个电路原理图看附录。 3 2 系统电源部分 车上电源直接提供2 4 v 直流电源，但不是很稳定。控制系统工作还需要 5 v 、1 2 v 两种不同电源。5 v 电源提供给单片机工作，1 2 v 电源用于一些外围电 路。由于多输出d c d c 电源模块使系统设计与操作更加简单。这样，采用 d c d c 电源模块将2 4 v 车载电源转换成5 v 和1 2 v 直流稳压电源。车载电源地 与稳压后5 v 和1 2 v 电源的地不是同一个地。电源与地之间接0 i u f 的电容， 起到防干扰、去抖作用。 3 3 控制单片机z 8 6 e 3 3 3 3 1 概述 美国z i l o g 公司的z 8 a 位高性能单片机系列以其与众不同的新颖设计思 想、适应各种应用场合的标准产品、各种可以选择的封装形式、迅速而又不断 地推出一个又一个的新品种，迅速地被人们所认识并接受。z 8 系列产品早就广 泛被应用于世界各国的各种电子产品：工业控制，计算机的接口和外部设备， 尤其是家用消费类产品的智能化，产品的升级换代。近年来亦逐步被我国的工 程技术人员和科研人员所推荐、采用，并己越来越多地用于各种大批量投产的 产品，充分体现了z 8 系列产品较高的性能价格比。 a s s p s ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t s ) 特殊应用标准产品 是z i l o g 公司在z 8 系列单片机中的总体设计思想，z 8 系列单片机的最大特点就 是无累加器( 亦即多累加器的核存在于没一个z 8 单片机) ，也是z 8 系列单片机 区别于其他各种同类8 位单片机的最大的优点。多累加器实质上是一个寄存器 阵列，既可以作为r a m ，又可以作为累加器集成于同一芯片。这样大大方便了 应用软件的编写，又可减少应用软件的长度，提高内存的利用率。其另一个特 点是功能模块设计，针对不同的应用设计的功能模块，也为用户的应用提供了 更多的选择和方便。 z 8 系列单片机有4 3 条基本指令，4 7 种指令形式，6 种寻址方式，尤其有一 种寄存器间接寻址方式，更可缩短指令的寻址译码、执行过程，因此可做位操 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 作，4 位、8 位、1 6 位等操作，亦可b c d 码操作，组成了一组最有效的机器码， 其指令有单字节、双字节、三字节。 3 3 2z 8 6 e 3 3 控制系统中控制单片机采用z 8 6 e 3 3 ，它是z i l o g 公司8 位一次性可编程单片 为控制器系列中的一种。封装为2 8 脚双列直插型式，内部有4 k b 的一次性可编 程e 2 p r o m 和2 3 7 字节通用r a m 。z 8 6 e 3 3 结构是基于z i l o g8 位微控制器，带有一 个扩充寄存器阵列以允许访问随机存取寄存器映射的外设与z o 线路。带有增 强唤醒功能电路、可编程看门狗计时器、低噪e m i 选项和方便的软硬件扩展能 力等特性。四个基址空间支持更大范围的存贮器配置，设计者可以访问三个附 加的寄存器以能够方便地访问周围的映像寄存器和 o 电路。对需要强大的i o 能力的设备，z 8 6 e 3 3 有2 4 个引脚用来输入输出。这些引脚被分为3 个端口，每 个口8 线，在软件的设置下可以用来提供计时信号、状态信号、握手或不握手 并行i o 或作为与外部存储器接口的数据地址线。 z 8 6 e 3 3 是z i l o g 公司的z 8 6 系列单片机。z 8 系列单片机功能完善，性能 优越。运用成熟的c m o s n m o s 技术，新的z 8 系列单片机具有执行速度更 快，程序代码更简洁，存储器使用效率更高，中断、输入输出及位操作功能 更完善，系统扩展更为方便等优点。 z 8 6 e 3 3 单片机功能更加完善，i o 资源丰富，可以进行很多功能的扩展， 适合在民用产品、工业自动化、通信等各方面应用。在本调试系统中，因为显 示、键盘及数据存储、实时驱动等功能的需要，i o 资源消耗需求量大，灵活 可靠的控制、完善的调试功能、友好的人机对话需要复杂的程序来完成，这就 需要电片机内部有足够的程序存储空间和数据存储空间。选用z 8 6 e 3 3 单片机能 很好地满足系统要求，并能够兼容仪表的控制单片机。 单片机特性： 工作电压：4 5 v 一5 5 v 8 位c m o s 微控制器 封装形式：2 8 脚双列直插 软件激活看门狗计数定时器 p o 口、p 2 口可编程选择上拉 开环z o 方式 2 4 条i o 亡 线 w d t 时钟自由复位 上电自动复位 可编程的o t p 选项 r c 振荡器 系统时钟速度可达1 2 瑚z e p r o m 保护 自动锬存 永久激活w t d 嗍护 低功耗6 0 m w 快速指令指针0 7 5 m s 两种等待模式：s t o p 和 i a l t 数字输入c o m s 标准，施密特触发器 软件可编程低e m i 模式 两个比较器 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 六个带优先级的矢量中断，来自6 个不同源 两个8 位可编程计数定时器，每个带有6 位可编程预置器 片内振荡器可采用一个石英晶振、陶瓷谐振器、l c 或外部时钟驱动 封装外形及管脚功能表 表3 1管脚功能表 t a b l e 3 1f u n c t i o nl i s to fp i n s 图3 1z 8 6 e 3 3 管脚图 f i g 3 - 1f i g u r eo fz 8 6 e 3 3p i n s 标准模式管脚功能定义： x t a l i ：晶体1 ( 基于时间输入) ，该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷振荡器、l c 、 r c 网络或者外接时钟。 x t a l 2 ：晶体2 ( 基于时间输出) ，该脚可联结并联晶体振荡器、陶瓷振荡器、l c 、 r c 网络或者外接时钟。 p o r t o ( p 0 7 一p 0 0 ) ：端口0 为8 位双向c m o s 兼容i o 端口。可以独立的编程设定 p 0 0 - p 0 3 ，p 0 4 - p 0 7 为输入输出口。输入缓存为史密特触发，输出可编程 设定为上拉开源方式。可通过软件编程实现输出低e m i 。端口0 也可用 于握手i o 端口。握手方式下，端口3 的p 3 2 、p 3 5 脚作为握手控制脚。 握手方向由端口0 的高位设定。低位必须和高位的方向一直。 p o r t 2 ( p 2 7 - p 2 0 ) ：端口2 为8 位双向c m o s 兼容i o 端口。各脚可以独立的编程 设定为输入输出口。所有输入缓存均为史密特触发。位便成为输出方式 时可编程设定为上拉开源方式。可通过软件编程实现输出低e m i 。端口2 也可用于握手i o 端口。握手方式下，端口3 的p 3 1 、p 3 6 脚作为握手控 制脚。握手方向由端口2 的第7 位设定。 p o t t 3 ( p 3 7 一p 3 0 ) ：端口3 为8 位双向c m o s 兼容i o 端口。p 3 3 - p 3 0 脚固定为输入， 喇瞄勉跗嫩附懈眦附眦咖曼阿瞄 瞄嘣陌附瞒咻晰螂舭m刚胀阱阱 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 p 3 7 - p 3 4 固定为输出口，可通过软件设定为中断和握手方式。p 3 0 为史密 特触发，p 3 1 、p 3 2 和p 3 3 为标准c m o s 输入，p 3 4 、p 3 5 、p 3 6 、p 3 7 为上拉 开源方式输出脚。可通过软件编程实现输出低e m i 。两个扳内比较器可 处理模拟信号，由p 3 3 输入比较电压，p 3 1 和p 3 2 输入模拟信号。模拟功 能由端口3 的模式寄存器( p 3 m ) 的d l 位设定。相应中断时，p 3 0 和p 3 3 在中断脉冲下降沿触发。而p 3 1 、p 3 2 可编程设定在上升沿、下降沿或者 两个沿都触发。p 3 l ( t i n ) 和p 3 6 ( t o u t ) 还处理定时计数响应。 v c c ：电源。+ 5 v 输入。 v s s ：地。 在本控制系统的硬件电路中，因实现功能各不相同，故各管脚所起的功能也 不同，控制单片机管脚功能列于下表。 管脚功能 输出，驱动四相步进电机 p 0 4 输入，燃烧输入信号 没连接 输出，燃烧输出信号 输出，串口报警数据 输出，串口报警时钟 继电器a ，b 存储器f m 2 4 c 0 4 写保护w p 存储器f m 2 4 c 0 4 时钟s c l 存储器f i v l 2 4 c 0 4 数据s d a p 3 0 输入，排气温度信号 p 3 1 输入，压力信号 输入，里程信号 输入，转速信号 表3 2 控制单片机管脚功能表 t a b l e 3 2f u n c t i o n sl i s to fc o n t r o l l i n gs i n g l ec h i pp r o c e s s o rp i n s 7op 3 4 o 一 2 呻 一 呻 o 4 5 o l 2 3 5 6 7 o l 2 3 o 0 0 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 p p p p p p p p p p p p p p 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 转速 里程 压力 排气温度 f m 2 4 c 0 4w p 存储器s c l s d a p 3 3p 2 4 p 3 2p 2 3 p 3 1p 2 2 p 3 0p 2 1 苣p 2 0 片p 0 4 机p 0 3 p 2 5p 0 2 p 2 6p 0 1 p 2 7p 0 0 图3 2z 8 6 e 3 3 管脚用途 f i g 3 - 2f i f f u r eo fz 8 6 e 3 3p i n sa p p l i c a t i o n 3 4 非易失性铁电存储器f m 2 4 0 0 4 3 4 1 概述 考虑到对存储器整体性能要求较高、稳定的特点选用4 k 位的非易失性铁电随 机存储器f m 2 4 c 0 4 。其特性为：组织结构为5 1 2 8 位，读写寿命为1 0 0 亿次，掉电 数据保存1 0 年，写数据无延时，比e e p r o m 写的速度快的多；快速两线串行协议， 总线速度可以达到4 0 0 1 r j - i z ，硬件上可以直接替换e e p r o m ；低功耗操作，工作电 压为5 v ，工作电流为1 5 0 u a ，待机电流1 0 u a ；工业标准，工业温度4 0 c t o + 8 0 c ， 8 脚一d i p 和s o i c 封装。 f m 2 4 c 0 4 是用先进的铁电技术制遣的4 k 位的非易失性的记忆体铁电随机存储 器。f r a m 是一种具有非易失性并且可以象r m 一样快速读写数据，在掉电可以 保存1 0 年，且比e 王删r j e l m 或其他非易失性存储器可靠性更高、系统更简单。不象 e e p r o m ，f m 2 4 c 0 4 以总线速度进行写操作无延时，数据送至1 f m 2 4 c 0 4 直接写到 具体的单元地址下一个操作可以立即执行。f m 2 4 c 0 4 可以承受超过1 0 0 亿次的读写 或者是比e e p r o m 高一万倍的写操作。 丑k i 2 4 c 0 4 的写能力使得它在需要对非易失性记忆体快速读写的状况下非常理 想。举例说数据采集系统中对写入数据的频率要求高，即速度要求非常快，使用 e e p r o m 可能丢失数据。这种优势合并使得系统可以更可靠的实时采集数据， f m 2 4 c 0 4 为使用串行e e p r o m 的用户提供了便利，它在硬件上可以直接替换 e e p r o m 。 引脚配置 紫油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 n c a 1 a 2 、，s s v d d w p s c l s d a 图3 3f m 2 4 c 0 4 管脚 f i g 3 - 3f i g u r eo ff m 2 4 c 0 4p i n s 其中： a 1 - a 2 输入，地址1 2 ：f m 2 4 c 0 4 物理地址，在两线协议中从地址的装置值应 与这两脚的信号一样； s d a i o ，串行数据地址：在两线协议中这是一个双向数据线用来送串行数据 和地址它为开漏输出在两线总线上可和其它装置线或需要加上拉电阻； s c l 输入，串行时钟：两线接口串行时钟输入数据在s c l 的下降沿输出数据 在s c l 的上升沿输入需要加上拉电阻i w p 输入，写保护：当w p 为高电平时，写保护地址从1 0 0 h 到1 m if m 2 4 c 0 4 将不会应答写入被保护的地址的数据w p 拉低这些特性不起作用w p 脚位不应悬 空： v d d 电源，电源电压：5 v 。 3 4 2 数据传送与读写操作 f m 2 4 c 0 4 记忆体架构：f m 2 4 c 0 4 内部地址可分为5 1 2 个字单元，每个字单元为 8 位，数据被串行移动。它使用两线协议，包括一个从地址区别其他存储器或器件。 一个页地址和一个字地址，每2 5 6 个地址被指定为一个8 位的字地址，每2 5 6 个地址 为一页。f m 2 4 c 0 4 为两页页地址，选择页为一页，完全地址为9 位，每个字节地址 都是唯一的。 f m 2 4 c 0 4 大多数的功能是由两线协议或根据板上电路来操作，记忆体以两线 总线速度来执行读写操作。f m 2 4 c 0 4 不像e e p r o m ，它不必等写周期出现就可以 把自身置在一个等待状态，一个新的数据交换周期来到时另外一个操作已经完成。 与e e p r o m 相比较f m 2 4 c 0 4 的快速性与高擦写次数e e p r o m 是无法比拟 的。举个例说，在一个高噪声环境t e e p r o m 受干扰的可能性大，因为f m 2 4 c 0 4 完成得快，而e e p r o m 写数据需要几个毫秒。需要指出的是f m 2 4 c 0 4 没有类似内 部电源管理电路上电复位，因此用户应保证电源电压v d d 在数据表规定的范围 内，防止误操作。 柴油机红外再生微粒捕集器控制系统研究与开发 1 田u 图3 4 典型系统配置 f i g 3 - 4f i g u r eo ft y p i c a ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n f m 2 4 c 0 4 的通讯方式是双向两线协议，脚位少、占用线路板空间小。图2 描述 - f f m 2 4 c 0 4 在微处理器系统中的典型配置。为了便利，往总线上送数据的部件叫 发送者；接受数据的叫接受者：控制总线的叫主机，主机为所有操作产生时钟： 在总线上被控制的叫从机；f m 2 4 c 0 4 永远都是从机。两线协议即是总线上的所有 的操作都是由s d j 和s c l 两个脚位的状态来确定的，有四个状态：开始、停止、数 据以及应答。图3 5 描述了四个状态的时序图。 娃f _ 、o 弋? 弋弋尊 i ： ： ： ： 姒! nj 仁二3 c 三墨曲i 叠s b 嘶 d 同 。蠡w 醯。曲；b 酿1 菡砜： ( h 耐日日( h a 9 唧m m 椭0 ( r n , m i t t , 0 f r m , t t b , 0( r h 0 图3 - - 5 数据传输协议 f i g 3 - 5f ig u r eo fd a t at r a n s f e rp r o t o c o l 停止 当主机把s d a 从低电平拉高，同时s c l 信号为高时为停止条件。所有的操作在 此条件下退出，为了宣布停止主机必须控带r j s d a 。 开始 当主祝把s d a 从高电平拉低，s c l 信号为高电平为开始条件，所有的读写操作 均由开始条件开始，任何时候的操作都可由开始条件退出。开始一个新操作， 在操作过程中，电压降低到规定电压的最低值以下，系统会发出一个开始条件。 1 4 柴油机红外苒生微粒捕集器控制系统研究与开发 数据地址传送 所有数据传送，包括地址，都应在s c l 为高电平时，除了以上两种情况，s d a 在s c l 为高时不能改变。 应答 应答出现在第8 位数据位被传输之后，在传输期间s d a - - 线被允许由接受者 驱动，接受者驱动s d a 为低电平，以确认收到一个字节数据。如果接受者没有 把s d a 拉低，即无应答，操作退出。 接受者可能因为两个原因不做应答：l 如果一个字节传送失败，无应答，结 束当前操作可以对这个部件再次寻址，发生错误的上一个字节会被允许覆盖掉。2 接受者有意结束操作不做应答，举例说，在读操作中n 铊4 c 0 4 接受者应答后，就 把数据送到总线上，读操作完成，不需要进行其他，操作接受者不做应答，如果 接受者做出应答将导致f m 2 4 c 0 4 在当主机送新的操作命令时例如停止命令，试图 在下一个时钟周期驱动总线。 s i 口代氏v c e p 日q c j ds e l e c ts c i c c t 厂_ l 、，、i 图3 - - 6 页地址 f i g 3 - 6f i g u r eo fs l a v ea d d r e s s 物理地址 f m 2 4 c 0 4 在开始条