（载运工具运用工程专业论文）电控发动机故障诊断模拟系统的研制.pdf

摘要 丰田威驰5 a e 2 5 p 电控发动机故障诊断模拟系统( 以下简称本系统) 是根据四川 交通职业技术学院院级科研课题丰田威驰发动机电控系统故障诊断模拟系统研制( 编 号：2 0 0 6 0 8 0 2 1 1 ) 计划，参考丰田t t e p 项目相关汽车维修资料，利用实训室的废旧钢 材制作台架和喷漆上色，到汽配城选购副厂电器元件和线束进行安装。并辅以a t 8 9 s 5 1 单片机控制故障诊断模拟系统实现故障再现功能。 本系统重点进行了总体布局规划、展示面板制作和故障再现设计。以a t 8 9 s 5 l 单 片机控制系统为核心，通过键盘输入故障编码来实现反复模拟发动机在不同工况下各传 感器、执行器、电控单元以及线路的各种故障，特别是对信号丢失和传感器输出参数偏 离等故障进行了模拟。本系统采用原车实物制作，线路走向和零部件展示清楚，设置了 数字电压表、真空表和油压表，可以直观的显示各种故障对发动机产生的影响。另外在 展示面板上制作有发动机电控系统电路原理图，且在图中各元件相应的插接器位置设有 测试孔，教师可通过键盘设置故障，学生在故障诊断模拟系统设置的电路图展示面板测 试孔上测量各元件的性能参数，判断其性能，避免频繁拔插原车线路造成设备寿命缩短， 使有限资源得到深度开发应用。 创新点：a t 8 9 s 5l 单片机与5 a - e 2 5 p 电控发动机电控系统的软硬件结合，实现单 片机与丰田威驰轿车发动机电控系统数据通讯连接。可切断发动机自带传感器的输入， 根据所设故障模拟故障信号输入控制发动机工作。此技术水平目前处于国内同类产品前 列。 关键词：电控发动机，故障诊断，模拟系统，丰田威驰，5 a e 2 5 p a b s t r a c t t h e5 a e 2 5 pe l e c 仃o l l i cc o m r o le n g i n es h o n c o m i n gs i m u l a t i n gs y s t e mo ft o y o t av i o s i sb a l s e do nt l l ei t e mo fs v t c c q m er e s e a r c ho fe l e c 仃i d n i cc o n t r o le n g i n es h o r t c o m i n g a s s i m i l a t i n gs y s t e mo ft - 0 y o t av i o s ( n 啪b e r ：2 0 0 6 0 8 0 2 - 1 1 ) w | er e f e r c n c e1 、0 y o t af t e p i t e m sm a t e r i a l ，u s et l l ew a s t e ds t e e lo fl a bt op r o d u c es c a n b l d i n g s ，p a i mt l l e mo u r s e l v e s ，a 1 1 d b u ye l e c t r o n i cu n i t sa i l dw i r i n g si nv e h i c l ef i t t i n gm a r k e t s w bi n c o 印o r a t ea t 8 9 s 5 ls i n g l e c h i ps h o r t c o m i n gs i m u l a t i n gs y s t e mt op e r f l o n nr e a p p e a r i n g 觚c t i o no f m a l f h n c t i o 淞 t h i sa 硝c l ek e y so nt l l ec o m p r e h e l l s i v ep l a n ，m 越n go ft 1 1 ep o s t e rb o a r d 粕dt 1 1 e r e d e s i g n i n go ftm a l 觚c t i o n s a t 8 9 s 5 ls i n 出ec h i ps h o n c o m i n gs i m u l a t i n gs y s t e mi st l l eb a s e o ft h i sr e s e a r c h i tc a l la c m e v et l l er e s u l to fs i m u l a t i n gm em a l 龟n c t i o n so fm es e n s o r s ， a c t u a t o r e l e c 昀m cc o n t r o lu 1 1 i ta n dw i r i n g sd u d n gd i 丘e r e n te n g i n e w o r kc o n d i t i o n st l 】u g l l 也ei n p u to fk e y b o a r d ，e s p e c i a l l y 也es i m u l a t i n go fs i g i l a ll o s i n ga n do u t p u td e p a r t u r e 1 l l i s s y s t e mi sb 2 l s e do n at n 】ec a lt h ew i r i n ga n d 吼i t sa r ec l e a r i ti n c o f p o r a t e sd i g i t a lv o l t m e t e r s ， l c u 啪g a u g e sa r l do i l 如e lp r e s s u i 他g a u g e st ol a yo u tt 1 1 ea 矗b c t i n go fm a l n m c t i o n st ot h e e n g i n e w ba d o p tp r i n c i p l ep i c t u r e so fe l e c t r o n i cc o n t t ls y s t e ma 1 1 ds e th o l e si i le v e 巧u n i t s t h et e a c h e rc a ns e tf a u l t sb ym e s el l o l e sa n dt 1 1 es _ t u d e n t sc 柚c h e c kt l l ev o l t a g ev a l u e so f l e s eu n i t st t l r o u 曲m eh o l e sa n dd e t e m i n et i l ep e r f o n n 觚c e so ft t l e s eu n i t sa v o i d i n g 1 j r e q u e n t l yi n s e r t i n gt 0d 锄a g em e s e 眦i t s c r e a t i o n ：t l l i ss y s t e mc o m b 洫e st h ea t 8 9 s 51 s i n g l ec i l i pw i t hm e 5 a e 2 5 pe f i e n g i n ec o n t 】的ls y s t e mi m oau 1 1 i tt 0r e l e a s et h ed e l i v e 拶o fd a t e sb e t 、e e nm es i n 西ec l l i pa 1 1 d e n g i i l e nc 觚c u to 行t h ei n p u to fe n g i l l es e n s o r s ，c o n t r o le n 西n ew o r k j n gc o n d i t i o n sh a s e d u p o nm es i m u l a t i n gm a l 如i l c t i o n s t h i sr e s e a r c hi sv e d ra d v a n c e d k e yw o r d s ：e l e c t r o i l i cc o n t r o le n g i n e ，s h o r t c o m i n g ，s i m u l a t i n gs y s t 锄，t o y o t a v i o s 5 a e 2 5 p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弓一一矿，翮年罗月 。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 力略年7 月幻日 渺年1 孙旧 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 随着我国国民经济的高速增长，人民生活水平的不断提高，汽车特别是小轿车已广 泛进入家庭，其前景不可估量。汽车电气控制技术发展日新月异，大大提高了汽车的动 力性、经济性、舒适性和安全性。但同时也给汽车故障诊断带来了复杂性，对汽车维修 人员的素质提出了更高的要求，仅仅依靠传统的一般维修经验已不能胜任汽车维修工 作。本课题对汽车上最重要的发动机电控技术总成部分进行研究，以具有一定普遍性和 代表性的丰田威驰5 a e 2 5 p 电控发动机为载体，开发研制可对每一个典型故障进行测试 及对比分析的电控发动机故障诊断模拟系统。以期为汽车维修技术人员和职业院校汽车 维修专业学生在电控发动机结构、原理和故障诊断的程序、方法等方面提供有效培训。 丰田威驰5 a e 2 5 p 电控发动机故障诊断模拟系统( 以下简称本系统) 是根据四川交 通职业技术学院院级科研课题丰田威驰发动机电控系统故障诊断模拟系统研制( 编 号：2 0 0 6 0 8 0 2 1 1 ) 计划，参考丰田t t e p 相关汽车维修资料，利用实训室的废旧钢材制 作台架和喷漆上色，到汽配城选购副厂电器元件和线束进行安装。并辅以a t 8 9 s 5 1 单片 机控制故障诊断模拟系统实现故障再现功能。 本系统重点进行了总体布局规划、展示面板制作和故障再现设计。以a t 8 9 s 5 l 单片 机控制系统为核心，通过键盘输入故障编码来实现反复模拟发动机在不同工况下各传感 器、执行器、电控单元以及线路的各种故障，特别是对信号丢失和传感器输出参数偏离 等故障进行了模拟。本系统采用原车实物制作，线路走向和零部件展示清楚，设置了数 字电压表、真空表和油压表，可以直观的显示各种故障对发动机产生的影响。另外在展 示面板上制作有发动机电控系统电路原理图，且在图中各元件相应的插接器位置设有测 试孔，教师可通过键盘设置故障，学生在故障诊断模拟系统设置的电路图展示面板测试 孔上测量各元件的性能参数，判断其性能，避免频繁拔插原车线路造成设备寿命缩短， 使有限资源得到深度开发应用。而且可切断发动机自带传感器的输入，根据所设故障模 拟故障信号输入控制发动机工作。此技术水平目前处于国内同类产品前列。 1 2 研究的主要内容 ( 1 ) 故障诊断模拟系统丰田威驰轿车5 a e 2 5 p 电控发动机故障设置设计、制作、安 装和调试。 ( 2 ) 丰田威驰轿车5 a e 2 5 p 发动机电控系统电路的清理及原理图的绘制。 第一章绪论 ( 3 ) 控制系统a t 8 9 s 5 l 单片机控制为核心的软、硬件设计。 ( 4 ) 单片机与丰田威驰轿车5 a e 2 5 p 电控发动机电控系统数据通讯连接，如何用电 脑模拟发动机故障并直观显示。 技术难点：电路原理图的绘制，故障诊断模拟系统的刻制，电脑与丰田威驰轿车发 动机电控系统数据通讯连接，a t 8 9 s 5 1 单片机与5 a e 2 5 p 电控发动机电控系统的软硬件 结合。 拟解决的措施：电路原理图绘制前，对照翻译的原车电路，利用检测仪表逐一检测 落实车上的元件、电路连接关系，然后根据教学需要绘成原理图。故障诊断模拟系统用 单片机、电路板将a t 8 9 s 5 1 单片机与丰田威驰轿车发动机电控系统实现数据通讯连接。 工艺关键：本系统面板的刻制及线路的连接接头的处理。单片机与丰田威驰轿车发 动机电控系统数据通讯连接。 长安大学硕士学位论文 第二章故障诊断模拟系统发动机电控部分结构介绍 故障诊断模拟系统所用发动机为威驰车5 a e 2 5 p 直列四缸双顶置凸轮轴1 6 气门发 动机。其电控燃油喷射系统由传感器、e c u 和执行装置三大部分组成。传感器可将发动 机各种状态的物理量转换成相应的电量送给e c u ，e c u 综合、处理这些电量后，送出控 制数据，执行装置将e c u 送出的控制数据转换成物理或机械动作，以改变发动机的工作 状态。其基本组成如图2 1 ，安装位置如图2 2 所示。 曲轴位置及转速 凸轮轴位置 歧管进气压力 节气门位置 冷却液温度 进气温度 氧传感器 爆震传感器 蓄电池信号 开关信号 传感器执行器 e c u 点火控制器 喷油器 燃油泵继电器 怠速控制阀 碳罐电磁阀 图2 15 a e 2 5 p 发动机电控燃油喷射系统组成示意图 2 1 传感器 本系统的传感器包括发动机转速及曲轴位置传感器( n 。信号) 、凸轮轴位置传感器 ( g 2 信号) 、歧管进气压力传感器( m a p ) 、节气门位置传感器( t p s ) 、冷却液温度传 感器( t h w ) ，进气温度传感器( 1 1 认) 、爆震传感器( k s ) 和加热型氧传感器。 发动机转速及曲轴位置传感器( n 。信号) 安装在发动机前端曲轴皮带盘后，为磁电 感应式，给发动机e c u 提供发动机转速信号和转角信号，以确定喷油和点火基准，发动 机每转动一周，产生3 4 个n 。信号。凸轮轴位置传感器( g 2 信号) 安装在分电器内，为 磁电感应式，转子转动一周只产生一个脉冲信号，向发动机e c u 提供一缸压缩上止点 信号，以精确控制点火时间。进气压力传感器( m a p ) 安装在发动机舱上，有真空管与 节气门后方相通，向e c u 提供进气歧管压力信号，间接测定每循环进入气缸的空气量。 节气门位置传感器( t p s ) 安装在节气门轴的一端，为线性电位器，其滑动触头随着节 气门一起转动，能够迅速产生节气门位置变化信号。冷却液温度传感器( t h w ) 安装在 冷却水循环出口处，它产生反映冷却液温度变化的电压信号。进气温度传感器( n 队) 安装在空气滤清器上。1 h w 和1 1 认都是负温度系数( n t c ) 的陶瓷温度传感器。爆震 第二章故障诊断模拟系统发动机电控部分结构介绍 传感器( k s ) 安装在发动机进气管一侧的2 缸和3 缸之间缸体上，产生发动机机体振动 的频率和幅值信号。加热型氧传感器安装在位于三效催化器前面的排气管上，它根据排 气中氧的浓度产生反映空燃比浓稀变化的电压信号。另外为保持发动机在各种使用工况 的稳定运转，e c u 还需处理各种开关信号，如空调开关信号、动力转向油压开关信号 等等。 节气门位置俦感嚣 图2 25 a e 2 5 p 发动机电控燃油喷射系统元件安装位置示意图 2 2 执行器 本系统的执行器包括点火控制器( 模块) 、喷油器、怠速控制阀、炭罐控制电磁阀、 氧传感器加热电路和油泵控制继电器。 本系统采用分电器式计算机控制点火，点火线圈装在分电器内。e c u 通过控制点火 器内大功率晶体管的导通时刻和导通持续时间来控制发动机的点火提前角和闭合角，如 图2 3 。 长虫大学颐学位论文 本系统的燃油供给为电控多点顺序燃油喷射，即通过在各缸进气门外直接进行高压 喷射的方式形成均匀的可燃混合气。系统燃油压力的建立是通过装在油箱内的油泵及燃 油压力调节器实现的，燃油系统油压怠速时为3 0 4 3 4 3 k p a 。燃油泵的起停通过继电器控 制，发动机转动情况下，e c u 控制燃油泵继电器接通燃油泵电路使其运转而提供喷油 所需要的压力。当负荷一定时，喷油量与喷射时间成正比，故e c u 只需根据发动机负荷 控制喷射时间就能够精确控制喷油量。喷油器为电压驱动高阻型、轴针式，具有可靠性 高、功耗低的特点。如图24 。 本系统的怠速转速调节采用占空比电磁阀控制。占空比电磁阀i s c 阀位于节气门体 下部的旁通气道上，当节气门关闭时，进气可经过i s c 阀走旁通气道而绕过节气门。这 样，e c u 通过指令控制i s c 阀的开度，从而调整绕过节气门的旁通进气量，实现控制 发动机怠速转速。 炭罐控制阀为一个电磁阀，安装于炭罐和节气门之间，通过它的丌启可以将储存于 炭罐中的油箱燃油蒸汽导入节气门后，随进气同进入气缸燃烧，从而减少油箱的h c 排放。由于这一部分的燃油和空气是额外增加的，故对空燃比控制会有影响。因此炭罐 控制阀的开启频率需要根据具体的发动机机型、工况和车型进行匹配标定。 氧传感器中封装了低压直流加热元件，e c u 通过大功率开关管对其进行控制。e c u 将在对氧传感器加热一定时间后自动关闭加热电路。设置氧传感器加热电路的目的是为 了在发动机冷起动时迅速将传感器加热到能够正常工作的温度。 # t * 8 0 圈t 35 - e 2 ”发动机点火信号控制原理示意图 第二章故障诊断模拟系统发动机电控部分结构介绍 图2 45 a e 2 5 p 发动机燃油系统原理示意图 2 3 电控单元( e c u ) e c u 是一种电子综合控制装置。它所具备的基本功能如下： ( 1 ) 接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供5 v 参考( 基准) 电压；将 输入的信息转变为微机所能接受的信号。 ( 2 ) 存储、计算、分析处理信息，计算出输出值所用的程序：存储该车型的特点 参数；存储运算中的数据( 随存随取) 、存储故障信息。 ( 3 ) 运算分析。根据信息参数求出执行命令数值；将输出的信息与标准值对比。 ( 4 ) 输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令；输出故障信息。 ( 5 ) 自我修正功能( 自适应功能) 。 e c u 可以分为硬件和软件两大部分。硬件部分如图2 5 所示。 2 3 1 输入回路 输入e c u 的传感器信号有两种：一种是模拟信号，如冷却液温度传感器的输出信 号；另一种是数字信号，如爆震传感器的信号。信号的类型不同，输入e c u 后的处理 方法也不一样。从传感器输出的信号输入e c u 后，首先通过输入回路，其中数字信号 直接输入微机，模拟信号则需进行加转换。输入回路的作用是将传感器输入的信号， 长安大学硕士学位论文 在除去杂波和把正弦波转变为矩形波后，再转换成输入电平。 2 3 2a d 转换器 加转换器的作用是将模拟信号转换成数字信号之后再输入微机。 2 3 3 微机 微机的功用是根据发动机工作的需要，把各种传感器送来的信号用内存的程序( 微 机处理的顺序) 和数据进行运算处理，并把处理结果如燃油喷射控制信号、点火控制信 号等送往输出回路。微机由中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出装置等组成。 2 3 4 输出回路 由微机输出的是电压很低的数字信号，用这种信号一般是不能直接驱动执行元件 的，输出回路的功用就是将微机输出的数字信号转换成可以驱动执行元件的输出信号。 输出回路多采用大功率三极管，由微机输出的信号控制其导通和截止，从而控制执行元 件的搭铁回路。 e c u 软件部分主要包括燃油和空燃比控制、点火控制、怠速控制、自学习控制和失 效安全控制等存储在r o m 和m m 里的控制策略。e c u 根据各传感器采集的信号判别 发动机的工况，计算出目标空燃比及实现目标空燃比所需的喷油脉宽，然后依此控制喷 油器，将定量的燃油喷入到进气道形成油气混合气。为了保证较好的排放性能，本系统 采用了空燃比闭环控制，通过闭环控制结合三效催化的方法来降低排放。 lc i ， r 。 i l i 2 i - - i i - i - t i ： 3 i 卜传感器2 一模拟信号3 一输入回路4 一a d 转换5 一输出回路 6 一执行元件7 一微机8 一数字信号9 一r o m 瓜a m 记忆装置 图2 5e c u 结构示意图 1il- - 6 一 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 本故障诊断模拟系统是在威驰5 a e 2 5 p 电控发动机的基础上，设计出一套故障模拟 系统，用以对该发动机电子控制系统故障进行实时设置和模拟，使用丰田专用诊断仪 i n t e l l i g e n tt e s t e r 读取故障前后的数值，用金德k 8 l 示波器测试各工况下喷油、点火以及 各种传感器的波形，通过对比分析故障前后传感器和执行器件的数据流和波形来分析电 控发动机产生故障的原因和部位。 3 1 系统设计要求 电控发动机的故障主要是由于传感器信号丢失( 短路或者断路) 、传感器老化( 即 信号偏移) 、执行器不工作以及e c u 系统损坏等等各种原因造成的。归纳起来，可以分 为四类：机械故障、传感器故障、执行器故障和e c u 自身故障。由于电子产品的可靠性 相当高，因此通常e c u 发生故障的概率比较小，但也不能完全排除它发生故障的可能 性。因而，一般情况下，电控发动机发生故障时主要是前三类故障。 为了模拟和重现电控发动机故障，故障诊断模拟系统对原机进行电路改造，主要是 开关电路设计，设计一系列功能转换开关和模拟故障设置开关进行故障设置实验。因此 对故障诊断模拟系统有如下几点要求： ( 1 ) 发动机性能不变。由于故障诊断模拟系统是在裸机的基础上进行改装制作， 特别是各传感器和执行器到e c u 的连接线需自行连接，首先需保证与原车线路相同的 电路阻值。其次，由于e c u 线路复杂，在设计时候要准确无误，尤其是接线头要求其 具有良好的绝缘性，以防止线路短路。最后，e c u 是非常精密的系统，任何种类的干扰 将会对其产生极为严重的影响，因此某些线路( 频率和振幅波动比较大) 必须进行必要 的屏蔽，防止互相干扰。 ( 2 ) 保证电控系统故障设置的可靠性和多样性。因为电控发动机某些故障很难重 现，因此要求该故障诊断模拟系统能不断重复发动机各种工况下的典型故障，特别是能 模拟原传感器和执行器线路通断故障；模拟传感器信号值为某一固定值故障；人工模拟 节气门位置、冷却液温度、进气压力传感器等常用传感器信号。 ( 3 ) 能为发动机发生故障时做定量分析提供相应的数据支持。本故障诊断模拟系 统不仅要求能观察发动机的各种故障的外在现象，对故障进行定性的分析，还要求能对 该故障进行定量的分析，得到该故障下发动机性能下降数据依据，为从理论上分析故障 原因和规律提供依据。 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 尽可能多的将发动机电控系统结构展示在故障诊断模拟系统上，有可供教学 时使用的电路原理图，并能在原理图上实现即时测量各元件数据；故障设置实现键盘输 入( 将故障编号，每一个编号对应一个故障) ；故障诊断模拟系统应便于移动。 3 2 硬件设计方案 3 2 1 总体布局设计方案 根据上述要求，设计出威驰发动机故障诊断模拟系统的总体布置如图3 1 。将发动机 装于一个可以移动的台架上，且使发动机可被观察到的部分越大越好，将展示面板斜立 于发动机的后部，并且将展示面板支架与发动机支架构成一体。展示面板上安装发动机 e c u 、诊断座、仪表板、保险和继电器、键盘、点火模块、进气压力传感器、模拟调节 旋钮、l e d 显示器和数字电压表、真空表和油压表、点火开关等。电路板上刻有电路原 理图，在元件的相应位置都装有检测接线柱，板的背面布置相应线束和控制电路硬件。 考虑到发动机的持续工作，台架上设计有散热器和风扇、油箱和蓄电池。 图3 1 故障诊断模拟系统总体布置图 3 2 2 系统面板设计方案 本系统面板本着简洁、美观、实用的原则，在面板上布置了带元件检测孔的电路板、 e c u 、汽车仪表、诊断座、保险和继电器、键盘和点火开关等，详见图3 2 。 第j 章电控发动机放障诊断模拟系统的设计方案 图3 2 故障诊断模拟系统面板实物图 将为了便于实验中对各种传感器、执行器及e c u 端口进行检测，我们在发动机e c u 的引脚和传感器以及执行器引脚处设置了测试孔，这些检测孔都直接与发动机e c u 、各 传感器和执行器相连接的，与实际车上相同部位的信号一致。详见图33 。这样，不仅 使实验时检测变得简单直观，而且加深了学生印象，从而提高了教学效果。由于本系统 除了设置各种丌关电路和检测孔，还包括了发动机的一些组件的动态显示电路因此导 线繁多，连接时极易弄错，从而导致系统出现故障，有时甚至会使e c u 损坏。所以， 奉系统的建立关键之处是导线的连接。在连接之前，必须非常熟悉该发动机的电控系统 工作原理，电控单元和传感器及执行器口j 电路图，弄清楚每一条线的功能和去向。为了 便于区分，我们将接地线一般用黑色导线连接，对e c u 而言为输出信号的用红色导线 连接，输入信号用绿色或蓝色等其它颜色导线连接，并在对应的导线附近做标记表明其 功能和名称。其故障设置系统的具体实物连线图如图34 所示。 堡童查兰堡主兰里堡三 图33 故障诊断模拟系统电路检测板实物图 图3 4 故障诊断模拟系统具体实物连线图 3 2 j 控制电路硬件设计方案 根据本故障诊断模拟系统的设计要求和工作条件进行系统分析后，决定选用 a t 8 9 s 5 l 单片机进行控制，控制电路原理框图见图35 。 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 同西翮 i l e d l l ：显示l b j 键盘扫描 译码控制 电路 l 能粤路i - l 6 m h z l - - _ j 4 q 单片机辫倒戮 蕊肿圈举雾 图3 5 故障诊断模拟系统控制系统电路原理框图 故障诊断模拟系统控制电路由键盘输入电路，单片机控制电路，继电器线路切换阵 列等三部分组成。 单片机选用删e l 公司的a t 8 9 s 5 1 芯片，该芯片具有体积小、功耗低、功能全面、 速度快、价格低等特点，目前在各类仪器设备中使用广泛。 a t 8 9 s 5 1 内部有4 k b 程序存储器r o m ，1 2 8 字节内部r a m ，4 个8 位并行i o 端 口，一个串行接口，两个1 6 位定时器计数器，5 个中断源，因此在电路设计中可以简 化外围接口电路的复杂程度；同时a t 8 9 s 5 1 具有可高达2 4 m h z 的时钟频率，完全能满 足发动机控制及传感器检测线路的切换控制任务，本设计电路实际时钟为6 m h z 已满足 控制速度要求。另外，s 系列芯片具有在线系统可编程( i s p ) 功能，在进行软件编译调 试过程中，硬件设备上仅需一根下载线通过计算机就可以完成，在现场调试设备时非常 方便。 本控制电路在设备工作过程中，可以随时通过键盘输入故障编码，通过单片机进行 按键识别，l e d 显示器显示故障码，单片机根据输入故障码输出控制参数给故障编码线 路选择控制电路，进行继电器开关切换，实现发动机控制电路的故障设置。 键盘输入电路由1 2 个按键组成，包括“0 9 十个数字键和“确认 ，“复位”键。 键盘扫描译码控制电路包括：一个7 4 l s l 5 4 四线十六线译码器，两个7 4 l s 2 4 0 八 反向线驱动器组成。通过a t 8 9 s 5 l 的p 1 口低四位输出扫描编码给7 4 l s l 5 4 译码器进行 译码( 7 4 l s l 5 4 由p 1 4 引脚控制，低电平工作，高电平关闭) ，一次仅给一个按键送高 电平信号，其余给低电平信号，7 4 l s 2 4 0 反向电流放大后送给各个按键。p l 口逐次循环 输出不同的扫描码就可以实现对1 2 个按键的扫描控制，在p 1 口输出扫描码的同时，通 过p 1 7 引脚读入按键状态，如果为高电平_ l ”表示有按键按下；如果为低电平“0 表示无键按下。单片机根据输出扫描码与p 1 7 对应关系即可判断出是哪一个键按下。 长安大学硕士学位论文 显示译码驱动电路包括：一个7 4 l s 2 4 7b c d 译码器和两个7 4 l s 5 7 3 八d 型锁存器 组成。单片机根据键盘输入的故障码，通过a t 8 9 s 5 l 的p l 口低四位输出数字码给 7 4 l s 2 4 7b c d 译码器进行译码，译码输出的l e d 显示码段数据分别送入两个7 4 l s 5 7 3 进行显示数据锁存，一个7 4 l s 5 7 3 由p 1 5 引脚控制，锁存个位数的故障码l e d 数据( p 1 5 低电平保持，高电平更新数据) ，另一个7 4 l s 5 7 3 由p 1 6 引脚控制，锁存十位数的故障 码l e d 数据( p 1 6 低电平保持，高电平更新数据) 。两个l e d 显示器均采用共阳极形 式的器件。 1 6 路故障码线路选择控制电路包括：一个7 4 l s l 5 4 四线十六线译码器，两个 7 4 l s 2 4 0 八反向线驱动器组成。a t 8 9 s 5 l 根据键盘输入的故障码，经过数据转换运算后， 由p 2 口低四位输出线路选择控制参数给7 4 l s l 5 4 译码器进行译码( 7 4 l s l 5 4 由p 3 o 引 脚控制，低电平工作，高电平关闭) ，一次仅选通一路控制信号，7 4 l s 2 4 0 反向电流放 大后送给继电器驱动电路。实际电路中有3 2 个线路切换控制，所以电路中还有一个同 样的电路控制另外1 6 路信号，p 2 口高四位输出线路选择控制参数给7 4 l s l 5 4 译码器进 行译码( 7 4 l s l 5 4 被p 3 1 引脚控制，低电平工作，高电平关闭) 。 继电器驱动电路：由两个u l n 2 8 0 3 达林顿高电压大电流驱动器组成。主要完成继 电器线圈控制电平的转换和驱动电流放大，u l n 2 8 0 3 的每一个达林顿驱动器电流最大 可以达到5 0 0 i i 迭，电压最大可以达到5 0 v 。本电路设计使用的继电器型号为h j r - 4 1 0 2 线圈工作电压为直流1 2 v ，电流2 0 m a 左右。 继电器开关阵列由2 5 个单刀双掷继电器和7 个双刀双掷继电器组成，完成整个控 制系统的线路切换功能，实现发动机的故障设置。 按照上述思想，运用p r o t e l 9 9 电子线路c a d 软件设计出故障设置及模拟电路图、 印刷电路板图，外协加工印刷电路板。制作完成的电路原理图、印刷电路板、焊装完毕 的硬件电路板详见图3 。6 ，图3 7 ，图3 8 。 * 一m # 动机m 障口模m 东m w 案 嗍36 主电路板实物幽 图37 键盘电路板实物罔( 正面) 图3 8 键盘电路板实物圈( 背面) 长安大学硕士学位论文 3 3 软件设计方案 3 3 1 故障设置及模拟控制方案 如图3 9 所示，发动机电控系统由传感器、电子控制单元( e c u ) 和执行器构成。 图3 9 发动机电控系统组成框图 在正常工作情况下，传感器将发动机的工况信息传递给e c u ，e c u 通过分析、计 算后发出指令控制执行器工作。本系统通过在原有电路的传感器与e c u 间，e c u 与执 行器间增加一套控制系统和故障模拟系统，从而实现故障设置，系统控制框图见图3 1 0 。 在传感器故障的设置、模拟实现上主要是通过继电器开关控制原车信号线路断开、通过 故障模拟电路断开原车信号控制电路的基础上输入一产生发动机故障的信号( 固定信号 和连续可调信号) ；在执行器故障设置上通过继电器开关切断发动机e c u 与执行器之间 的控制线路来实现故障。 图3 1 0 故障设置及模拟控制系统框图 3 3 2 系统故障实现方案 ( 1 ) 本系统发动机电控系统常见故障分析 由于本文讨论的主要是电控燃油喷射系统电子控制部分的故障设置和模拟问题，故 分析其电子控制部分常见故障见表3 1 所示。 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 表3 15 卜e 2 5 p 电控燃油喷射系统常见故障一览表 故障代码检测项目故障部位 1 ) 歧管绝对压力传感器电路开路或 歧管绝对压力大气压力短路 p o l 0 5 3 l 电路2 ) 歧管绝对压力传感器 )e c u i ) 进气温度传感器电路开路或短路 p 0 l l o 2 4 进气温度电路故障2 ) 进气温度传感器 3 ) e c u 1 ) 发动机冷却液温度传感器开路或 短路 p o l l 5 2 4 冷却液温度电路故障 2 ) 发动机冷却液温度传感器 3 ) e c u 1 ) 节气门位置传感器电路开路或短 节气门位置传感器电路故路 p 0 1 2 0 4 l 障 2 ) 节气门位置传感器 3 ) e c u 1 ) 氧传感器电路开路或短路 2 ) 氧传感器 3 ) 氧传感器加热器 氧传感器电路故障 4 ) e f i 继电器 p o l 3 0 2 1 ( 1 列传感器1 ) 5 ) 进气系统 6 ) 油压 7 ) 喷油器 8 ) e c u 1 ) 氧传感器电路开路或短路 2 ) 氧传感器 3 ) 氧传感器加热器 氧传感器电路响应缓慢4 ) e f i 继电器 p 0 1 3 l 2 1 ( 1 列传感器1 )5 ) 进气系统 6 ) 油压 7 ) 喷油器 8 ) e c u 1 6 - 长安大学硕士学位论文 表3 25 a e 2 5 p 电控燃油喷射系统常见故障一览表( 续) 1 ) 氧传感器电路开路或短路 氧传感器加热器电路2 ) 氧传感器加热器 p o l 3 5 ：2 l ( 1 列传感器1 ) 3 ) e f i 继电器 4 ) e c u 1 ) 爆震传感器电路开路或短路 p 0 3 2 5 ，5 2l 号爆震传感器电路故障2 ) 爆震传感器( 松动) 3 ) e c u p 0 3 3 5 1 21 ) 曲轴位置传感器电路开路或短路 曲轴位置传感器电路故障2 ) 曲轴位置传感器 p 0 3 3 5 ，13( n e 信号)3 ) 曲轴正时皮带轮 4 ) e c u 凸轮轴位置传感器电路故 1 ) 凸轮轴位置传感器电路开路或短路 p 0 3 4 0 1 2 障( g 信号)2 ) 凸轮轴位置传感器( 在分电器内) 1 ) 组合仪表 2 ) l 号车速传感器电路开路或短路 p 0 5 0 0 l2 车速传感器故障 3 ) 1 号车速传感器 4 ) e c u 1 ) l s c 阀电路开路或短路 p 0 5 0 5 3 3 怠速控制系统故障 2 ) i s c 阀 3 ) e c u 1 ) 点火系统 2 ) 点火线圈到e c m 的l g f 或i g t 电路 开路或短路 p 1 3 0 0 1 0点火器电路故障( 1 号) 3 ) 点火线圈( 在分电路中) 4 ) 点火器 5 ) e c u 曲轴位置传感器电路( 在发 p 1 3 3 5 1 3与诊断码p 0 3 3 5 1 2 。1 3 相同 动机运转时) ( 2 ) 电路分析 要进行故障诊断模拟系统设计，必须首先要对该平台的发动机的电控系统各部分的 控制原理有一定的了解，对各种线路走向以及e c u 、传感器和执行器外在引脚要非常熟 悉。前面第二章已经对本系统发动机的电控系统原理进行了简要的介绍，因此，这里将 对其具体的电路和控制引脚进行介绍。因本系统的主要目的是培养学生的故障诊断分析 技能，因此对原车电路进行了简化，简化后的电路原理图见图3 1 2 。威驰轿车5 a e 2 5 p 发动机e c u 引脚分布如图3 1 l 。各引脚符号及功能见表3 2 。传感器和执行器的引脚及 其功能见表3 3 。 4 ( ) 5 ( 8 ) e 6 ( c ) 图3 1 l 威驰轿车5 a _ e 2 5 p 发动机剃引脚分布情况 第三章电控发动机放障诊断模拟系统的设计方案 表3 3 威驰轿车5 a - e 2 5 p 发动机e c u 引脚、符号及功能。览表 端子号缩写含义 lb a t t e c u 常电源 5wc h e c ke n g i n e 故障灯 ， 6t c 诊断信号线至诊断座p i n l 3 ， ， 1 1s t a起动信号 e 4 1 2+ be c u 电源、经过点火开关 ； 1 3t a c h 转速表，至诊断座p i n 9 1 4 f c 燃油泵继电器控制 1 7 s i l故障诊断信号，至诊断座p i n 7 1v c e c u 输出t p s 、m a p5 v 参考电压 2p i m 进气压力传感器信号 3t h a 进气温度传感器信号 4t h w 冷却液温度传感器信号 5n e + 曲轴位置传感器与发动机转速信号 e 560 x 1 a氧传感器信号 9e 2搭铁 1 lv t a 节气门位置传感器信号 1 2g 凸轮轴位置传感器g 信号 1 3n e g 信号、n e 信号传感器共用 1 6h t l a 氧传感器加热线圈控制线 3i g f 点火器点火反馈信号 7v s v 活性碳罐电磁阀控制 1 2抖1 0 1 缸喷油器 1 1# 2 02 缸喷油器 “ i 2 5# 3 03 缸喷油器 2 4# 4 04 缸油器 e 6 1 3 e o l搭铁 1 4 e 1 搭铁 ， 1 5r s o i s c 阀占空比控制 1 8k n k 爆震传感器信号 2 li g t 点火控制 2 6e 0 2 搭铁 1 8 - 6 i 圃嘲匮蟋帐辑口暴臀越dg盛-v譬妪晕担n一匝 愀刁睾掣扑书隧貅k毹半 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 表3 4 威驰轿车5 a - e 2 5 p 发动机传感器和执行器的引脚及功能一览表 传感器与执行器端子号 含义 1搭铁 节气门位置传感器 2 接e c u5 v 参考电压信号 3输出节气门位置传感器信号 l搭铁 进气温度传感器 2 接e c ut h a 端子 1 搭铁 进气压力传感器2输出进气压力传感器信号 3接e c u5 v 参考电压信号 1 接e c ut h w 端子 冷却液温度传感器 2 搭铁 1 至0e c un e 一信号端 c 1 发动机转速及曲轴 2到e c ug 信号端 一 位置传感器1 至ue c un e + 信号端 c 2 2 至ue c un e 一信号端 爆震传感器1到e c uk n k 信号端 1 到e c uh t l a 端子，加热线圈搭铁控制 2 e f i 继电器，加热线圈电源 氧传感器 3氧浓度信号 4 搭铁 一 l 到e c ui s c 阀占空比控制端 i s c 阀 2 e f i 继电器，i s c v 电源 3 搭铁 l 到e c uv s v 端子，搭铁控制端 e v a p 阀 2 到e f i 继电器，e v a p 电源 l 接点火开关，喷油器电源 1 缸喷油器 2 到e c u # l o 端子，喷油器控制 l 接点火开关，喷油器电源 2 缸喷油器 2 到e c u # 3 0 端子，喷油器控制 1 接点火开关，喷油器电源 3 缸喷油器 2 到e c u # 3 0 端子，喷油器控制 1接点火开关，喷油器电源 4 缸喷油器 2 到e c u # 4 0 端子，喷油器控制 2 0 。 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 主要元件故障实现 点火器故障实现电路 点火器的常见故障为点火器无工作电源、点火线圈与点火器控制线断路、点火器无 控制信号、点火器无反馈信号。点火器电路故障实现原理图如图3 1 3 ，在电路中设置了 四个常闭开关：j 0 3 断开为点火器无电源；j 0 4 断开为点火线圈与点火器间控制线断路； j 0 5 断开为点火器i g t 与e c u 端子c ( e 6 ) 2 1 之间断路；j 0 6 断开为点火器无反馈信号。 来 j 0 3 r，到火花塞 i 妪 y 型 琵 y 遣j 坐 j 0 4 哆3 l 矗 点火线圈( 在分电器内) 点火器 图3 1 3 点火器故障设置电路 进气压力传感器( m a p ) 故障实现电路 进气压力传感器的常见故障为：传感器本身导致的信号丢失、信号不准；信号线路 开路或短路：e c u 故障无参考信号送出。故障实现如图3 1 4 ，通过串联在传感器p i m 端子与e c ub ( e 5 ) 2 端子间的继电器开关j 2 l 实现信号线开路故障。在断开j 2 1 的情况 下，通过j 2 2 及一个精密电阻模拟信号不准故障，通过j 3 2 及一个人工连续调节的可变 电阻器可在任一状态下模拟进气压力传感器的输出信号，类似一个传感器模拟仪。 图3 1 4 进气压力传感器( m a p ) 故障设置电路 节气门位置传感器故障实现电路 节气门位置传感器的常见故障：传感器的电位器磨损、脏污导致的信号不良，信号 第三章电控发动机故障诊断模拟系统的设计方案 线路开路或短路；e c u 故障无参考信号送出。故障实现如图3 1 5 ，通过串联在传感器3 号端子与e c ub ( e 5 ) l l 端子间的继电器开关j 2 3 实现信号线开路故障。在断开j 2 3 的情 况下，通过j 2 4 及一个精密电阻模拟信号不良故障，通过j 3 0 及一个人工连续调节的可 变电阻器在任一状态下模拟进气压力传感器的输出信号，类似一个传感器模拟仪。 图3 1 5 节气门位置传感器故障电路设计 冷却液温度传感器故障实现电路 冷却液温度传感器的常见故障为传感器损坏，传感器信号线开路，信号失准。故障 实现如图3 1 6 ，通过串联在冷却液温度传感器2 号端予与e c ub ( e 5 ) 4 端子