（计算机软件与理论专业论文）二甲醚预喷电控设备及监控软件的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 均质压燃( h c c i ) 是目前内燃机燃烧领域的研究热点。h c c i 是以预混合燃烧和 低温反应为特征的燃烧方式。采用h c c i 可以有效降低柴油机的n o x 和碳烟排放，并 提高内燃机的循环热效率。h c c i 内燃机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下， 工作范围较小，高负荷时功率输出不足。“双模式”h c c i 内燃机是解决上述问题的有 效途径，并成为近期h c c i 内燃机研究中的热点。 采用二甲醚预混合一一柴油主喷的燃烧方式在柴油机上进行“双模式”h c c i 内 燃机燃烧试验，设计并实现了二甲醚预喷系统。在该系统的控制下，可以实现在进气 冲程开始时刻向进气管道喷射二甲醚，并且可以根据试验具体情况动态调整预喷量。 二甲醚预喷系统由二甲醚预喷设备和监控软件两部分组成，相互之间通过串行口 进行通信。预喷设备是以8 0 c 1 9 6 k b 为核心的单片机系统，单片机通过传感器监测柴 油机的曲轴相位，在进气冲程开始时刻接收到信号采集电路输出的触发脉冲，单片机 转入中断服务程序，控制电磁阀打开并保持设定的时问长度，最后关闭电磁阀。监控 软件采用v i s u a lc + + 6 0 开发平台，通过引入源码开放的c s e r i a l p o r t 类，实现对串口 的操作，依据r s 2 3 2 标准与预喷设备进行串行通信。监控软件可以实时跟踪二甲醚预 喷设备的工作情况并对其进行动态控制。 二甲醚预喷系统在h c c i 柴油机的燃烧试验中得到了应用，试验证明，该系统能 够根据发动机的不同工况动态控n - 甲醚的预喷量。 关键词：均质充量压缩着火；二甲醚；预喷设备；监控软件；串行通信 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) c o m b u s t i o nh a sb e c o m eaf o c u so f t h ee n g i n ec o m b u s t i o nr e s e a r c h h c c ic o m b u s t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yp r e m i xc o m b u s t i o n a n dl o wt e m p e r a t u r er e a c t i o n l o wn o xa n ds m o k e 嬲w e l l 私l l i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , a r e a c q u i r e dw i t hi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e h c c ie n g i n eo p e r a t e su n d e rt h ec o n d i t i o no f l e a na fa n dl o wc o m p r e s s i o nr a t i o ，w h i c hl i m i t sh c c ie n g i n e so p e r a t i n gr a n g ea n dp o w e r o u t p u ta th i g hl o a d t h e d u a lm o d e ”h c c ie n g i n ew a sd e v e l o p e dt os o l v et h el i m i t a t i o n , a n dh a sb e c o m et h ef o c u so f h c c ie n g i n er e s e a r c h s o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f d u a lm o d e h c c ie n g i n eh a v eb e e nd o n eo nt h e d i e s e le n g i n ei nt h ew a yo fp r e m i x i n gd m ea tt h ef i r s ts t r o k ea n dd i r e c t l y 蝎e c t i n gd i e s e l o i la tt h et h i r ds t r o k e t h ed m e p r e - i n j e e t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e d u n d e r t h ec o n t r o lo f t h i ss y s t e m ，d m ei si n j e c t e di n t ot h ei n l e tp i p ea tt h es t a r to f i n l e ts t r o k e t h e 画e c t i o nq u a n t i t yc a na l s ob ed y n a m i c a l l ya d j u s t e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ed m ep r e i n j e c t i o ne q u i p m e n ta n dt h em o n i t o r i n g s o f t w a r e t h et w op a r t sc a nc o m m u n i c a t ew i t l le a c ho t h e rt h r o u g ht h es e r i a lp o r t t h e p r e - i n j e c t i o ne q u i p m e n ti sam e ns y s t e mw i t i lac o r eo f 8 0 c 1 9 6 k b t h em e ng e t st h ep h a s e o fc r a n ks h a f tb ys e n s o r s 8 0 c 1 9 6 k br e c e i v e sat r i g g e r i n gp u l s ea tt h es t a r to ft h ei n l e t s 仃o k et h e ng o e si n t oi n t e r r u p t - s e r v i n gp r o g r a m , 0 1 0 吧! 1 st h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n dh o l o d o ni tf o rac e r t a i nt i m e ，a n dc l o s e st h ev a l v ea tl a s t t h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d u n d e rt h ep l a t f o r mo f v i s u a lc + + 6 0 i tc a nm a n i p u l a t et h es e r i a lp o r tb yt h ei m p o r to f t h e s o u r c e o p e nc s e r i a l p o r tc l a s s i na c c o r d a n c ew i t hr s 2 3 2p r o t o c o l ，t h em o n i t o r i n gs o f t w a r e c a nt r a c et h eo p e r a t i n gs t a t u so fp r e i n j e c t i o ne q u i p m e n ta n dd y n a m i c a l l ya d j u s ti t s p r e - i n j e c t i o nq u a n t i t y t h ed m ep r e i n j e c t i o ns y s t e mh a sb e e nu s e di nt h ei g n i t i o ne x p e r i m e n t so fh c c i d i e s e le n g i n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sa b l et od y n a m i c a l l ym a n i p u l a t et h e p r e i n j e c t i o nq u a n t i t yo f d m ea c c o r d i n g t oe n g i n e so p e r a t i n gs t a t u s k e yw o r d s ：h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ；d i m e t h y le t h e r ； p r e - i n j e c t i o ne q u i p m e n t ；m o n i t o r i n gs o f t w a r e ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：磊五孑 日期：2 c 可绊1 1 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密哦 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作：亍 b 强：2 m 薛i i 其se t 一：匆以刎 日期：如詹j 哳 华中科技大学硕士学位论文 1 概论 环保和能源是发动机工业需要解决的两个主要问题。目前，随着人们对环境污染 重视程度的日益提高，各国越来越重视环境保护，现在已制定了将n o x 和p m 视为大 气污染源的强化法规，如美国加州在1 9 9 8 年生效的一项超低排放汽车法规规定汽车 的n o x ，+ h c 排放 2 1 5 9 b h p - h r ，p m 排放 0 1 0 5 9 b h p - h r 。为满足严格的排放要求，研 究人员在各个相关领域进行了大量的研究工作，改进发动机的燃烧系统作为一个重要 解决途径，也取得了一定进展。均匀充量压缩燃烧( h c c i ) 作为一种新的燃烧方式， 近年来引起了研究人员的重视。研究表明，在往复式发动机中采用h c c i 燃烧方式可 以大幅度减少低负荷下的n o x 排放，有希望满足未来严格的排放法规。 1 1h c c i 燃烧方式 h c c i 燃烧方式能够成为受人重视的一种新的燃烧方式，是与其燃烧特性密切相 关的。通过压缩空气、燃料和再循环燃烧产物的混合物直到自动着火即可实现均匀充 量压缩燃烧。此时放热反应在均匀当量比下，于燃烧室内多点同时发生【”。这样，h c c i 的燃烧由迅速发生的分布型低温反应组成，因而只生成很少的n o x 和p m ，在低负 荷时具有很高的热效率。 与火花点火的燃烧方式不同，h c c i 的燃烧没有可辨识的火焰前锋面，也缺乏局 部高温反应区。虽然缺乏火焰前锋面，h c c i 燃烧放热率不完全受化学反应速度控制。 有学者 2 1 认为湍流混合对h c c i 燃烧放热率有很大影响。由于h c c i 不是由火花点 火，也不受火焰层物理性质的影响，所以可采用更稀的可燃混合气。h c c i 的着火对 缸内流体性质的变化不敏感，循环变动很小。 与受扩散控制的柴油燃烧方式相比，h c c i 的反应不受燃油和氧气混合速率的限 制。h c c i 的n o x 排放比常规的柴油燃烧下降了9 0 9 8 。原因是h c c i 燃烧反 应在均匀稀混合气中进行，反应温度低，缺乏n o x 生成所需的高温反应区域。 h c c l 只产生很少的碳烟和p m 排放，但通常产生的h c 与c o 比柴油机高。原 因之一是为实现h c c i 燃烧方式而采用的稀可燃混合气和高e g r 率造成的缸内低 温。液体燃料采用h c c i 燃烧方式产生的h c 排放量与可燃混合物的准备情况有很大 华中科技大学硕士学位论文 关系。沉积在燃烧室表面的液体燃料会造成h c 排放大大增加，这一问题在使用柴油 燃料时更加突出。 h c c i 燃烧放热率高，接近奥托循环。分布型低温反应和不发光的燃烧反应减少 了对气缸周围壁面的散热，因此h c c i 燃烧具有更高的热效率。 1 2h c c l 研究现状 1 9 7 9 年，o n i s h i 等人在二冲程发动机上进行h c c i 的研究，发现低负荷工况下， 在1 0 0 0 r m i n 到4 0 0 0 r m i n 的转速范围内h c c i 都比传统的工作方式有更好的工作稳 定性，燃油经济性和排放也都有显著的改进【3 】。l i d a 在1 9 9 4 年的实验表明，在二行 程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式的工作范围可以明显扩展【l 】。h o n d a 公司于 1 9 9 7 年已展示了采用h c c i 的二冲程发动机 4 1 ，i p f 公司也开发了应用h c c i 概念的 二冲程发动机1 5 1 ，在这两款发动机中，h c c i 被用来改进部分负荷的稳定性和燃油经 济性，减少h c 排放。 1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r 在w a u k e s h ac o o p e r a t i v ef u e l sr e s e a r c h ( c f r ，混合燃料研 究) 机上用简单动力学模型计算出了适当压缩比、高e g r 与放热率的关系，并指出在 四行程发动机上也可采用h c c i 方式嘲。 1 9 8 9 年t h i n g 用一台楔形燃烧室、压缩比8 ：1 、预混、汽油混合温度6 4 0 k 、e g r 为1 3 至j j 3 3 的l a b e c o c o o p e r a t i v e l u b r i c a n t r e s e a r c h ( c f r ) 发动机测出了允许的运行 参数，并提出h c c i 这一描述此种燃烧过程的名词。t h r i n g 首次采用了两种燃烧模式， 即在大负荷使用火花点火方式，在部分负荷采用h c c i 方式1 7 ；r y a n 和c h a l l a h a n 继 续了这项工作，发现当使用柴油时不能采用太高ec 8 1 。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在实用的1 6 l v w 发动机上研究h c c i ，使发动机的 工作负荷范围从1 4 拓宽到3 4 1 9 ； 1 9 9 7 年，c h r i s t e n s e n , j o h a n s s o n 等人采用异辛烷( 辛烷值1 0 0 ) 、酒精( 辛烷值1 0 7 ) 和 天然气( 辛烷值1 2 0 ) 等3 种燃料进行h c c i 试验，结果表明高的辛烷值对于h c c i 方 式是有益的1 1 0 】。 1 9 9 8 年，c h r i s t e n s e n ，j o h a n s s o n 囊d n n e u s 和m a u s e 的研究结果表明，采用增压可增 加发动机使用h c c i 燃烧方式时的平均有效压力( p m e ) 【1 1 1 。 1 9 9 9 年，c h r i s t e n s e n 等人的试验又证明了几乎所有的液体燃料都能用于可变ec 的h c c i 方式中i l ”。 华中科技大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，郑进才【1 3 1 等在美国圣地亚国家重点实验室成功地在四冲程发动机上进 行了h c c i 试验，通过高e g r 水平大大降低了u h c ( 未燃碳氢化合物) 和c o 排放。由 于意识到h c c i 在解决n o x 和p m 排放方面的巨大潜力，近两年对于h c c i 燃烧特 点研究更多，如：研究多种液体燃料h c c i 的燃烧特点；用多区模型预测h c c i 燃烧和 排放；空燃比和温度分布对h c c i 燃烧的影响模型；h c c i 燃烧的多维计算流体力学 详细化学动力学模型和试验等。 电加热 图1 - 1h c c i 试验装置 美国西南研究酣1 4 】也很早就开展柴油机“预混稀燃”的研究，图1 是其试验装置 图，利用类似于汽油机进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中；为了使柴油 和空气加速混合，采用电加热进气管并采用e c r ；预混的稀混合气经压缩后多点着火， 消除了扩散燃烧，稀混合气降低火焰温度，可使n o x 排放比普通柴油机减少9 8 之 多，由于气缸内不存在局部混合气过浓区，可使p m 的排放减少2 7 ，指示热效率有 所改善。 英国的赵华在r i c a r d o 发动机上对h c c i 进行了深入研究，通过可变气门正时 和可变凸轮升程改变缸内废气的含量，在中、小负荷范围内实现了h c c i 燃烧，也给 大负荷运行找到了可行出口。但这种发动机结构复杂，价格昂贵，是其商业化的一大 障碍。 h c c i 方式既可用在二行程发动机上，也可用在四行程发动机上，但应用的工作 范围受到一定限制；h c c i 方式具有较高热效率、低的n o x 和p m 排放及较小的循环 变动等优点；采用增压可有效扩大发动机的稳定工作范围并增大p m c 。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文结构 论文研究的目标是采用一种新颖的预混合一一主喷油燃烧方式在柴油机上实现均 质压燃( h c c i ) 。向进气管预喷入少量的着火性能好的二甲醚( d m e ) 燃料，形成均 质的稀薄预混合气，实现稀薄预混合燃烧，减少有害排放物的产生，缩短主喷燃油的 着火滞燃期，降低n o x 的生成量。主喷油前的稀薄燃烧和主喷油后的浓混合气扩散燃 烧构成两级燃烧。通过机器试验，研究预混合一一主喷油燃烧方式对柴油机排放的影 响。 实现预混合一一主喷油燃烧方式时，d m e 预喷量与主喷油量的匹配十分重要。 d m e 预喷量合适可以提高发动机性能，改善排放，反之则极易引起着火失控和敲缸， 使排放变差。 论文采用单片机技术和v i s u a lc + + 编程技术，实现对d m e 预喷量的监测和控制。 d m e 的预喷时刻和预喷量在用户界面上有直观、明了的显示，用户可以根据发动机 工况动态调整d m e 预喷量。 论文的具体工作主要包括三个部分。 第一部分是第2 章和第3 章，主要内容是二甲醚预喷设备的设计与实现。 第2 章详细叙述了预喷设备的硬件设计方案。先介绍了c p u 选型及c p u 外围接 口电路，接下来重点介绍了该预喷设备的信号采集电路和信号输出电路。 第3 章叙述的是预喷设备的软件实现细节。重点是与预喷设备信号采集模块对应 的h s i 中断服务程序和管理键盘、显示器的外部中断服务程序。 第二部分是第4 章，主要内容是监控软件与d m e 预喷设备进行串行通信的具体 实现过程。 第三部分是第5 章。介绍了预喷系统用于发动机试验的情况，分析、探讨了预混 合一一主喷油方式对排放的影响。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 硬件电路介绍 2 二甲醚预喷设备的硬件设计 二甲醚预喷设备是以8 0 c 1 9 6 k b 为核心的单片机系统，其硬件电路主要包括以下 几个部分： l 信号采集电路 根据转速传感器和油管压力传感器监测内燃机的曲轴相位，在进气冲程的开始时 刻产生一个脉冲是否开始，将该信号直接引入单片机，将触发h s i 中断。 2 电磁阀驱动和控制电路 根据电磁阀的规格，要使电磁阀快速开启必须将电磁线圈中的电流迅速拉升到 1 8 a ，开启以后线圈电流只需维持在5 a 即可。 3c p u 及外围辅助电路 经过综合比较，m c u 选用8 0 c 1 9 6 k b 。由于8 0 c 1 9 6 k b 不带片内r o m ，存储器 扩展部分，扩展了r o m ( 2 7 c 1 2 8 ) 。另外还扩展r a m ( 6 2 6 4 ) 和e 2 p r o m ( 2 8 1 7 a ) 。复位 电路采用上电及手动复位电路。 4 键盘、显示器接口电路 人机界面由四个按键和四个数码管组成，采用接口芯片8 2 7 9 管理。 本节主要阐述c p u 及c p u 外围电路。其它部分将分别在第2 节、第3 节和第4 节详细介绍。 2 1 1c p u 选择 8 0 c 1 9 6 k b 是一种片内不带r o m 的1 6 位单片机，它特别适用于各类自动控制系 统，如工业过程控制系统、侍服系统、变频调速电机控制系统等。还适用于一般的信 号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备 控制器等。这些系统均要求实时控制、实时处理。 8 0 c 1 9 6 k b 单片机和m c s 5 1 系列单片机相比，至少在以下五个方面表现出了更好 的性能：实时性、易用性和灵活性。 华中科技大学硕士学位论文 一c p u 算术逻辑单元不再采用常规的累加器结构，而改用寄存器到寄存器结构； c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中存在的累加器的“瓶 颈”效应，提高了其操作速度和数据吞吐能力。 二在这2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄存 器。其通用寄存器的数量远比一般c p u 的寄存器数量多，这样就有可能为中断服务 程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复 寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计。 三8 0 c 1 9 6 k b 有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和 不带符号数进行操作；1 6 乘1 6 位指令的执行时间为1 4 6 2 5i t s ，3 2 位除1 6 位指令 的执行时间为2 4 6 2 5 峭；还有符号扩展、数据规格化等指令。 四8 0 c 1 9 6 k b 单片机还集成了更为丰富的外设装置：可用于提高系统抗干扰能 力的监视定时器( w a t c h d o g ) ；可用于记载引脚上输入事件( 信号电平的跳变) 发 生时刻的高速输入输出器( h s m s o ) ；可用于直接驱动电机类的执行元件，或滤波 后获得直流输出的脉宽调制输出( p w m ) 等。 五8 0 c 1 9 6 k b 单片机外部总线宽度可以在运行中动态地改变，配置成标准的1 6 位分时切换的地址数据总线，或配置成8 0 9 8 型的1 6 位地址8 位数据总线。这样就 给曾经使用过8 0 9 8 的用户带来很大的方便，用户只需将系统总线配置成1 6 位地址8 位数据总线形式即可与原有的8 0 9 8 系统兼容，无须改变其外围电路。 综合以上几方面考虑，本文选用8 0 c 1 9 6 k b 作为核心部件来构建预喷设备。 2 1 2 存储器扩展 8 0 c 1 9 6 k b 地址总线为1 6 位，可寻址6 4 k 字节。存储空间可分为片内和片外两大 部分，片内、片外统一编址，内部r a m 占有最低的地址号。 存储器的地址编号为0 0 0 0 h f f f f h ，整个存储空间按功能划分为三部分： ( 1 ) 0 0 0 0 h 0 0 f f h 为内部寄存器空间，共2 5 6 个单元，这一部分只能用作寄存器。 当指令对此空间寻址时，总是针对内部r a m ，与内部r a m 空间重叠的外部r a m 是 为i n t e l 开发系统保留的。 ( 2 ) 0 1 0 0 h 1 f f d h 及2 0 8 0 h f f f f h 两个区间为一般存储空间，既可用于存放 程序，也可用于存放数据，还可用作外部设备的i o 口地址。 ( 3 ) 1 f f e h 2 0 7 f h 为专用空间，共1 3 0 个单元。该部分每一单元均有特定用途， 用户不可随意使用。 华中科技大学硕士学位论文 d m e 预喷设备中，在2 0 8 0 h f f f f h 这部分空间内扩展了三片存储芯片：程序 存储器2 7 c 1 2 5 、数据存储器6 2 6 4 及2 8 1 7 a ，另外还为键盘、显示器控制芯片8 2 7 9 的两个端口安排了两个地址。 空间分配具体情况见表2 1 。 表2 1 存储空间分配表 a 1 5a i a a 1 2a l la l o a 9 a sa 7 a 6 a 5 a 4a 3 a 2 a t a o空间分配 0010oo ooo oo0 000 o2 0 0 0 h ，巧f f f h o10l1 l l 1 l1llll1lr o m ( 1 6 k ) 01 1 000 00o ooo 0o oo6 0 0 0 h - 7 f f f h 0l11l l1l ll111111r a m ( 8 k ) 1 00 00000o oo o0 0008 0 0 0 h 培7 f f h l00 o 0111 1lllll1 le 2 p r o m ( 2 k ) l 10 000 000 o0 0o o0oc 0 0 0 h 数据口、c 0 0 1 h 命令口 110 o0000o0 00 oo o18 2 7 9 ( 2 b ) 根据地址与数据的分时复用时序关系，利用7 4 l s 3 7 3 作地址锁存器构成存储器扩 展电路见图2 1 所示。 图2 - 1 存储器扩展电路 如何才能将地址空间与相关器件对应起来? 这种“绑定”是什么含义? 拿e p r o m 芯片2 7 1 2 8 来举例。2 7 1 2 8 的空间大小为1 6 k b ，本系统给它安排的地 址空间是从2 0 0 0 h 开始，到5 f f f h 为止。从存储空间分配表中可以看出，在此1 6 k b 的范围当中，a 1 姐1 私1 3 的状态只有两种：0 0 1 和0 1 0 。为实现2 0 0 0 h 5 f f f h 的空间 与2 7 1 2 8 的“绑定”，只需将a i s a l 4 a 1 3 的0 0 1 和0 1 0 两种状态作为2 7 1 2 8 的片选信号 即可。 依此类推，a i s a l 4 a 1 3 的0 1 l 状态选为r a m6 2 6 4 的片选信号，a 1 5 a 1 4 a 1 3 的1 0 0 状态选为e 2 p r o m2 8 1 7 的片选信号，a 1 5 a l 租1 3 的1 1 0 状态选为8 2 7 9 的片选信号。 华中科技大学硕士学位论文 沿用这个方法，可以归纳出其它各芯片片选信号与地址线a 1 5 a 1 4 a 1 3 之间的表达式 关系： 8 2 7 9 c s = a 1 5 厶一a i 3 根据上面归纳出的表达式，用逻辑门器件搭建成片选电路。如图2 - 2 所示。 2 1 3 复位电路 图2 - 2 片选电路 复位状态是单片机在开始工作之前的一种预备状态，单片机只有以此为起点，后 面的工作才是正常的。8 0 c 1 9 6 k b 采用低电平复位信号，该信号由芯片的r e s e t 引脚 引入，在主电源v c c 处于正常范围且振荡器和反偏置发生器已达到稳定状态后， r e s e t 引脚上将持续两个状态周期的低电平信号便可使芯片完成复位操作。 复位操作分两部完成，首先是r e s e t 引脚上的电平由低变高，而后芯片内部将执 行1 0 个状态周期的复位序列，该复位序列将使一些寄存器初始化，清p s w ，将2 0 8 0 h 赋给p c ，以便从2 0 8 0 h 单元开始执行指令，芯片配置字节( c c b ) 从2 0 1 8 h 单元读出 并写入芯片寄存器c c r 等。 本系统采用上电及手动复位电路，如图2 3 所示。该电路有如下特点： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 具有上电复位功能。上电后被缓慢充电，可提供有效的复位信号。 ( 2 ) 可手动复位，电路中有一与电容并接的按钮，在任何情况下，可通过这一按 钮迫使面j i 西；引脚变低电平而使单片机开始进行复位操作。 ( 3 ) 在反复上电情况下能可靠地复位。在掉电的情况下，电容上的电压可通过二 极管放电通路而迅速下降为0 。这样就为反复上电的情况下的复位提供了可靠的保证。 2 2 设备输入：信号采集 图2 - 3 复位电路 设计预喷设备的目的是在规定时刻为内燃机预喷入规定数量的燃料( d m e ) 。规 定时刻可以理解为预喷的始点，规定数量则对应预喷持续的时间，即电磁阀开启的持 续时间。 预喷始点的确定是设计该系统首先要解决的问题。根据设计要求、结合传感器输 出信号的时序特点，将进气冲程的开始时刻( 进气始点) 确定为预喷始点，预喷量可动 态调整，系统在进气冲程内完成预喷任务。 本系统采用了两路传感器，霍尔转速传感器和油管压力传感器，通过对两路传感 器的输出信号进行一定的逻辑运算，可以准确确定内燃机的进气始点。 2 2 1 霍尔转速传感器 一霍尔效应和霍尔器件 1 8 7 9 年霍尔( h a l l ) 发现，当电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片时，在金 属片的侧面产生了微弱的电位差。 9 华中科技大学硕士学位论文 设有一结构如图2 4 所示的长度为l 、宽度为w 、厚度为d 的长方形半导体薄片， 称为霍尔片。一般霍尔器件是四端器件，有两个电流控制极和两个输出极。两个电流 控制极分别焊接在霍尔片与y 轴平行的两整个侧面上，而两个输出极是在与x 轴平行 的两侧面中央点焊引出。 图2 4 霍尔片示意图 如果给霍尔器件的电流控制极通以电流i c ( 称为控制电流) ，并在其所在平面的法 线方向( 即z 轴方向) 上加以磁感应强度为b 的磁场，那么载流子受洛伦兹( 1 0 r c n t z ) 力 作用向垂直于控制电流和磁场方向的某一侧面0 轴方向) 偏转。由于载流子在某一侧 面累积起来，因此在两侧面间将产生电位差。此电位差v h 称为霍尔电压或霍尔电势。 这种现象称为霍尔效应。 霍尔器件以磁场作为工作媒介，可以检测磁场及其变化，并将它们转变成电信号 输出。因此霍尔器件是将物体的运动参量转变成数字电压输出。霍尔传感器能解决很 多测量问题，例如位置、位移、角度、角速度、转数、转速等等，并且还可以将这些 量进行二次变换，例如经过位移变换，可测压力、应力、质量、液位等，利用转速可 测流速、流量等等。霍尔器件还具各开关的功能。霍尔器件的输出量可以直接送入计 算机接口，可实现自动检测。 二利用霍尔转速传感器捕捉上止点信号 霍尔转速传感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，由于存在电磁噪声干扰， 须对信号进行滤波和整形，提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标准 的方波信号，通过单片机的输入捕捉功能可以精确得到其脉冲产生时间，为控制单元 运算和控制提供了转速和上止点基准信号。 将霍尔转速传感器固定在飞轮壳上，永久磁铁安装在飞轮上，安装位置对应于活 塞处于上止点。当内燃机工作时，飞轮旋转，霍尔传感器在活塞到达上止点时输出脉 冲信号。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 内燃机的一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气四个冲程，飞轮( 曲轴) 旋转 两n ( i i i j7 2 0 。c a ) 。霍尔转速传感器的输出信号，送往由5 5 5 构成的单稳触发电路， 每一个工作循环将产生两个脉冲信号。两个脉冲的上升沿分别对应进气冲程始点和作 功冲程始点，如图2 5 。 图2 - 5 霍尔转速传感器的输出信号 预喷设备实际只需要进气始点产生的那个脉冲信号，而并不需要作功始点产生的 脉冲信号。如果能通过一定的逻辑运算将后一个脉冲信号消除掉，一个工作循环只有 前一个脉冲信号，就满足预喷设备的实际需求，可以作为触发信号直接引入单片机了。 2 2 2 油管压力传感器 油管压力传感器安装在喷油器尾部，可以检测到高压油管内油压的大小。传感器 针阀的升程与油管压力的大小对应。从图2 - 6 可以看出，每一个工作循环的喷油时刻( 第 三冲程上止点前2 2 。c a ) ，高压油管内油压最大，油管压力传感器的针阀升程亦达到 最大。 图2 - 6 缸内参数和针阀升程的变化规律 压力传感器测量出针阀升程的变化，转换为电压的形式输出，然后传输给滤波器、 放大器等装置进行后处理，然后再送往由5 5 5 构成的单稳触发电路。每个工作循环将 华中科技大学硕士学位论文 只产生一个脉冲信号，脉冲的上升沿对应做功冲程的始点。输出信号在工作循环中的 时序如图2 7 所示。 图2 - 7 油管压力传感器的输出信号 霍尔转速传感器的输出信号，送往由5 5 5 构成的单稳触发电路，每一个工作循环 将产生两个脉冲信号。两个脉冲的上升沿分别对应进气冲程始点和作功冲程始点，如图 2 5 。 2 2 3 进气始点的获得 将两路传感器的输出作一定的逻辑运算，可以将霍尔转速传感器输出信号中的后 一个脉冲抵消掉。这样在每一个工作循环中，只有在进气始点才产生一个触发脉冲， 这正是预喷设备所需要的。将最终的输出信号引入m c u 的h s i 输入端。完整的信号 采集电路如图2 8 所示。 图2 - 8 信号采集电路 第一路信号来自油管压力传感器，第二路信号来自霍尔转速传感器。 n e 5 5 6 器件包含两个5 5 5 定时器，在电路中分别构成两个单稳信号发生器。可调电阻可以调 节输出脉冲的宽度。 华中科技大学硕士学位论文 选取信号采集电路的六个节点i 、v 和，各节点的信号时序如图2 - 9 所示 节点的信号就是整个信号采集电路的输出信号，也是h s i 功能部件的输入信号。 田 图2 - 9 输出信号时序 至此，每个工作循环的进气冲程开始时刻所需要的触发负脉冲已经获得了，可以 将该信号直接引入m c u 的h s i 1 输入端。 2 2 4h s i 信号输入 高速输入部件h s i 是m c s 9 6 系统单片机区别于m c s - 4 8 及m c s 一5 1 系列单片机 的重要特色之一。h s i 的基本功能是以定时器t l 为时间基准记录外部事件发生的时 间及其状态。外部时间的具体体现形式是由h s i 的输入引脚输入的脉冲信号，而“高 速”的含义则是指外部事件的输入无需经由c p u ，由部件自动地完成。 h s i 的内部结构如图2 1 0 所示。 当选定某引脚输入事件的触发形式后，一旦该引脚上出现表征事件的有效脉冲后， 事件监测器便将四个引脚是否有事件发生的状态信息送入f i f o 。同时，事件发生时 华中科技大学硕士学位论文 的t 1 值也记录于f i f o 中( 状态和时间值共2 0 位，占据f i f o 中的一个寄存器) 。当该 事件被c p u 检测到时，事件先进入保持寄存器，随之又被分为两部分。1 6 位时间值 送往h s i - t i m e ，4 位状态信息送往h s i s t a t u s 相应组的低位供c p u 读取。c p u 读 取事件时，四个引脚的现行状态( 高或低电平) 亦送往h s i s t a t u s 相应组的高位。 t i s i 0 l t s i 1 l i s i 2 h s i 3 图2 1 0h $ i 模块的内部结构 一h s i 事件形式 h s i 外部事件( 脉冲信号) 有四种： 一次负跳变为一个事件； 一次正跳变为一个事件； 每次正跳变或负跳变均为一个事件； 每八次正跳变为一个事件； 当h s i 部件检测出外部事件，会记录事件发生的时间。在1 2 m h z 的晶振下，其 分辨率2 u s ，所以在测量脉冲时，可以极其方便的测量计算出脉冲波形的频率、周期。 根据这一特点，利用预喷设备的h s i 输入信号，除了控制电磁阀的开启外，还可以方 便地计算内燃机当前的转速。 二h s i 中断方式 与h s i 有关的中断有两种： h s i 0 中断。 当h s i 0 引脚出现正跳变时产生该中断。这种中断与h s i 的工作过程无关，一般 将其作为外中断来使用，其中断向量地址为2 0 0 8 h 。 4 华中科技大学硕士学位论文 h s i 数据有效中断。 当h s i 引脚出现有效数据时产生该中断。这种中断与h s i 的工作过程有关，根据 控制位1 0 c 1 7 的状态，有效数据的含义不同。l o c i 7 = 1 ，f i f o 溢出算作有效数据； i o c l 7 = 0 ，保持寄存器的装载算作有效数据。 三设置h s i 部件 选用h s i 1 引脚接收外部脉冲：h s i 事件形式选择“一次负跳变为一个事件”；h s i 中断形式选择数据有效中断，且选择保持寄存器装载为数据有效。 具体设置如下： l d bh s i _ m o d e ，# 0 8 h a n d bi o c l ，# 7 f h 2 3 设备输出：电磁阀驱动和控制 高速电磁阀是一向是电控喷射系统中的关键部分，通过控制它的吸合保持和释放 来控制喷射始点及喷射时间的长短，满足不同工况的喷射需求。由于预喷始点及预喷 时间的长短要求非常精确，所以电磁阀的吸合和释放过程要非常快，否则很难准确控 制预喷时刻及预喷量。并且，电磁阀的释放的作用力是由复位弹簧产生的，所以电磁 铁必须要在很短的时间内产生很强的吸力来克服复位弹簧的拉力。为了要满足这一要 求，除了电磁阀本身制作的要求以外，还需要一个有效的驱动电路。本驱动电路采用 双电源供电。 2 3 1 驱动电流要求 电磁吸引力的公式如下： f ：k ( i w 一) 2 s 9 8 1 0 - 。 其中： f ：电磁吸引力：k ：常数； ：气隙大小；i w ：安匝数； s ：铁芯截面积： 华中科技大学硕士学位论文 电磁吸力和电磁阀的螺形线圈中的电流和匝数的平方是成正比的，要使得电磁铁 t ， 产生足够的吸力必须加大线圈中的电流或线圈匝数增加电感。而电流，= 二_ ：。 r ( 1 一e 1 ( 时间常数吼瓜) ，为了使电流响应足够快则电感不能太大。 为了使电磁铁能够在短时间内产生足够大的吸力，只有通过快速提升线圈中的电 流。但是为了减轻电磁铁中线圈的负担，减少线圈发热量，在电磁阀的衔铁吸合后必 须把通过线圈的电流降下来。因为在电磁铁强大的磁力克服复位的弹簧的拉力吸合之 后，无须再用这么大的吸力来维持吸合状态。电磁线圈中电流在整个过程中的理想曲 线应如图2 1 1 所示。 图2 1 1 驱动电磁阀的理想电流曲线 根据选定电磁阀的要求，要使高速电磁阀快速吸合必须使电磁线圈中电流快速上 升到1 8 a ，吸合以后只需维持在5 a ，即i i = l s a ，1 2 = 5 a 。电流上升到1 8 a 的时间在 0 3 m s 以内，即q 0 3 m s 。电磁阀的关断时间也必须足够快，要求t 2 0 2 m s 。另外为 了降低功耗，电流维持在5 a 这一过程通过脉宽调制( p w m ) 来实现。 2 3 2 驱动模块电路 1 功率部分 驱动模块的功率部分主要由3 个达林顿大功率晶体管组成，其中l 为高速电磁阀 的电磁线圈。柴油机系统的供电电源一般为2 4 v ，即图中的+ v c c 。然而实验表明， 如果在2 4 v 的电压下要使电磁线圈中的电流在0 3 m s 以内上升到1 8 a 是不可能的。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 由，= 面巧可知，要使电流迅速提升可以加大线圈两端的电压a 因此达林顿管 t i ( p n p ) 的作用引入高电压v b = 6 0 v 。v b 可以由d c d c 的升邸o o s o 电路产生，并 且大电容储能来提供电流上升阶段所需的能量。如图2 - 1 2 所示。 i 一。+ 6 0 v ! + 4 5 v s 2 2 4 v 。+ l 吖 o v s 3 一l5 y 图2 1 2 电磁阀的驱动电路 1 | ， p 掌-p 翻 il 图2 1 3 电磁阀控制信号时序 华中科技大学硕士学位论文 达林顿管t 2 ( p n p ) 主要用在5 a 的电流维持阶段，由p w m 控制信号进行通断控制 以维持稳定的电流。功率管t 3 ( n p n ) 的主要作用是加快电磁线圈电流的下降速度从而 加速电磁阀的释放。在电磁阀的吸合阶段，t 3 基极的控制电平s 3 为0 ，因而，1 r 3 在 续流阶段是导通的且达林顿管的集射极电压很小，起到很好的续流作用。当需要释放 电磁阀时，基极电平变为1 5 v ，使得t 3 的集射极电压约为1 5 v ，使能量通过3 3 快速 消耗从而加速电磁阀的释放过程，d i ，d 2 采用大功率快恢复二极管。另外，r m 是 电流检测电阻，其阻值为0 0 2 5 q 。它两端的电压变化反映了电磁线圈中电流的变化。 通过滤波放大，r m 两端的电压信号作为电流的反馈信号，用于p w m 电流控制。图 2 1 3 所示为电磁阀整个吸合过程中控制信号s l ，s 2 ，s 3 的时序。 2 控制部分 i c - q i 控制信号 s l s 2 i ；3 图2 1 4 电磁阀驱动控制框图 图2 1 4 为驱动模块控制部分的框图。电流反馈信号从电流检测电阻取得并分成两 路，分别滤波放大。其