一种汽车电控执行器模拟驱动装置的设计.doc

一种汽车电控执行器模拟驱动装置的设计徐承韬 隋丽萍（沈阳化工学院，辽宁 沈阳110142）摘要：当前，汽车上电子技术的应用越来越广泛与深入，汽车电控装置已成为汽车的重要组成部分，这对汽车的检修设备提出了更高的要求。本文通过对汽车电控装置执行部件结构及工作原理的分析，设计出了一种结构简单、价格低廉的模拟驱动装置，该装置在汽车电控系统某些执行器出现故障时，能够有效地检测执行器的工作状态，便于汽车的维护与检修。本文从硬件设计和软件设计两个角度对该模拟驱动装置的设计作了阐述，包括其控制核心单片机的选择与硬件扩展，键盘电路与指示灯电路的搭建，各执行器（包括步进电机式怠速空气调整器、电磁喷油器、电动燃油泵和点火装置）模拟驱动电路的设计，以及单片机控制程序（包括主程序与各子程序）的设计。关键词：单片机 执行器 驱动随着汽车工业的发展，电子技术在汽车上的应用越来越广泛，汽车电控装置已成为汽车的重要组成部分，其采用大量传感器监测汽车运行的情况，将监测信号输入计算机，经计算机判别与分析后，根据预定方案通过执行机构控制点火时刻、空燃比、自动变速、刹车防抱等，从而使汽车达到最佳性能。现代汽车上采用的电子设备的越来越多、技术含量越来越高， 这样就对汽车的检修设备提出了更高的要求。本文通过对汽车电控装置执行部件结构及工作原理的分析，在基于单片机的基础上设计出了一种结构简单、价格低廉的模拟驱动装置，在电控系统某些执行器出现故障时，能够用其有效地检测执行器的工作状态，便于汽车的维护与检修。1 系统概述1.1 汽车电控系统主要执行器简介一般来讲，汽车电子控制系统的执行部件集中体现于电机和各种各样的电磁阀上，主要执行器有：怠速空气调整器、电磁喷油器、电动燃油泵和点火装置等。怠速空气调整器通过控制节气门旁通道或限制节气门关闭位置来实现怠速调整。根据其结构特点，可分为双金属片式、石蜡式、电磁式、旋转滑阀式和步进电机式等五种。其中电磁式、旋转滑阀式和步进电机式怠速空气调整器一般由微机控制。本文研究步进电机式怠速空气调整器。电磁喷油器是发动机电控汽油喷射系统的一个关键的执行器，它接受电脑送来的喷油脉冲信号，精确地计算燃油喷射量，要求其动态流量范围大，抗堵塞抗污染能力强以及雾化性能好，为了满足这些性能的要求，先后研制了不同结构形式的电磁喷油器，主要有：轴针式和片阀式等。本文研究的是轴针式喷油器，此种喷油器喷油量的多少由电脑控制喷油器电磁阀的通电时间长短来决定。电动燃油泵的功能是输出具有一定压力的燃油，使油泵中保持一定压力，以保证能使发动机迅速启动。电动燃油泵主要由泵体、永磁电动机和外壳三部分组成。永磁电动机通电即带动泵体旋转，将燃油从进油口吸人，流经电动燃油泵的内部，再从出油口压出，给燃油系统供油。电动燃油泵的驱动实质就是对直流电动机的驱动即通过向直流电机的线圈输送一定宽度的、能量足够大的脉冲来实现。点火装置的功能是：按照发动机汽缸的点火顺序，在一定的时刻给火花塞提供足够的高电压，使火花塞两极间产生足够强的火花，点燃被压缩的可燃混合气，从而使发动机做功。目前国内外汽车采用的电子点火系统按储能方式分，可分为电感式点火系统和电容式点火系统两大类。由于电容式点火系统放电时间短，结构复杂成本高等原因，目前多用于赛车，一般汽车上应用很少，我们只研究电感式点火系统。1.2 各执行器的设计要求1.2.1各执行器的设计指标1）步进电机为四相，工作方式为四相单四拍，各相工作电压为12V，线圈绕线电阻为12，电流1A左右；2）单喷油器工作电压为12V，线圈绕线电阻为12，电流1A左右；3）燃油泵直流电机工作电压为12V，电阻为1，电流为10A左右；4）点火线圈工作电压为12V左右，初级绕线电阻为1.5，自电阻为1.5，初级线圈电感为7mH，通电时间定为12ms。1.2.2设计要求1）系统能对步进电机进行正反转工作情况检测；2）系统一次能检测两个喷油器的工作情况 ；3）系统能检测一个燃油泵的工作情况； 4）系统能检测一个电子点火系统的工作情况。2 系统设计系统的总体设计分为硬件设计和软件设计两部分。2.1 系统的硬件设计总体方案如下图所示：图12.1.1 单片机系统的设计设计采用Intel公司的MCS一51系列8031单片机。其复位信号有两种方式：上电自动复位和按键手动复位。8031的复位信号为高电平，上电瞬间，RC电路充电。RST引脚出现正脉冲， 当正脉冲延续2个周期以上时即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作；当按下RESET开关时，8031实现手动复位。实验证明当R1=200，R2=1K时,就可使系统可靠复位。此系统使用芯片内部时钟。因此在XTAL1和XTAL2二线端外接石英晶体和微调电容组成并联谐振回路。由于系统中有若干程序，也有一些需存放的数据和一些中间计算数据，所以须对单片机进行存储器扩展，同时8031的口线不能满足要求，因此还需对8031作简单的I.0口扩展。程序存储器扩展时，选用Intel公司的4 Kx8的2732芯片，其容量为4 K；数据存储器扩展时我们选用常用的Intel公司6l16芯片，其容量为2 K。输入扩展是为数据输入的需要而采取的。使用典型芯片74LS244由该芯片构成三态数据缓冲器。输出接口的主要功能是数据保持或数据锁存,使用74LS377芯片,该芯片是一个具有使能控制端的8 D锁存器，只用4个输出口。具体接线情况如下图所示。图22.1.2 键盘电路和发光二极管电路设计系统中键盘电路和发光二极管电路比较简单，如下图所示。据经验知，键盘电路中的电阻一般取几千欧，在此取5K，则输入芯片的电流为1mA,74LS244可以承受。发光二极管的驱动电流一般为1015mA，取15mA，电阻经计算取300。图32.1.3 执行器驱动电路设计步进电机驱动电路、喷油器驱动电路、燃油泵驱动电路及点火装置驱动电路均由电压隔离电路和功率放大电路两部分组成。下图为步进电机一相驱动电路图，其余三相及其它执行器驱动电路结构均与此同。图4系统的硬件设计中采用光电隔离技术，能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰；并采取抑制反电势干扰技术，抑制反电势干扰，从而提高系统的抗干扰能力。这些硬件抗干扰措施可大大提高系统的测控精度和可靠性。2.2 系统的软件设计主程序为键盘的循环扫描程序，当某键被按下时，经延时去抖判断后，与其对应的执行器子程序即被调用，用来检测相关执行器的工作情况，同时，与其相应的发光二级管被点亮，以示提示。步进电机的子程序主要是用软件编程的方法来实现其脉冲分配目的，即用软件的方法来代替硬件上的环行分配器，以节约成本，提高操作性；喷油器子程序非常简单，就是使单片机向喷油电路送一个触动脉冲即可；燃油泵子程序也很简单，就是使燃油泵直流电机电磁线圈保持通电一段时间即可；点火装置子程序也比较简单，只需要使初级电路保持12ms即可。鉴于篇幅各程序均略，不在此写出。程序流程图如下图所示。图5本设计把系统的软件(程序)划分为若干个模块，每个模块完成一个子功能，这些模块有机地组成一个整体，可以满足系统的设计需要，这就有利于提高软件的可靠性。也有助于提高软件的可扩充性。3 结束语本设计基于具有很强的位寻址功能和运算功能、抗干扰能力也很强的8031芯片，并对该芯片进行了必要的系统扩展，使扩展后的系统能对汽车电控系统中的步进电机式怠速调整器、喷油器、燃油泵和点火装置等主要执行部件能够进行模拟驱动，以满足汽车维护与检修的需要。该设计结构紧凑、电路简单，充分地利用了芯片的内部资源，经济效益较高。同时，此设计还采用软、硬件结合的设计方法，既节省了硬件资源，降低了成本，又提高了系统的抗干扰性和增强了系统的灵活性和适应性，保证系统具有很强的适应能力。参考文献：1龚瑞庚电脑控制的汽车发动机工作原理北京：人民交通出版社，199663李冠峰汽车电器及电子系统的原理与维修郑州：河南科学技术出版社，199494李广第单片机基础M北京：北京航空航天大学出版社，1999105余永权单片机应用系统