毕业设计-基于单片机控制的汽车启动保护控制器设计

摘要在汽车发动机起动时，若发动机启动后起动机不能及时断电，将会烧毁起动机或损坏飞轮齿环；若变速器不在空挡起动，则起动机的瞬间动力将使汽车位移，还可能引起交通事故和人身安全。为此介绍一种利用NXPP89LPC901单片机控制的汽车启动保护控制器，通过检测汽车启动开关、变速箱档位、发动机转速，实现对汽车发动机起动过程检测和保护。起动保护器在发动机启动过程中通过采用逐个关闭打开负载系统，解决汽车发动机过程中因起动电流大而对汽车电源的冲击影响，延长电瓶的寿命。关键词起动保护；NXPP89LPC901；信号检测ABSTRACTWHENTHEAUTOMOTIVEENGINEISSTARTED,THEENGINETARTMOTORANDFLYWHEELGEARMAYBEDAMAGED,EVENTRAFFICACCIDENTSANDPERSONALSAFETIESMAYBECAUSEDBYWRONGOPERATIONOROTHERFACTORINORDERTOENSURETHEAUTOMOTIVEENGINECANBESTARTEDNORMALLYANDSAFELY,ITISNECESSARYTHATTHEPROTECTINGMEASURESANDMETHODSARECONSIDEREDINAUTOMOTIVEELECTRICALCONTROLSYSTEMTHISPAPERINTRODUCESAKINDOFTHEAUTOMOTIVEENGINESTARTINGPROTECTCONTROLLERBASEDONNXPP89LC901MCUTHECONTROLLERCANPROTECTTHEENGINESTARTINGPROCESSBYDETECTINGTHESTARTERKEYSWITCH,TRANSMISSIONSTALLANDENGINESPEEDTHOUGHTHEUSEOFCLOSEANDOPENLOADSYSTEM,THECONTROLLERCANSOLVETHEIMPACTONAUTOMOTIVEPOWERBECAUSEOFHIGHCURRENTLOADINTHEPROCESSOFAUTOMOBILEENGINESTARTING,ANDEXTENDBATTERYLIFEKEYWORDSENGINESTARTMOTORSTARTINGPROTECT；NXPP89LC901；SIGNALDETECTION目录摘要IABSTRACTII第1章汽车起动保护控制器的技术特点及发展趋势111汽车起动保护控制器的现状112汽车起动保护控制器的组成113起动保护控制器的主要功能1第2章汽车起动保护控制器中的主要元件的性能321单片机322转速传感器1223电磁继电器1324汽车电瓶13第3章汽车起动机结构和工作原理1531汽车起动机的结构1532发动机的起动性能和工作特性1633直流串励式电动机结构18第4章汽车起动保护控制器的控制和检测电路2341汽车起动保护控制器原理2342起动保护器电路2543变速箱档位检测2644发动机转速传感器输入检测电路3245电源电路3546发动机起动开关的检测3747起动保护控制器控制程序43第5章汽车起动保护控制器的维修和保养4451汽车起动机常见故障分析及维修保养方法4452汽车蓄电池的维护与保养常识4553汽车发动机维护保养46第6章结束语49参考文献50致谢51附录52第1章汽车起动保护控制器的技术特点及发展趋势11汽车起动保护控制器的现状随着经济的飞速发展，汽车作为人类重要的交通工具正在迅猛增加。汽车工业的水平是衡量一个国家工业水平高低的一个重要标志，现代的汽车发展完全离不开电子技术，电子技术已广泛应用于汽车各部分，随着汽车保有量的增加和轿车档次的提高，汽车起动保护问题越来越引起人们的关注。汽车在现代高速发展的文明社会里，不再是交通工具的代言词。汽车起动机属于汽车中的贵重部件，轻易不会损坏。国内外各大汽车生产厂都在设法利用现代科学技术，加紧制定防范措施，研制开发的汽车起动保护装置，伴随单片机技术在汽车起动保护中应用给汽车车主提供了一定得安全感。但是，为了延长起动机的使用寿命，须有恰当的使用方法。由于误操作等原因，在汽车发动机起动时，若发动机起动后起动机不能及时断电将烧毁起动机或损坏飞轮齿环；若起动时变速器不在空档，则会引发交通事故和人身安全。汽车的起动保护控制器有力的保护了起动机，延长了起动机的寿命。本文通过对汽车起动系统的研究和设计，使读者对汽车起动保护系统系统有了更深刻的理解和掌握，使人们能够更好享受到汽车给人们带来的优越性，安全性，舒适性。12汽车起动保护控制器的组成汽车起动保护控制器功能是对汽车发动机起动过程进行了检测控制，对汽车起动机的保护。汽车起动保护控制器由单片机控制电路、变速箱档位检测电路、开关信号检测电路、发动机检测电路、显示电路部分组成。单片机控制电路用于分别用于输入检测和输出控制。发动机检测电路用于检测转速控制发动机的起动。变速箱档位检测电路用于检测档位以便单片机对其控制。显示电路部分组成用来显示各检测电路的信号。电源电路为整个系统供电。13起动保护控制器的主要功能由于操作者的误操作等原因，在汽车发动机起动时，若发动机起动后起动机不能及时断电，将烧毁起动机或损坏飞轮齿环；若起动时变速器不在空档，则会引发交通事故和人身安全。目前汽车的安全保护技术己引起广泛重视，为了实现发动机的正常起动和安全保护，需从汽车电气控制系统予以考虑。在汽车发动机的起动电路系统中，汽车起动机的供电电源来自电瓶，发动机起动时起动机线圈电流非常大，达上百安培。为了保证汽车发动机能正常起动，通常在发动机起动时，要求切断汽车灯光等车身电器电源，只保证为汽车起动机提供电源。为了防止汽车起动时出现安全事故，只有当汽车变速器档位处于空档状态下，汽车发动机才能点火启动。设计汽车起动保护控制器的目的是为了规范操作者的操作，该控制器解决了起动电流大对汽车电源的冲击影响，通过对发动机起动过程中变速箱档位、发动机转速的检测，实现对汽车起动机的保护，延长起动机的使用寿命，真正的给人们带来舒适，安全的感觉。第2章汽车起动保护控制器中的主要元件的性能21单片机1概述P89LPC901是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求P89LPC901，采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期6倍于标准80C51器件P89LPC901集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。2主要特性（1）1KBFLASH程序存储器，具有256字节可擦除扇区、16字节可擦除页规格。单个字节擦除功能使任何字节可用非易失性数据的存储。128字节RAM数据存储器。（2）2个16位定时/计数器（定时器溢出时，P89LPC901的定时器0可配置为触发一个端口输出或/可作为PWM输出）。（3）23位的系统定时器，可用作实时时钟。（4）P89LPC901有一个模拟比较器。（5）增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能。（6）高精度的内部RC振荡器时不需要外接振荡器件。可选择RC振荡器（出厂校准为1）选项并且其频率可进行很好的调节。（7）操作电压VDD范围为2436V。I/O口可承受5V（可上拉或驱动到55V）。工业级应用中，它们的引出管脚为1、8和4脚对应的VDD、VSS和复位脚。（8）选择片内振荡和片内复位时可多达6个I/O口。（9）8脚SO8封装。3附加特性（1）当操作频率为18MHZ时，除乘法和除法指令外，高速80C51CPU的指令执行时间为111222NS（操作频率在12MHZ时为167NS333NS）。同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI。（2）在应用中编程（IAPLITE）和字节擦写功能使得程序存储器可用于非易失性数据的存储。（3）串行FLASH在电路编程（ICP）允许利用商用EPROM编程器实现简单代码的编程。FLASH保密位可防止程序被读出。（4）看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时器预分频器有8种选择。（5）低电压复位（掉电检测）可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断。（6）空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能（低电平键盘中断输入唤醒）。典型的掉电电流为1A（比较器关闭时的完全掉电状态）。（7）低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能。（8）通过用户可编程FLASH配置位来选择片内振荡器的频率范围。振荡器选项支持的频率范围为20KHZ18MHZ。（9）看门狗定时器具有独立的片内振荡器，无需外接元件。看门狗预分频器有8种选择。（10）可编程I/O口输出模式准双向口、开漏输出、推挽输出和仅为输入。（11）端口“输入模式匹配”检测。当P0口管脚的值与一个可编程的模式匹配或者不匹配时，可产生一个中断。（12）所有口线均有LED驱动能力（20MA）。但整个芯片有一个最大值的限制。（13）可控制口线输出斜率以降低EMI，输出最小跳变时间约为10NS。（14）当选择片内复位时，P89LPC901只需连接电源和地。（15）4个中断优先级。（16）2个（P89LPC901）键盘中断输入。（17）双数据指针（DPTR）。（18）施密特触发端口输入。3、功能框图P89LPC901的结构框图，如图21图21P89LPC901功能图4、管脚配置图22为P89LPC901管脚配置SO8图22P89LPC901管脚配置5、管脚描述管脚描述如表1所示表1管脚描述6逻辑符号图23P89LPC901的逻辑符号7、功能描述71增强型CPUP89LPC901采用增强型80C51CPU，其运行速度是标准80C51的6倍。一个机器周期由2个CPU时钟周期组成，大多数指令执行时间为1到2个机器周期。72时钟721时钟定义P89LPC901的几个内部时钟定义如下1）OSCCLK输入到DIVM分频器的时钟。OSCCLK可选择4个时钟源之一，也可降低到较低的频率。注FOSC定义为OSSCLK频率。2）CCLKCPU时钟；时钟分频器的输出。每个机器周期包含2个CCLK周期，大多数指令执行时间为1到2个机器周期（2到4个CCLK周期）。3）RCCLK内部7373MHZRC振荡器输出。4）PCLK用于不同外围器件的时钟，为CCLK/2。722CPU时钟OSCCLKP89LPC901提供几个可由用户选择的振荡器选项来产生CPU时钟。这样就满足了从高精度到低成本的不同需求。这些选项在对FLASH进行编程时配置，包括片内看门狗振荡器和片内RC振荡器。P89LPC901还可选择使用外部晶振的振荡器或外部时钟源。晶振可选择低、中或高频晶振，频率范围为20KHZ到12MHZ。723低频振荡器选项此选项支持20KHZ100KHZ的外部晶振，同时也支持陶瓷谐振器。724中频振荡器选项此选项支持100KHZ4MHZ的外部晶振，同时也支持陶瓷谐振器。725高频振荡器选项此选项支持4MHZ18MHZ外部晶振，同时也支持陶瓷谐振器。当使用频率高于12MHZ的振荡器时，必须使能P15的复位输入功能。上电时，需要一个外部电路使器件保持复位状态，直至VDD到达指定的电平。当系统电源被移走时，VDD将降至低于指定的最低工作电压。在某些使用频率高于12MHZ的振荡器的应用中，当VDD降至低于指定的最低工作电压时，需要一个外部掉电检测电路使器件保持复位状态。如果CCLK是8MHZ或更低，CLKLPSFR位（AUXR17）可设置成1来降低功耗。复位时，CLKLP为0，允许实现最高性能。如果CCLK运行在8MHZ或更低的频率时，该位可以在软件当中置位。726时钟输出P89LPC901支持可由用户选择的时钟输出功能。当不使用晶振时，可从XTAL2/CLKOUT输出时钟。要实现该功能的前提是已选择另外的时钟源（片内RC振荡器、看门狗振荡器或X1脚输入的外部时钟）并且没有使用晶振作为实时时钟的时钟源。这样可使外部器件与P89LPC901同步。时钟输出的使能通过置位TRIM寄存器中的ENCLK位实现。该时钟输出的频率为CCLK/2。如果在空闲模式中不需要输出时钟，那么可在进入空闲模式之前将该功能关闭以降低功耗。73片内RC振荡器选项P89LPC901具有一个6位TRIM寄存器，可对RC振荡器的频率进行调整。在复位时，TRIM的值初始化为出厂时预编程值以将振荡器频率调整为7373MHZ，25。用户程序可修改TRIM寄存器将RC振荡器调整为其它频率。如果CCLK是8MHZ或更低，CLKLPSFR位（AUXR17）可设置成1来降低功耗。复位时，CLKLP为0，允许实现最高性能。如果CCLK运行在8MHZ或更低的频率时，该位可以在软件当中置位。74看门狗振荡器选项看门狗具有一个独立的振荡器，其频率为400KHZ。在不需要使用高频振荡器时，可使用该振荡器降低功耗。75外部时钟输入选项P89LPC901在此配置中，提供CPU时钟的外部时钟源从XTAL1/P31脚输入。频率可从0HZ到18MHZ。XTAL2/P30脚可作为标准I/O口或者时钟输出。当使用频率高于12MHZ的振荡器时，必须使能P15的复位输入功能。上电时，需要一个外部电路使器件保持复位状态，直至VDD到达指定的电平。当系统电源被移走时，VDD将降至低于指定的最低工作电压。在某些使用频率高于12MHZ的振荡器的应用中，当VDD降至低于指定的最低工作电压时，需要一个外部掉电检测电路使器件保持复位状态。振荡器控制框图如图24所示图24振荡器控制框图8、比较器P89LPC901有1个模拟比较器，当正向输入电压大于反向输入时（可选择外部管脚输入或内部参考电压），输出信号为“1”（可从寄存器中读出），反之则输出为“0”。每个比较器都可配置为当输出发生改变时产生中断。比较器总的连接方式如图5所示。“逻辑图”。比较器的最低工作电压为VDD24V。当每个比较器刚被使能时，比较器输出和中断标志需要10微秒的稳定时间，在这段时间里，相应的比较器中断不应使能，并且在使能中断以前必须清零相应的比较器中断标志，以避免立即响应中断服务。比较器禁能时比较器输出COX变为高电平。如果比较器为低电平时被禁能，比较器从低到高的跳变将置位比较器标志CMFX。如果比较器中断被使能，产生中断。因此，用户在禁能比较器前应先关闭比较器中断。另外，比较器被禁止后，应将比较器标志CMFX清除。81内部参考电压当使用单个比较器输入管脚时，内部参考电压发生器可提供一个默认的参考电压。参考电压的值为VREF123V10。82比较器中断比较器配置寄存器中有一个比较器中断标志位。当比较器输出状态改变时中断标志位置位，此标志位可通过软件查询或用于产生一个中断。83比较器和节电模式在掉电模式或空闲模式下，比较器可以继续保持使能状态。但在完全掉电模式下，比较器被自动禁止。当比较器中断使能时（完全掉电模式除外），比较器输出发生改变时将会产生一个中断并将处理器唤醒。当比较器输出到管脚使能时，此管脚应该配置为推挽输出模式以便在掉电工作模式下获得较快的开关速度。这样做是因为当振荡器停止后，打开准双向口不会产生正常情况下的短时强上拉。比较器在掉电或空闲状态下所消耗的电流和正常操作模式下相同。当系统功耗是一个重要的指标时，就必须将比较器的功耗考虑在内。若要降低功耗，用户可通过PCONA5禁止比较器，或将器件设置为完全掉电模式。比较器输入和输出的链接图如图5图25比较器输入和输出的链接9、I/O口P89LPC901有36个I/O管脚，P04、P05、P12、P15、P30和P31。I/O口的具体数目取决于选择的时钟和复位方式，见表2。表2可用的I/O口数目91I/O口配置除了1个口以外，P89LPC901其他所有的I/O口均可由软件配置成4种输出类型之一。四种输出类型分别为准双向口标准8051输出模式，推挽，开漏输出或仅为输入功能。每个口配置2个控制寄存器控制每个管脚输出类型。P15RST只能作为输入口，无法进行配置。92准双向口输出配置准双向口输出类型可用作输出和输入功能而不需重新配置口线输出状态。这是因为当口线输出为逻辑高电平时驱动能力很弱，允许外部装置将其拉低。当管脚输出为低时，它的驱动能力很强，可吸收相当大的电流。准双向口除了有三个上拉晶体管适应不同的需要外，其特性和开漏输出有些相似。P89LPC901为3V器件，但管脚可承受5V电压（除XTAL1和XTAL2外）。在准双向口模式中，如果用户在管脚加上5V电压，将会有电流从管脚流向VDD，这将导致额外的功率消耗。因此，建议不要在准双向口模式中向管脚施加5V电压。准双向口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。93开漏输出配置当口线锁存器为0时，开漏输出关闭所有的上拉晶体管而仅驱动下拉晶体管。作为一个逻辑输出时，这种配置方式必须有外部上拉，一般通过电阻外接到VDD。开漏端口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。94仅为输入配置该配置无输出驱动器。它带有一个施密特触发输入口以及一个干扰抑制电路。95推挽输出配置推挽输出配置的下拉结构和开漏输出以及准双向口相同，但当锁存器为1时提供持续的强上拉。推挽模式一般用于需要更大驱动电流的情况。推挽管脚带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。96P0口模拟功能P89LPC901/902/903集成了1个模拟比较器。为了得到最佳的模拟性能并降低功耗，用于模拟功能的管脚必须禁止数字输入和输出功能。通过将端口设置成仅为输入模式来禁止数字信号输出，P0口的数字输入可通过PT0AD寄存器禁止。复位后，PT0AD的值默认为0以使能数字功能。97附加端口特性上电后所有的管脚都仅为输入模式，请注意这与LPC76X系列器件不同。1、上电后，除P15外的所有I/O口通过软件进行配置。2、P15仅为输入模式。每个P89LPC901输出口都可提供灌电流驱动LED。但是所有口的输出电流总和不能超过规定的最大电流。请查阅表13“DC电气特性”得到详细的规格。P89LPC901所有端口的电平转换速度都可以控制，这就可避免因电平转换过快而导致的噪声。转换速度在出厂时设定为大约10NS的上升时间和下降时间。22转速传感器转速传感器是用于将旋转物体转速状态转换为电信号的一种传感器。转速传感器可以应用在各种转速测量场合，能适应对旋转物体的低速、高速、稳速和瞬时速度等多种转速状态测量工作，并可将信号传导给控制部门。转速传感器的发展历史较长，产生的种类繁多，制造方法各异。转速传感器的设计原理也多种多样，包括机械、电气、电磁、光感等多个种类。转速传感器以信号输出方式不同，能分为模拟式转速传感器和数字式转速传感器，前者直接输出线性函数，后者输出频率信号。1、光电式转速传感器光电式转速传感器是以光敏元件来接收光线变化来测量旋转物体转速的。光电式转速传感器分为透射式光电转速传感器和反射式光电转速传感器，两者的主要区别是对光线的投射与接收过程不同，但在原理上没有太大区别。2、变磁阻式转速传感器变磁阻式转速传感器可以分为电感式转速传感器、变压器式转速传感器和电涡流式转速传感器，其中最常见的是电感式转速传感器。电感式转速传感器是以转动轴带动磁通量变化而产生感应电势，再通过电势大小的测量得出旋转体的转速值。3、电容式转速传感器电容式转速传感器是通过对电容的变化来测量旋转物转速的，测量时电容式转速传感器的电容变化周期与转速相同。电容式转速传感器主要有面积变化型和介质变化型两个种类，测量时前者是以位置变化带动电容量变化，后者是以介电常数变化带动电容量变化。23电磁继电器（一）继电器的工作原理和特性继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流较低的电压去控制较大电流较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。（二）继电器ELECTROMAGNETICRELAY的工作原理和特性电磁继电器一般由电磁铁,衔铁,弹簧片,触点等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。（三）继电器的选用1、先了解必要的条件控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。2、查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。3、注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。24汽车电瓶电瓶，也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化为电能。通常，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。即一种主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。1、常用的蓄电池分类及特点（1）、普通蓄电池普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低即每公斤蓄电池存储的电能、使用寿命短和日常维护频繁。2、干荷蓄电池它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过2030分钟就可使用。3、免维护蓄电池免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护添加补充液；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。2、电瓶的工作原理它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用2228的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。普通铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有2228的稀硫酸。第3章汽车起动机结构和工作原理31汽车起动机的结构汽车起动保护控制器是为了实现发动机的正常起动和安全保护，需从汽车电气控制系统予以考虑。在汽车发动机的起动电路系统中，汽车起动机的供电电源来自电瓶，发动机起动时起动机线圈电流非常大，达上百安培。为了保证汽车发动机能正常起动，通常在发动机起动时，要求切断汽车灯光等车身电器电源，只保证为汽车起动机提供电源。为了防止汽车起动时出现安全事故，只有当汽车变速器档位处于空档状态下，汽车发动机才能点火启动。现在让我们来看看起动机的内部结构和各部分的工作原理。1）起动机结构起动机的结构如图31所示图31起动机的结构一、起动机的组成分类和型号1、组成启动机由直流串激式电动机、传动机构和控制装置三部分组成。直流串激式电动机由磁极、电枢、端盖、机壳、电刷及电刷架等组成。磁极一般由4个磁极组成装在壳体内壁，两个串联后再并联。电枢由电枢绕组即裸露的宽扁铜线、电枢轴、换向器等组成。传动机构又称单项离合器。有滚柱式、弹簧式、摩擦式三种。电磁式控制装置，其作用是接通或断开电动机与蓄电池之间的电路。由活动铁芯、吸引线圈、保持线圈、接触盘、触点等组成。2、分类（1）按控制装置分为直接操纵式电磁操纵式（2）按传动机构的啮合方式分为惯性啮合式已淘汰强制啮合式工作可靠、操纵方便、广泛应用电枢移动式结构较复杂，大功率柴油车齿轮移动式电磁开关推动啮合杆减速式质量体积小，结构工艺复杂3、型号（1）产品代号QD表示起动机QDJ表示减速起动机QDY表示永磁起动机（2）电压等级112V；224V（3）功率等级101KW；212KW98KW（4）设计序号（5）变型代号拼音大写字母表示，多表示电气参数的变化，QD122512V，12KW，第25次设计，普通式起动机32发动机的起动性能和工作特性一、发动机的起动性能评价指标有（1）起动转矩（2）最低起动转速（3）起动功率（4）起动极限温度。1、起动转矩起动机要有足够大的转矩来克服发动机初始转动时的各种阻力。起动阻力包括（1）摩擦阻力矩（2）压缩阻力矩（3）惯性阻力矩2、最低起动转速（1）在一定温度下，发动机能够起动的最低曲轴转速。汽油机一般约为5070R/MIN，最好70100R/MIN以上。（2）起动机传给发动机的转速要大于发动机的最低转速若低于这个转速，汽油泵供油不足，气流速度过低，可燃混合气形成不充分，还会使压缩行程的散热损失和漏气损失增加，导致发动机不能起动。3、起动功率起动机所具有的功率应和发动机起动所必需的起动功率相匹配。而蓄电池的容量与起动机的容量应成正比P450600）P/U4、起动极限温度当环境温度低于起动极限温度时，应采取起动辅助措施（1）加大蓄电池容量（2）进气加热（3）电喷车低温补偿二、起动机的工作特性1、起动机工作特性如图7图33起动机工作特性2、分析当I0时，M0，所以，P0，转速N达到最大，NNMAX（起动机空载）；当IIMAX时，N0，所以，P0，输出转矩达到最大MMMAX（起动机制动）。空载和制动的工作情况，常用来检验起动机的故障空载时转速低于规定值，同时电流大，说明有机械故障；制动实验时，电源电压和电流正常，转矩下降，有电路故障3、影响起动机工作特性的因素（1）蓄电池的容量和充电情况容量大，充电充足，内阻小，供给起动机电流大，起动机的功率、转速、制动力矩都大。（2）起动电路的电阻影响起动机内部电阻和起动线路电阻越大，起动机得输出功率、转速、制动力矩均会降低。（3）环境温度的影响环境温度低时，起动性能不好。33直流串励式电动机结构一、直流电动机的构造作用产生转矩。要求零件的机械强度高，电路电阻小。组成电枢产生电磁转矩，磁极产生磁场，换向器改变引入电流方向，电刷组件引入电流，壳体安装磁极，固定机件。1、电枢电枢的结构如图8所示图34电枢的结构电枢线圈是用扁铜线绕成，较粗且匝数少；电枢轴中部位置制有螺旋齿槽，用以装置啮合器，有些起动机除两端装有衬套外，中间还装有支承衬套。为了防止轴向窜动，轴的前端制有槽，用于装置锁板机构，轴的后端制有槽，用于装置止动挡圈及弹性档圈。2、磁极磁极如图9所示图35磁极的结构图由外壳、磁极、磁场线圈等部分组成。外壳内壁装有四个磁极（有些是二个磁极），在其上面装有磁场线圈，相对的是同极，相邻的是异极。磁场线圈用扁而粗的铜线（或小铜线并联的方法）绕成。磁场线圈采用串联或并联，一端与外壳上的绝缘接柱（即磁场接柱）相连，另一端与正电刷相连，线路连接如图所示。由磁极、磁场绕组和机壳组成，磁场与磁路见图10。图36磁场和磁路3、电刷组件用铜粉和碳粉（或石墨）压制而成。一般有四个，相对的电刷为同极。两个负电刷搭铁，两个正电刷接磁场线圈，它们在压簧的作用下紧密地与换向器接触。4、换向器和电刷二、直流电动机的工作原理将通电导线放入磁场中，导线会在磁场力的作用下做有规律的运动（其运动方向可以用电动机左手定则来判断），这是直流电动机能够转动的基本道理。磁场原理图如图11所示图37磁场原理图1、直流电动机工作原理上图是最简单的直流电动机，它由磁场、电枢线圈、换向器和电刷等机件组成。当线圈在垂直位置时，如图（A），电刷不与换向器接触，线圈中没有电流通过，因此电枢线圈不转动。如将电枢线圈稍向顺时针方向转过一些，如图（B），换向器片分别与两电刷接触，线圈中有电流通过，其方向是从线圈I边流入，从边流出。根据左手定则可以判定，线圈I边向下运动，边向上运动，电枢线圈向顺时针方向转动。当线圈转到如图（C）的位置时，换向器片不与电刷接触，线圈中无电流通过，此时，电枢线圈在惯性作用下转过这个位置。当线圈转过垂直位置时，换向器片又与两电刷接触，如图（D）所示。但此时换向器片已经调换了位置。因此电流从线圈边流入，从I边流出。根据左手定则可以判定，线圈I边向上运动，边向下运动，电枢线圈仍向顺时针方向转动。这样，使电流不断地通入线圈，线圈便按一定方向继续不停地转动。一个线圈的电动机，虽能旋转，但转动力量小，转速也不稳定，而且在图（A，C）的位置时不能转动。所以，实际使用的起动电动机都是由较多的线圈和配有相应换向片构成，同时采用多对电磁铁来产生较强的磁场。但其工作原理还是一样的。直流电动机的反电动势如图12所示图39直流电动机的反电动势2、电动机转矩自动调节特性电动机的电磁转矩M取决于磁通、电枢电流IA的乘积，即MCMIA其中CM电机结构常数（1）反电动势直流电动机拖动负载，当负载发生变化时，电动机的电枢转速、电枢电流、电磁转矩均会自动的作相应的变化，以满足不同负载的需要。其原理如下通电的线圈在磁场中受力而转动，运动的线圈切割磁力线产生电动势，电动势的方向和线圈电流方向相反，电动势的大小为E反CEN其中，CE电机结构常数；磁极磁通；N电枢转速。（2）电动机工作时，电压平衡方程式为UBE反IARA该公式称为电动机发电机一体公式即电动机在一定条件下可以变成发电机，用于电机制动和储能（3）转矩自动调节过程电枢电流为IA（UBE反）/RA分析当负载轴上阻力矩电枢转速E反IA电磁转矩直至电磁转矩减至与阻转矩相等电机拖动负载以较高转速平稳运转；当负载轴上阻力矩电枢转速E反IA电磁转矩直至电磁转矩增至与阻转矩相等电机拖动负载以较低转速平稳运转。第4章汽车起动保护控制器的控制和检测电路41汽车起动保护控制器原理一、起动机的起动过程图41起动机起动过程示意图当点火开关未扭到起动时，电动机开关未接通，起动齿轮与飞轮处于分离状态。当打开点火开关，并扭转至起动档时，磁力线圈电路和电动机电路接通。吸引线圈电路为蓄电池正极保险丝点火开关（起动档）电磁开关50接柱吸引线圈电动机开关的C接柱，磁场线圈（也叫励磁线圈）正电刷电枢线圈负电刷搭铁蓄电池负极。保持线圈电路为蓄电池正极保险丝点火开关（起动档）电磁开关50接柱保持线圈搭铁蓄电池负极。吸引线圈和保持线圈通过电流后，由于电流方向相同，磁场相加，将引铁吸入。引铁带动啮合器沿电枢轴螺旋齿槽后移，使起动齿轮与飞轮啮合。当起动齿轮与飞轮接近完全啮合时，引铁便前移至一定位置，使触盘与触点接触，电动机开关开始接通；当两齿轮完全啮合时，引铁前移到达极限位置，电动机开关被压紧，使开关可靠接触，电动机旋转，经啮合器带动发动机起动。电动机电路为蓄电池正极电动机开关30接柱触盘电动机开关C接柱磁场线圈正电刷电枢线圈负电刷搭铁蓄电池负极。当电动机开关30和C接通时，拉动线圈被短路，只靠保持线圈的磁力，足以能够保持引铁在吸入后的位置。发动机起动后，放松点火开关（它便自动回转一个角度，电路被切断，起动机停止工作，啮合器在弹簧的作用下回位，使起动齿轮与飞轮齿轮分开。二、汽车起动保护控制器工作过程汽车起动保护控制器原理框图如图42图42启动保护器原理框图原理图的解析图中给出汽车起动保护器原理框图。其工作过程是起动保护控制器对起动开关进行检测，当起动开关接通时，若变速箱档位开关处于空档位置，汽车发动机未在工作状态时，接通车身电器电源继电器，切断车身电器负载电源，延时05S后，接通起动控制继电器，起动机通电起动。当起动开关断开或者发动机转速达到300RMIN后，控制器释放起动控制继电器，起动机断电停止工作，延时05S后。释放车身电器电源继电器，接通车身电器负载电源，起动完成。三、汽车起动保护器的主要功能1、正常起动钥匙开关从ON档打到起动档START档起动发动机时，当变速箱档位在空档位置时，起动保护控制器先切断车身电器负载电源，延时05S。再接通起动继电器，起动机起动，当起动机带动发动机旋转，发动机转速大于300RMIN后，或者钥匙开关由START档回到ON档时，控制器控制起动继电器断开，起动机断电，延时05S，再接通车身电器负载电源，起动过程完成。2、非空档起动保护起动保护器要求变速箱只有在空档位置时，才能起动发动机。但若空档开关损坏或者驾驶员知道变速箱不在空档位置但必须起动发动机时，可采取非空档位置保护起动，其起动条件是要求钥匙从ON档打到START档，并在START档位持续3S后方可起动。起动过程与正常起动相同。3、钥匙开关不能回位保护在汽车起动过程中，若钥匙开关在START档位且时间大于5S，或者因钥匙开关故障，在5S内不能从START档回到ON档，则为了保护起动机和电瓶，控制器可以切断起动机电源，接通车身电器负载电源。4、重复起动保护若发动机已处于工作状态，而且转速大于300RMIN，当钥匙开关从ON档打到START档时，则控制器保证起动机不再起动。42起动保护器电路根据汽车起动保护器的功能及工作过程要求,应用NXPP90LPC901单片机的汽车起动保护器电路由电源电路、单片机电路、开关信号输入电路、发动机转速输入电路,电源继电器及起动继电器控制电路等组成见图3。P89LPC901采用内部复位电路和片内RC振荡器7373MHZ,可以提供6个可编程I/O接口,分别用于输入检测和输出控制。1、电源电路用于客车的起动保护控制器。其供电电源采用24V的汽车电瓶电源,经压敏电阻和防止电源极性接反的保护二极管VD1后,得到12V电压,该电压为比较器LM2903电源,同时将该电压滤波限流后,再经HA7355稳压管稳压和滤波然后向P89LPC901提供33V电压。2、开关输入检测电路起动保护控制器的输入开关有起动开关STARTSW、空档开关NULLSW2个开关量输入信号,它们分别接正电源24V有效。起动机的电源来自汽车电瓶。在起动机起动时,电流很大,可达上百安培,可能会造成电瓶亏电,电压降低。为了保证当起动开关接通时,电瓶电压大于12V,能够正常起动,使STARTSW信号通过比较器LM2903转换,接入单片机的P04引脚。当STARTSW信号电压大于12V,则LM2903的第7引脚输出33V当STARTSW信号电压大于12V,则LM2903的7引脚输出0V。空档开关NULLSW信号经晶体管转换电路转换为单片机要求的电平信号,接入单片机的P15引脚,当空档开关接通时,单片机的P15引脚为高电平当空档开关断开时,单片机的P15引脚为低电平。3、发动机转速传感器输入检测电路发动机转速传感器输出的是正弦信号,其电压幅值范围为36V。发动机输出信号为173个脉冲/转。当发动机转速大于300R/MIN后,完成起动时。发动机转速传感器输出的正弦信号经比较器LM2903转换为方波信号接入单片机的P12引脚,即P89LPC901的计数器输入引脚,当发动机转速传感器输出的信号大于2V时为高电平低于2V时为低电平。4、继电器控制电路在控制电路中,车身电器电源通过继电器RLY1控制,使负载接入常闭触点起动机起动控制通过继电器RLY2,使负载接入常开触点。电路中继电器由89LPC901的P30和P31输出,并经BTS612放大驱动。43变速箱档位检测一、空档开关的工作原理和电路分析起动保护控制器的输入开关有起动开关STARTSW、空档开关NULLSW2个开关量输入信号，它们分别接正电源24V有效。空档开关NULLSW断开时，此时电路的电源是加在三极管发射极的33V电压，它通过R15分压限流后，再经过三极管的发射极和基极，与电容C7构成一个回路，此时电容就是个用电设备，起到缓冲电压防止33V电压对于三极管的冲击，延长三极管的寿命。当空档开关NULLSW接合时，R6、R19串联接入电路中，起到了分压的作用，24V电压经过R6、R19分压后把输入的24V转换成适合三极管2N5551导通的07V电压，之后把转变后的电压经过R7传递给三极管2N5551的基极，R7的作用是防止波动电压为达到07V致使三极管导通的作用，而C7电容在这里是给经分压后的07V电压稳压，防止跳变导致三极管误导通。集电极的R15电阻也是起到保护三极管防止误跳的作用。图44变速箱档位检测电路当空挡开关断开时，由于基极的电路没有电流产生，即IB0。由公式，所以IC也等于0，因此UBUC0,三极管未导通，输出低电平0给单片机的RST的引脚，RST上电时作为外部复位输入通过UCFG1选择。作为复位管脚时，输入的低电平会使芯片复位，I/O口和外围功能进入默认状态，处理器从地址0开始执行。当使用频率高于12MHZ的振荡器时，必须使能P15的复位输入功能。上电时，需要一个外部电路使器件保持复位状态，直至VDD到达指定的电平。当系统电源被移走时，VDD将降至低于指定的最低工作电压。在某些使用频率高于12MHZ的振荡器的应用中，当VDD降至低于指定的最低工作电压时，需要一个外部掉电检测电路使器件保持复位状态。另外该管脚还可用于在上电时强制进入在系统编程模式。同理当空当开关接通时，UBUIR19/R1R1924100/14707V，UC33V，又UE0，由此可算出UBC26V，集电结反偏，UBE07V，发射结正偏，该管ICB工作在放大状态，对输入的电流起到了放大的作用，传递给单片机一个高电平。接入单片机的P15引脚，单片机根据得到的不同的数据作出不同的反应，与单片机里的程序相关。二、空档开关状态检测电路仿真1、仿真电路原理图下面采用PROTEL99SE仿真软件画的仿真原理图，PROTEL99SE的使用在下一章节介绍，本章只是介绍仿真的结果，以及和预期要达到的目标的差距。仿真原理图和上面的原理的不同点，即特点如下（1）与原理图编辑溶为一体，即只要原理图中的所有元器件的电器图形符号取自电路仿真测试用元件电气图形符号库文件包内，在完成原理图编辑后即可启动仿真操作，无需再次输入仿真电路，避免重复劳动。这是内嵌仿真功能电路CAD元件的特点。（2）提供了数十种仿真激励源、5800多种工业标准仿真元件，可以对模拟电路、数字电路及数字/模拟混合电路进行仿真分析。（3）PROTEL99SE还允许用户使用数字运算符，创建仿真波形函数，以便能直接观察达到更复杂的电路参数。（4）提供了工作点分析、瞬态特性分析、交流小信号分析、阻抗分析、直流扫描分析、温度扫描分析、参数扫描分析等。（5）以图形方式输出仿真结果，直观性强；仿真波形管理方便，能以多种方式从不同角度观察分析结果。图45仿真电路原理图与图44原理图比较，开关和24V的直流电源用一个脉冲信号源代替，只是把里面的PULSEDVALUE这项脉冲幅度改为24，如图46。因为开关信号就是个脉冲信号，当开关闭合发出个高电平信号，当开关断开时发出个低电平信号，如图47中的VIN的波形所示图46脉冲信号源参数设置图47仿真波形图如图47所示，由VIN输入电路的脉冲信号是不稳定的，但是VOUT输出的信号时稳定的规则的脉冲信号，因为输入信号流过电容的时，电容对波形整形使之变得规则。2N5551的集电极的电流在5UA35UA的范围内，基极的电流在25UA225UA的范围内，发射极的电流在250UA50UA范围内变化，在这区间2N5551有截止状态转变为导通状态。当2N5551截止时VOUT输出0V的电压值，也就是低电平传给单片机，当2N5551的UBE07V时三极管导通，VOUT输出3V电压值，也就是输出个高电平给单片机。接下来介绍一下电路中最重要的部件2N5551，2N5551是一种NPN型高反压三极管，2N5551的特性是直流电流增益HFE最小值DB80，直流电流增益HFE最大值DB250，集电极发射集最小雪崩电压VCEOV160，集电极最大电流ICMAXA0600，最小电流增益带宽乘积FTMHZ100。因为2N5551是个三极管，下面我们来分析下三极管做开关的电路。二、三极管开关电路的简介三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图48所示，即为三极管电子开关的基本电路图。由图48可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上图48基本的三极管开关输入电压VIN则控制三极管开关的开启OPEN与闭合CLOSED动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当VIN为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止CUTOFF区。同理，当VIN为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区SATURATION。下面简单的说下有关此电路的三极管电路的设计，三极管作为开关的电路分析与改进。1、三极管开关电路的分析设计由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为06伏特，因此欲使三极管截止，VIN必须低于06伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使VIN值低于03伏特。当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使VIN达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压VCC均跨在负载电阻上，如此则VCE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为因此，基极电流最少应为上式表出了IC和IB之间的基本关系，式中的值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流值和直流值之间，有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其VIN值必须够高，以送出超过或等于式1式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，故VIN可由下式来求解一旦基极电压超过或等于式2式所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上，而完成了开关的闭合动作。总而言之，三极管接成图1的电路之后，它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样，而其启闭开关的方式，则可