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单缸四 行程 汽油机 点火 计算机 控制系统 设计

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SY-025-BY-1毕业设计（论文）题目审定表指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计课题适用专业车辆工程课题类型Z 课题简介：（主要内容、意义、现有条件、预期成果及表现形式。）1.主要内容根据本田节能车赛大学组参赛要求, 针对给定发动机设计计算机控制点火系统.完成控制器设计,传感器与执行器选择.有条件对发动机经济性对比测试并进行优化.2.目的及意义 进入二十世纪后期，环境问题日益严重，特别是大气污染问题越来越受到各个国家的重视。电控点火发动机的应用,有效地缓解了这一状况。与传统的机械调节式点火时刻控制系统相比,基于微控制器的电子式控制系统具有及时性好、精确度高、控制灵活等优点。因此,电控点火系统的普及使用不仅有着实际的经济效益，还有着巨大的社会效益。此外，本次设计也是为日后参加Honda节能竞技大赛大学组做准备，针对给定发动机设计计算机控制点火系统。完成控制器设计,传感器与执行器选择。有条件对发动机经济性对比测试并进行优化。Honda节能竞技大赛是一种具有探索性的工程实践活动，不仅可以培养自己学习控制、传感技术、电子、计算机、机械等多学科知识，还能能够培养自己获取知识、应用知识的能力及创新意识。3. 预期成果点火系统模拟平台、控制系统硬件和软件、设计说明书及电路原理图 指导教师签字： 年 月 日教研室意见1选题与专业培养目标的符合度好较好一般较差2对学生能力培养及全面训练的程度好较好一般较差3选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度好较好一般较差4论文选题的理论意义或实际价值好较好一般较差5课题预计工作量较大适中较小6课题预计难易程度较难一般较易 教研室主任签字： 年 月 日系（部）教学指导委员会意见： 负责人签字： 年 月 日注：课题类型填写 W.科研项目；X.生产（社会）实际；Y.实验室建设；Z.其它。SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名张 毅系部汽车工程系专业、班级车辆工程B05-18班指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计一、设计（论文）目的、意义进入二十世纪后期，环境问题日益严重，特别是大气污染问题越来越受到各个国家的重视。据统计，当前我国57%的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，48个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准，82%的城市先后遭到不同程度的酸雨危险。600多个城市中，大气环境质量符合一级标准的不到1%；。这说明我国的城市污染已到了非治理不可的地步了。为此，国家也制定很多政策法规，明确规定不符合排放标准的车辆严禁生产、销售和上牌照，以减少废气污染物排放。电控点火发动机的应用,有效地缓解了这一状况。与传统的机械调节式点火时刻控制系统相比,基于微控制器的电子式控制系统具有及时性好、精确度高、控制灵活等优点。因此,电控点火系统的普及使用不仅有着实际的经济效益，还有着巨大的社会效益。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）主要内容：根据本田节能车赛大学组参赛要求, 针对给定发动机设计计算机控制点火系统.完成控制器设计,传感器与执行器选择。有条件对发动机经济性对比测试并进行优化。具体技术路线如下图：系统硬件设计系统软件设计系统硬件修改系统软件修改最终软硬件确定控制系统具体参数实验修改完成报告，撰写论文初选设计方案三、设计（论文）完成后应提交的成果1) 点火系统模拟平台2) 控制系统硬件和软件3) 设计说明书4) 电路原理图四、设计（论文）进度安排1、第4周(3月23日-3月29日) 根据毕业任务书，广泛搜集资料，查阅国内外关于S12单片机、点火提前角控制策略等相关资料，撰写开题报告；2、第5-9周(3月30日-5月03日) 电控点火系统电路的设计制作，各基础软件的完善，确定控制算法，并初步选定控制算法的控制参数；3、第10周(5月04日-5月10日)论文期中检查，同时整理分析所收集的资料，撰写论文写作提纲；4、第11-14周(5月11日-6月07日) 完善设计并提交指导教师审核；（对影响点火效果的各种因素进行分析，处理。提出论文框架，撰写论文初稿；）5、第15-16周 (6月08日-6月21日)论文整理、修改、定稿，提交论文和相关文件，准备答辩；6、第17周 (6月22日-6月28日)答辩。五、主要参考资料汽油发动机的点火提前角调节装置的研制现研究开发了一种以单片机为核心的、能控制发动机点火提前角的系统。该系统能实现发动机点火提前角的计算与调节。 电控发动机信号模拟设计设计和实现了一个用于电控发动机检测系统中的信号模拟方案。基于摩托罗拉8位单片机的输入捕捉、输出比较功能 ,利用软件技术扩展了24位计数功能,通过滤波处理得到了较为满意的输入信号，经过实验标定验证了系统的精度和实用性。六、备注指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名张 毅系部汽车工程系专业、班级车辆工程B05-18班指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计一、课题研究现状、选题目的和意义1、研究现状：我国的摩托车工业虽然起步较晚，但是自改革开放以来，我国的摩托车行业得到了突飞猛进的发展。从1994年起，我国已经成为世界上第一大摩托车生产国，目前我国的摩托车年产量为1300万辆左右，保有量为5000万辆。如此众多的摩托车必然会带来不容忽视的排放问题和能源问题。为了控制摩托车排放HC、CO和NOX对人体的危害，我国正在建立并且实施相应的排放法规。发动机电控点火技术可以有效降低发动机的排放污染和油耗，大幅提高发动机的性能，因此发动机电控点火技术的应用已成为当今内燃机发展中的主要组成部分。发动机的点火系统经历了以下几个发展时期：1910年，查尔斯凯特林（Charles F.Kettering）发明了机械触点断电式点火系统，并首先应用于美国卡迪拉克（Cadillac）轿车，其结构在此之后的几十年间没有太大变化。这种点火系统有以下固有的缺点：（1）断电器触点易于氧化烧蚀，使点火不可靠。（2）断电器凸轮和顶块的机械磨损将引起点火提前角发生变化，因此需要经常调整。（3）高速时触点的跳振和顶块的运动跟不上凸轮的高速转动，也都影响了点火的可靠性。50年代初期，人们为从根本上克服传统点火系统的这些缺陷，就开始探索用晶体管控制点火系统的工作，即用电子手段来控制点火线圈初级电流的通断。60年代末期，摩托罗拉公司已开始大量生产无触点电子点火系统，完全取消了机械式断电器及其触点。从而避免了凸轮、顶块等机械磨损所带来的问题70年末期，摩托罗拉公司开发并生产了微机控制点火系统，取消了传统的离心式和真空式点火正时调节装置，改由单片机来控制，使发动机随时处于最佳点火正时状态，从而大大改善了排放性能，并降低了油耗。79年，又制成微机控制无分电器点火系统，该系统不仅采用微机控制点火正时，而且选择点火气缸的任务也由微机完成，从而完全取消了机械式分电器。90年代开始，电子点火系统已不再是单一的独立系统，而是作为整个发动机控制系统中的一个子系统，与汽油喷射系统、怠速控制系统、排放净化系统、故障自诊断系统等共同又一台微电脑来集中控制，称之为发动机管理系统（EMS）。至此汽车发动机点火系已发展到较高水平。 我国在发动机电子控制技术方面尤其是电控点火技术方面与发达国家有着比较大的差距，特别是在生产应用方面。而目前，随着各国对排放法规的进一步要求，国际上汽车、摩托车领域的激烈竞争，使得我们迫切需要改进传统的点火技术。本文就是通过软件与硬件的结合，研制了一套单缸四行程汽油机点火计算机控制系统。2、选题目的和意义：进入二十世纪后期，环境问题日益严重，特别是大气污染问题越来越受到各个国家的重视。据统计，当前我国57%的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，48个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准，82%的城市先后遭到不同程度的酸雨危险。600多个城市中，大气环境质量符合一级标准的不到1%；。这说明我国的城市污染已到了非治理不可的地步了。为此，国家也制定很多政策法规，明确规定不符合排放标准的车辆严禁生产、销售和上牌照，以减少废气污染物排放。电控点火发动机的应用,有效地缓解了这一状况。与传统的机械调节式点火时刻控制系统相比,基于微控制器的电子式控制系统具有及时性好、精确度高、控制灵活等优点。因此,电控点火系统的普及使用不仅有着实际的经济效益，还有着巨大的社会效益。此外，本次设计也是为日后参加Honda节能竞技大赛大学组做准备，针对给定发动机设计计算机控制点火系统。完成控制器设计,传感器与执行器选择。有条件对发动机经济性对比测试并进行优化。Honda节能竞技大赛是一种具有探索性的工程实践活动，不仅可以培养自己学习控制、传感技术、电子、计算机、机械等多学科知识，还能能够培养自己获取知识、应用知识的能力及创新意识。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题1、基本内容本文对点火系统的原理进行了分析，确定了控制策略。当发动机运行时，ECU不断地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度等信号，并根据存储器中的有关程序与数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通时间，并以此向点火控制模块发出指令。点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。此外，在带有爆震传感器的点火提前角闭环控制中，ECU还可根据爆震传感器的输入信号来判断发动机的爆震程度，并将点火提前角控制在爆震界限的范围内，使发动机能获得最佳的燃烧。2、解决的主要问题1) 硬件方面电控点火系统的实现方式：目前主要的实现方式有通用单片机（MCS-51等）、PIC单片机和通用可编程DSP芯片等其他大规模数字芯片，需要根据控制目标选择适当的方式。发动机转速与位置传感器选择：电磁感应式、霍尔效应式、光电感应式传感器各有优缺点，需要搭成电路综合比较后才能确定使用哪个。2) 软件方面发动机转速测定算法：转速测定有测频法和测周法两种法案，需要根据本发动机的具体情况进行分析好确定。点火提前角控制：实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角，需要制定一种控制策略来逐个确定各项值，从而最终求出实际点火提前角。3) 电控点火系统应用试验为了验证该系统点火的可行性和实用性，需要进行相关的试验。三、技术路线（研究方法）硬件电路是整个设计的基础，整个系统结构如图1.1所示。波形调理电路单片机驱动电路转速传感器波形调理电路A/D转换爆震传感器点火控制模块节气门开度传感器火花塞水温传感器图1.1 系统硬件方案示意图主要由传感器及信号调理电路、A/ D 转换器、电控单元、点火电路、电源及火花塞等部分组成。各传感器的输出信号经相应调理电路调理、A/ D 转换器转换后,送入单片机。单片机依据一定的控制策略、算法对输入信号运算处理,依据运算结果,在合适时刻给出控制信号。控制信号经驱动电路后,控制点火控制电路工作,通过火花塞最终实现发动机点火。具体技术路线如下图：1.2系统硬件设计系统软件设计系统硬件修改系统软件修改最终软硬件确定控制系统具体参数实验修改完成报告，撰写论文初选设计方案 图1.2 技术路线示意图四、进度安排1、第4周(3月23日-3月29日) 根据毕业任务书，广泛搜集资料，查阅国内外关于S12单片机、点火提前角控制策略等相关资料，撰写开题报告；2、第5-9周(3月30日-5月03日) 电控点火系统电路的设计制作，各基础软件的完善，确定控制算法，并初步选定控制算法的控制参数；3、第10周(5月04日-5月10日)论文期中检查，同时整理分析所收集的资料，撰写论文写作提纲；4、第11-14周(5月11日-6月07日) 完善设计并提交指导教师审核；（对影响点火效果的各种因素进行分析，处理。提出论文框架，撰写论文初稿；）5、第15-16周 (6月08日-6月21日)论文整理、修改、定稿，提交论文和相关文件，准备答辩；6、第17周 (6月22日-6月28日)答辩。五、参考文献1邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法M，北京：清华大学出版社，20042李朝青.单片机原理及接口技术M，北京：北京航空航天大学出版社，20053徐科军.传感器与检测技术M，北京：电子工业出版社，2004.94王威等.HCS12微控制器原理及应用M，北京：北京航空航天大学出版社，2007.105 黄丽雯，陈渝光.高精度汽车电子点火控制系统J，控制系统，20086 王囤.现代汽车点火系统电子点火与微机控制点火M，西安：西安交通大学出版社，1997.10 7 周云山,钟勇.汽车电子控制技术M，北京:机械工业出版社, 20048 孔波，鲍可进，王曦.基与MC9S12芯片的发动机电子点火系统J，微计算机信息，20059 张权.一种基于单片机的汽车电子点火系统的设计J，现代电子技术，200710 卢珞先. 汽车发动机电子点火通用芯片的研究J，汽车电器，200011 葛郢汉.电控发动机点火提前角的控制J，公路与汽运，200612 黎琼，温泉彻，李炳富.一种内燃机试验数字直接点火系的研制J，小型内燃机与摩托车，200613Schnubel，M . Advanced Engine PerformanceM, New York ：Thomsom Learning，200714ATD_16B8C Block User Guide V01.03 S12ECT1688CV1/DM，Motorola Inc15ECT_16B8C Block User Guide V01.03 S12ECT1688CV1/DM，Motorola Inc六、备注指导教师意见：签字： 年 月 日SY-025-BY-5毕业设计（论文）中期检查表填表日期2009年4月24日迄今已进行 8 周剩余 9 周学生姓名张 毅系部汽车工程系专业、班级车辆工程 B05-18指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计学生填写毕业设计（论文）工作进度已完成主要内容待完成主要内容1. 嵌入式系统及点火提前角控制策略等相关资料的查阅。2. 单片机相关控制模块的编程及调试。3. 确定了以查表线性插值为核心的提前角控制策略。4. 基本完成控制程序的编写，并进行了初步调试。1. 电控点火系统电路的设计制作。2. 控制程序的全系统测试。3. 设计说明书的撰写。存在问题及努力方向1. 点火提前角表格的建立。2. 电控点火系统电路的设计制作。学生签字： 指导教师意 见 指导教师签字： 年 月 日教研室意 见教研室主任签字： 年 月 日SY-025-BY-6毕业设计指导教师评分表学生姓名张 毅系部汽车工程系专业、班级车辆工程B05-18班指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程指导教师姓名崔宏耀题目名称单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计序号评 价 项 目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力205计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）106插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）58科学素养、学习态度、纪律表现；毕业论文进度10得 分 X= 评 语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点） 指导教师签字： 年 月 日SY-025-BY-7毕业设计评阅人评分表学生姓名张 毅专业班级车辆工程B05-18班指导教师姓名崔宏耀职称副教授题目单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计序号评 价 项 目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力255计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）156插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）5得 分 Y= 评 语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点） 评阅人签字 ： 年 月 日SY-025-BY-8毕业设计答辩评分表学生姓名张 毅专业班级车辆工程 B05-18班指导教师崔宏耀职 称副教授题目单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计答辩时间月 日 时答辩组成员姓名出席人数序号评 审 指 标满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况，题目难易度、工作量、与实际的结合程度102设计（实验）能力、对实验结果的分析能力、计算能力、综合运用知识能力103应用文献资料、计算机、外文的能力104设计说明书撰写水平、图纸质量，设计的规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）、实用性、科学性和创新性155毕业设计答辩准备情况56毕业设计自述情况207毕业设计答辩回答问题情况30总 分 Z= 答辩过程记录、评语： 答辩组长签字： 年 月 日SY-025-BY-9毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名张毅性别男系部汽车工程系专业车辆工程专业班级B05-18设计（论文）题目单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计指导教师姓名职称指导教师评分（X）评阅教师姓名职称评阅教师评分（Y）答辩组组长职称答辩组评分（Z）毕业设计（论文）成绩百分制五级分制答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）： 系部公章： 年 月 日注：1、指导教师、评阅教师、答辩组评分按百分制填写，毕业设计（论文）成绩百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、评语中应当包括学生毕业设计（论文）选题质量、能力水平、设计（论文）水平、设计（论文）撰写质量、学生在毕业设计（论文）实施或写作过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价。SY-025-BY-10优秀毕业设计（论文）推荐表题 目单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计类别设计学生姓名张毅系、专业、班级汽车工程系 车辆工程B05-18指导教师崔宏耀职 称副教授设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）： 系部公章： 年 月 日备 注： 注：“类别”栏填写毕业论文或毕业设计毕业设计（论文）过程管理材料题 目单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计学生姓名张毅系部名称汽车工程系专业班级车辆工程B05-18指导教师崔宏耀职 称副教授教研室车辆工程起止时间2009年3月-2009年6月教 务 处 制本科学生毕业设计单缸四行程汽油机点火计算机控制系统设计系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程 B05-18班 学生姓名： 张 毅 指导教师： 崔宏耀 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二九年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of The Four-stroke Engine Ignition Computer Control SystemCandidate：Zhang YiSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B05-18Supervisor：Associate Prof. Cui HongyaoHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要为了满足日益严格的排放法规和油耗标准，人们提出了计算机控制点火技术。相比较与其他的点火系统，电控点火系统具有适时性好、响应快、控制点火时刻精确等优点，从而实现有效降低发动机油耗和排放，大幅度提高发动机的性能指标。文中详细介绍了一种适用于单缸四行程汽油机的计算机控点火系统。该系统采用Freescale l6位单片机MC9S12DG128作为控制处理器。当发动机运行时，ECU实时地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度等信号，并根据存储器中的有关程序与数据，确定出该工况最佳点火提前角和初级电路的最佳导通时间，并以此向点火控制模块发出指令。点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。关键词：单缸汽油机；点火；提前角；控制；单片机ABSTRACTIn order to meet the increasingly stringent emission regulations and fuel consumption standards, people made computer-controlled ignition. Electronic ignition control system has a timely, fast response time and more precise control of ignition advantages and can effectively reduce the fuel consumption and emissions of engine, substantial increase in engine performance. This paper describes an application of design of the four-stroke engine ignition computer control system. The system uses Freescale l6-bit chip MC9S12DG128 as the control processor. When the engine is running, ECU continued to collect the engine speed, load, cooling water temperature signal and determine the best advance ignition angle with the program and data in memory, then give directions to the ignition control module. Ignition control module control ignition coil primary circuit conduction or cut-off in accordance with ECU ignition commend.Key words: Single-cylinder engine; ignition; advance angle; Control algorithm；Single-chip目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景及目的意义11.1.1 课题背景11.1.2 目的及意义11.2 发动机点火系统的发展与现状21.2.1 点火系统的发展21.2.2 我国计算机控制点火系统的发展现状21.3 设计的基本内容及拟解决的主要问题31.3.1 基本内容31.3.2 解决的主要问题4第2章 计算机控制点火系统的理论分析及总体设计52.1 点火提前角的提出及对汽油机工作的影响52.1.1 点火提前角的提出52.1.2 点火提前角对汽油机工作的影响62.2 硬件系统的总体设计72.2.1 对计算机控制点火系统设计的基本要求72.2.2 硬件系统的基本组成82.3 软件系统的总体设计102.3.1 软件的需求分析102.3.2 软件的设计过程102.3.3 软件的编制过程102.3.4 软件的测试过程102.4 本章小结10第3章 计算机控制点火系统的硬件设计113.1 微控制器的类型选择113.1.1 51系列单片机简介113.1.2 Freescale系列微控制器简介123.1.3 PIC16F876X系列单片机简介173.1.4各项性能参数比较及类型选则153.2 传感器的选择153.2.1 发动机转速及曲轴位置传感器153.2.2 进气压力传感器163.2.3 温度传感器163.2.4 爆震传感器163.3 光耦合隔离保护电路183.4 本章小结18第4章 计算机控制点火系统的控制内容及其实现194.1 点火提前角的控制194.1.1 点火提前角的控制方式194.1.2 点火提前角控制的基本内容204.1.3 点火提前角的控制过程224.2 闭合角的控制254.3 爆震控制264.3.1 爆震界限和点火提前角的设定264.3.2 爆震控制策略264.4 点火提前角及闭合角控制的实现274.5 本章小结28第5章 计算机控制点火系统的软件设计295.1 嵌入式系统的设计295.1.1 并行I/O接口初始化295.1.2 定时器模块初始化295.1.3 ATD0模块寄存器初始化315.2 软件设计说明335.2.1 程序开始335.2.2 点火提前角脉谱图335.2.3 点火提前角查寻子程序335.2.4点火延迟子程序355.2.5 测速中断程序355.2.6 主程序365.3 本章小结37第6章 系统程序优化及展望386.1 系统开发平台Codewarrior IDE386.2 软件系统编程语言406.3 软件系统程序优化406.3.1 测试方法及结果416.3.2 程序的优化426.4 系统测试展望436.5 本章小结43结论44参考文献45致谢46附录47附录A 英文科技文献47附录B 文献译文53附录C 程序源代码57第1章 绪 论1.1 课题背景及目的意义1.1.1 课题背景我国的摩托车工业虽然起步较晚，但是自改革开放以来，我国的摩托车行业得到了突飞猛进的发展。从1994年起，我国己经成为世界上第一大摩托车生产国，目前我国的摩托车年产量大约为1300万辆左右，保有量约为5000万辆。如此众多的摩托车必然会带来不容忽视的排放问题和能源问题，为了适应日趋严格的关于节能、排放和安全的法规要求，并满足人们对于安全性、舒适性、便利性的追求，在现代发动机上广泛采用了电子控制技术，开拓了电子技术新的应用领域1。在发动机电子控制技术中，其核心便是电控点火技术。一套好的计算机控制点火系统能够极大的提高摩托车或汽车的诸多性能，降低油耗，增强产品的可靠性和竞争力。同时，现代科学技术、微型电子计算机、新材料、新能源的研究开发和应用将给发动机的发展注入新的活力，使发动机更节能、排放更清洁成为可能，尤其是在大规模集成电路技术的推动下所产生的微型计算机以其低价、轻巧、高速、可变等优点己成为发动机技术发展的主要动力之一。1.1.2 目的及意义进入二十世纪后期，环境问题日益严重，特别是大气污染问题越来越受到各个国家的重视。据统计，当前我国57%的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，48个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准，82%的城市先后遭到不同程度的酸雨危险。600多个城市中，大气环境质量符合一级标准的不到1%2。这说明我国的城市污染已到了非治理不可的地步了。为此，国家也制定很多政策法规，明确规定不符合排放标准的车辆严禁生产、销售和上牌照，以减少废气污染物排放。计算机控制点火发动机的应用,有效地缓解了这一状况。与传统的机械调节式点火时刻控制系统相比,基于微控制器的电子式控制系统具有及时性好、精确度高、控制灵活等优点。因此,计算机控制点火系统的普及使用不仅有着实际的经济效益，还有着巨大的社会效益。此外，本次设计也是为日后参加Honda节能竞技大赛大学组做准备，针对给定发动机设计计算机控制点火系统。完成控制器设计,传感器与执行器选择。有条件对发动机经济性对比测试并进行优化。Honda节能竞技大赛是一种具有探索性的工程实践活动，不仅可以培养自己学习控制、传感技术、电子、计算机、机械等多学科知识，还能能够培养自己获取知识、应用知识的能力及创新意识。1.2 发动机点火系统的发展与现状1.2.1 点火系统的发展1910年，查尔斯凯特林（Charles F.Kettering）发明了机械触点断电式点火系统，并首先应用于美国卡迪拉克（Cadillac）轿车，其结构在此之后的几十年间没有太大变化。这种点火系统有以下固有的缺点：（1）断电器触点易于氧化烧蚀，使点火不可靠，因此需要经常维护。（2）断电器凸轮和顶块的机械磨损将引起点火提前角发生变化，因此需要经常调整。（3）高速时触点的跳振和顶块的运动跟不上凸轮的高速转动，也都影响了点火的可靠性。20世纪50年代初期，人们为从根本上克服传统点火系统的这些缺陷，就开始探索用晶体管控制点火系统的工作，即用电子手段来控制点火线圈初级电流的通断。20世纪60年代末期，摩托罗拉公司已开始大量生产无触点电子点火系统，完全取消了机械式断电器及其触点。从而避免了凸轮、顶块等机械磨损所带来的问题。20世纪70年末期，摩托罗拉公司开发并生产了微机控制点火系统，取消了传统的离心式和真空式点火正时调节装置，改由单片机来控制，使发动机随时处于最佳点火正时状态，从而大大改善了排放性能，并降低了油耗。1979年，又制成微机控制无分电器点火系统，该系统不仅采用微机控制点火正时，而且选择点火气缸的任务也由微机完成，从而完全取消了机械式分电器。20世纪90年代开始，电子点火系统已不再是单一的独立系统，而是作为整个发动机控制系统中的一个子系统，与汽油喷射系统、怠速控制系统、排放净化系统、故障自诊断系统等共同又一台微电脑来集中控制，称之为发动机管理系统（EMS）。至此汽车发动机点火系已发展到较高水平。1.2.2 我国计算机控制点火系统的发展现状早在20世纪70年代，国外就已经将单片机技术应用于汽车点火系统的控制并实际装车使用。1986年以来，美国又进一步发展了直接点火系统，即给每缸的火花塞均单独配一只点火线圈，完全取消了分火头和高压线，将高压电传递中的能量损失降到最低程度。进入20世纪90年代，已有半数以上的轿车和部分轻型货车采用了微机控制无分电器点火系统。中国曾在20世纪70年代掀起了有触点半导体辅助点火系统研制与使用之热潮，但由于当时生产的大功率达林顿管耐压未过关，导致该点火系统的使用可靠性较差，因而未能推广使用3。国外早已实现汽油机的电控燃油喷射与电控点火，国内的中小型汽油车辆也于2001年开始被国家强制执行实现电喷与电控点火。摩托车电控技术的研究在国外正日趋成熟，如澳必托、AVL，萨基姆等公司已先后研制开发成功。国内有两个摩托车大公司曾引进应用过，但由于成本过高、无自主知识产权等原因至今尚未形成批量使用。目前，国内外的诸多公司和摩托车企业(包括民营企业)、科研院所都在进行摩托车电控技术研发，相信随着中国传感器技术和微机控制技术的不断进步，摩托车发动机电控点火技术必将在中国得到较大发展。高能无触点电子点火系统的研制开发，曾是国家“八五”规划项目。“八五”期间，长春市汽车电子厂家引进了美国摩托罗拉公司制造许可证，生产了6TS21070型电子点火控制器与磁感应式点火信号发生器配套，用于解放CA1092型载货汽车，长春汽车研究所还自行研制了JFD666型点火器与之配套使用。目前，国内市场上主流摩托车多为化油器式中、低档车型，技术含量低，综合性能差，在激烈的市场竞争中，利润空间己经降到历史最低点。因此，摩托车行业的市场竞争，必然同其它行业一样，由价格战转向技术战，而商技术含量、高附加值的电控点火技术正是市场竞争热点之一。实际上 ，国家经贸委在汽车工业“十五”规划中己经确定了摩托车工业“十五”期间发展重点，就是扩展电控摩托车行业，以满足大、中城市的绿色环保要求，提高摩托车的可靠性和耐久性、低油耗、低排放性能，生产诸如电控车、电动车等环保型产品。而对于发动机及关键零部件的生产，国家经贸委也提出了以环保节能、高可靠性为目标，以满足日益严格的标准、法规等的要求。中国己是世界贸易组织成员，排放控制日趋向国际标准靠近己是不争的事实，开发低油耗、低排放的摩托车和电动车以及在整车上使用电控技术、电喷技术、排气催化转化技术等将成为中国摩托车技术标准向国际标准靠拢的主要措施与技术手段。1.3 设计的基本内容及拟解决的主要问题1.3.1 基本内容我国在发动机电子控制技术方面，尤其是电控点火技术方面与发达国家有着比较大的差距，特别是在生产应用方面。而目前，随着各国对排放法规的进一步要求，国际上汽车、摩托车领域的激烈竞争，使得我们迫切需要改进传统的点火技术。本文就是通过软件与硬件的结合，研制了一套单缸四行程汽油机点火计算机控制系统，并对点火系统的原理进行了分析，确定了控制策略。当发动机运行时，ECU不断地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度等信号，并根据存储器中的有关程序与数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通时间，并以此向点火控制模块发出指令。点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。此外，在带有爆震传感器的点火提前角闭环控制中，ECU还可根据爆震传感器的输入信号来判断发动机的爆震程度，并将点火提前角控制在爆震界限的范围内，使发动机能获得最佳的燃烧。1.3.2 解决的主要问题1、硬件方面（1）计算机控制点火系统的实现方式：目前主要的实现方式有通用单片机（MCS-51等）、PIC单片机和通用可编程DSP芯片等其他大规模数字芯片，需要根据控制目标选择适当的方式。（2）发动机转速与位置传感器选择：电磁感应式、霍尔效应式、光电感应式传感器各有优缺点，需要搭成电路综合比较后才能确定使用哪个。2、软件方面（1）发动机转速测定算法：转速测定有测频法和测周法两种法案，需要根据本发动机的具体情况进行分析好确定。（2）点火提前角控制：实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角，需要制定一种控制策略来逐个确定各项值，从而最终求出实际点火提前角。3、计算机控制点火系统的程序测试为了验证该点火系统的可行性和实用性，需要对相关程序进行测试及优化。第2章 计算机控制点火系统的理论分析及总体设计2.1 点火提前角的提出及对汽油机工作的影响2.1.1 点火提前角的提出点火时刻B C D曲轴转角汽缸压力BCDA在气缸中，从火花塞开始跳火到着火燃烧是需要一定时间的。为了使汽油机能够具有较好的性能，点火就不能在压缩终了时刻进行，而必须有一定的提前，即点火必须在最佳时刻进行。点火的时刻便是用点火提前角来表示的，它是指从火花塞电极间跳火开始，到活塞运行至上止点时的这一段时间内曲轴转过的角度4。点火提前角的大小直接影响到气缸内最高燃烧压力到达的时刻，如图2.1所示。图2.1 汽缸压力与点火时刻的关系而点火时刻，对汽油机的功率及经济性有着重大的影响。若最高燃烧压力点到达过早即点火提前角大，则混合气必然早点火，经过滞燃期后，压力上升线的主要部分处于上止点前，而此时气缸内处于压缩过程，由于其容积不断地缩小使得气缸内的压力升高率较大，最高压力值也较高，如图中B线所示。从而导致压缩过程负功的增长;汽油机各传力零部件承受载荷增加;缸内混合气的温度、压力的增高，最后燃烧的那些混合气产生爆震的倾向也在增加。反之，若最高燃烧压力点到达过迟，则燃烧产物的膨胀比将减小，并使排气温度较高，同时相应燃烧高温时期的传热表面增加，造成较大的热损失，如图中D线所示。而所谓的最佳点火提前角，就是当气缸内的燃烧压力升高率为170240Kpa/，而最高压力点出现在上止点后1015曲轴转角。此时汽油机的动力性和经济性均良好。由于各工况的滞燃期不相同，对于汽油机的每一工况都对应存在一个最佳点火提前角。为了达到这一最佳状态，汽油机通过对点火提前角的调控来达到目的。2.1.2 点火提前角对汽油机工作的影响1、对功率的影响针对每一个固定的工况，即固定的负荷和转速，由于最佳点火提前角在节气门开度不变时，各个转速的滞燃期均变化不大。但随转速的上升，相同滞燃期所占的曲轴转角呈正比增加，所以，高转速下的着火落后角将显著加大。要保证最大燃烧压力点相位大致不变，必定要加大点火提前角。随着点火提前角的增大，功率先期呈增加状态，达到最大值后下降。在转速不变的情况下，当负荷减小时，意味着节气门开度的减小，每循环燃烧的混合气数量也减少。再加上缸内残余废气所占的比例相对增大，对进入的混合气起到稀释作用，气缸壁与燃烧室壁面温度的下降等诸多因素则使滞燃期加长，必须相应使点火提前增大。当最高压力点出现在上止点后1015曲轴转角时，平均有效压力达到最大值5。2、对油耗的影响过量空气系数ge/g/kWh汽油机的油耗与燃烧室的形式、发动机工况、过量空气系数及点火提前角等均有关。如图2.2所示，在部分负荷，转速为2000r/min时，若过量空气系数1.07时，随着点火提前角的增大，油耗不断下降；而当1的条件下，往往也会产生很高的HC排放，这是因为HC还有着淬熄和吸附等其它生成原因。在均质混合气汽油机的过量空气系数范围内，点火提前角增大时，HC排放则随之增大，且几乎成线性关系。随着点火提前角的减小，HC排放也有所降低，因为点火提前角的减小导致后燃的加重和排气温度的上升，使得在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，最终使排出HC量减少。（2）对NOx排放的影响发动机中NOx的生成有三种途径:高温NOx，激发NOx和燃料NOx。在汽油机中激发NOx所占比率很小。而且，在内燃机的常规燃料中，汽油基本不合氮。所以，发动机中产生NOx的途径中，高温NOx是主要来源。在足够的氧浓度条件下，温度越高，反应速度越快，NOx的生成量也就越大。随着点火提前角小于由动力性确定的最佳值，燃烧等容度的降低，最终使最高燃烧温度随着点火的延迟而呈直线下降，导致NOx排放的减少。其次NOx在整个过量空气系数范围内，均随着点火提前角的增大而增大，这也正是燃烧最高温度的增加所致。（3）对CO排放的影响在全负荷工况的过量空气系数范围内，即 0.95 时，点火提前角对CO排放几乎没有影响。可见，点火提前角越大，发动机的排放越恶化，由于CO排放几乎与点火提前角无关。因而可以来用推迟点火的方法来减少HC和NOx排放。但大量研究证明，推迟点火则使发动机的热力循环的等容度减小，最终导致发动机的动力性和经济性恶化5 7。综上所述，点火提前角无论对功率、油耗还是排放都有相当的影响，而这些因素本身又相互影响。同时，影响点火提前角的因素又有很多，如发动机转速、负荷、汽油辛烷值、进气压力、冷却水温等。所以，如何控制点火提前角至最佳值是一个比较复杂的问题。对于传统的机械式点火提前角调节机构有很大的局限性，很难完成这项工作，而本文所介绍的计算机控制点火系统可以充分发挥软件的强大功能，精确的控制点火提前角，将使发动机在各种转速内较准确的达到最佳工作状态。2.2 硬件系统的总体设计2.2.1 对计算机控制点火系统设计的基本要求该系统应达到以下要求：（1） 可靠性高:这是对控制系统的最基本要求。无论是最简单的单回路控制电路，还是拥有强大功能的控制系统，系统可靠性一直是首要的衡量指标，这是由被控制对象的连续操作运行的特性和工业控制现场的恶劣性所决定的。（2）可扩展性好:ECU控制系统可以控制多种不同的信号，处理不同的过程参数。各种被控制信号及被控参数要求各异，同时设备的型号常会更新变换，这就要求控制系统能适应不同设备和各种不同的控制对象的要求，而系统本身作局部调整即可。欲使控制系统达到这样的要求，就必须要求系统部件是标准化和模块化的。（3）环境适应性好:在恶劣的工业环境下，最常遇到的问题是粉尘、辐射、高温以及各种强烈电气干扰。对于一些特殊应用场合，系统还需有防震、防潮、抗冲击等要求。2.2.2 硬件系统的基本组成计算机控制电点火系统的基本组成可分为三部分:传感器部分、控制器部分和执行机构部分。（1）传感器传感器的作用是把代表发动机工况、状态变化的物理参数变成电信号，输送给控制器。一般用于点火系统的传感器有发动机转速传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器、缸体温传感器、爆燃传感器以及蓄电池电压和空调开关等。（2）电子控制单元电子控制单元(ECU)的作用是将传感器送入的电信号进行综合处理，然后输出最佳点火提前角控制信号。ECU是整个控制系统的核心，在其存储器中存储着混合气空燃比的脉谱特性、点火角度的脉谱特性及多种修正参数。发动机运行过程中，控制单元接收来自各个传感器的信号，经计算处理后向执行机构点火器等发出点火指令。图2.3为点火提前角电脑控制框图。电子控制单元各部分的功能简介如下:运算器：用于对数据的算术运算和逻辑运算。控制器：按人们事先编排的程序发出工作程序控制脉冲控制计算机系统的各部自动协调工作。寄存器：用于暂时存储运算器的中间运算数据 ROM只读存储器:用于存储一些固定的信息，工作时只供读取，电源切断时其内部的信息也不会消失。 RAM随机存储器:工作时随时可存入或读取信息，电源切断后，信息随即消失。输入/输出接口:它是CPU与外部传感器和执行机构进行数据传送的纽带，在CPU与外围设备之间起着数据的缓冲、电平和时序的匹配等多种作用。模数转换器:它是将传感器的模拟信号转换成计算机能够识读的数字信号。传感器的信号有模拟信号和脉冲信号两种，模拟信号是一个连续变化的电量，往往用信号电压的幅值来表示信息的量值。如果执行机构是由模拟信号控制的，那么CPU输出的控制信号须经数模转换才能对执行机构起作用。转速传感器爆震传感器节气门开度传感器水温传感器接口A/D转换CPU点火控制模块火花塞接口RAMROM点火线圈图2.3 点火提前角电脑控制框图（3）执行机构电子控制点火执行器的作用是按照ECU输出的控制信号动作，把控制系统参数迅速调整到设定值，使控制系统装置工作在被设定状态.计算机控制点火系统的执行器主要有点火控制器(简称点火器，或称点火功率放大器)、点火线圈、火花塞等。点火控制器的功能主要是进行功率放大，即依照ECU输来的方波信号，控制初级电流的通断。因为ECU进行大电流的输出有困难，所以有必要依靠点火控制器完成功率放大任务。另外，在发动机起动等工况下，传感器信号将经过ECU的后备集成电路提供给点火控制器，由点火控制器单独对初级电流进行控制，以保证发动机顺利起动，此时点火提前角固定不变。此外，点火控制器还根据点火线圈初级绕组的自感电动势向ECU反馈点火系统的工作状况信号，以便ECU进行故障检测和故障自诊断。点火线圈和火花塞的作用同普通电子点火系统。2.3 软件系统的总体设计本设计将软件系统的总体设计分为四个部分，即软件的需求分析、软件的设计过程、软件的编制过程、软件的测试过程。2.3.1 软件的需求分析 需求分析是把本次毕业设计即单缸四冲程汽油机点火计算机控制系统的相关信息和硬件资源加以分析、提炼，最后从功能和性能上加以描述。采用“自顶向下逐层分解”的方式，把复杂的点火控制系统进行合理的逐层分解，直至每个点火子系统能被简单、清楚地表达和理解为止。2.3.2 软件的设计过程 软件设计就是把点火控制过程中的需求变换成软件的具体设计方案的过程。结构化模块设计是根据需求分析导出软件模块，得到软件模块结构，包括模块之间的接口定义。软件设计的成果即软件设计说明书，它主要包括两部分内容：一是模块结构图（指点火控制系统有哪些模块组成），二是模块的功能说明（指系统中每个模块的输入，输出及模块的功能）。2.3.3 软件的编制过程 点火控制软件编制是在软件设计和硬件资源（主要包括ROM、RAM、定时计器/数器、中断源、I/O口等）合理分配的基础上，由程序设计语言把模块结构转换成计算机能接受的形式，即具体的充放电程序编译8。2.3.4 软件的测试过程软件测试是保证软件质量的关键，它是对点火控制需求分析、设计和编码的最后复审。软件测试、纠错和软件的可靠性三者密不可分。测试是企图发现错误；纠错是诊断已发现的错误，并且改正这些错误；可靠性是衡量测试于纠错结果的基准。一系列全面的测试是确保点火控制程序在运行过程中保持高稳定性的有效途径。2.4 本章小结本章首先介绍了点火提前角的概念，及其对汽油机工作的各方面影响。然后介绍了计算机控制点火系统的硬件组成。最后通过软件开发的四个阶段对软件系统的总体设计做了详细的介绍。第3章 计算机控制点火系统的硬件设计3.1 微控制器的类型选择3.1.1 51系列单片机简介MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品，其典型产品有8031、8051和8751等通用产品。一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍然是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍以MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习9。振荡器和时序OSC89C51 CPU程序存储器4KB Flash ROM数据存储器256B RAM2x16位定时计数器/计数器64KB总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口P0 P1 P2 P3地址/数据控制外中断内中断DBUS外部事件计数器图3.1 89C51单片机结构框图有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的典型的代表作，由于MCS-51单片机的影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，即MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。图3.1为51系列中最具代表性的89C51单片机结构框图。3.1.2 Freescale系列微控制器简介飞思卡尔的MC9S12DG128B单片机是68HC12系列单片机的一个产品。68HC12系列单片机是68HC11单片机的代替产品。68CH11单片机自80年代后期以来，在汽车电子、通讯、计算机外设、工业控制、消费类电子产品等诸多领域有着广泛的应用，十余年来，以发展到十余个系列，几十个品种，年产量上亿片。68HC12与68HC11的指令在源码级兼容。68HC12比起68HC11来，在总线速度2-3MHZ提高到8MHZ。增加了一些新的指令，特别是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令。68HC12的基本寻址空间仍为64KB，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到256KB甚至更多。这样做的好处是指令代码短，程序代码效率高。如图2.5为MC9S12DG128B开发板实物。图3.2 MC9S12DG128B开发板实物MC9S12DG128B系统结构大致可以分为MCU核心和MCU外设两部分，对应图3.2中的左右两半边。（1）MCU核心该部分包括MCU的的三种内存（FLASH、RAM、EEPROM）；多电压调整器，包括数字电路和模拟电路电源电压；具有单线背景调试接口（BDM）和运行监视功能的增强S12CPU；程序内存的页面模式控制；具有终端识别、读写控制、工作模式等控制功能的系统综合模块（SIM）；可用于系统扩展的分时复用总线端口，其中A口和B口可作为外扩内存或接口电路的分时复用地址/数据总线，E口的部分口可作为控制总线。（2）MCU外设S12外设部分包括：A/D转换器（ATD0、ATD1），增强型定时与捕捉模块（ECT），串行接口SPI、I2C。CAN、Byteflight等接口是许多微控制器所没有的10。图3.3 MC9S12DG128系统结构图3.1.3 PIC16F876X系列单片机简介目前PIC16F876X系列单片机应用范围非常广泛，国内有众多的仿真器支持该系列单片机，大多数的终端产品公司也大量应用PIC系列单片机作为产品的开发，由于一些知名的软件开发商开发出比较可靠的面向PIC系列的编译器和实时操作系统，在实时操作系统（RTOS）的支持下可开发出可靠性能高、实时性强的较大型程序代码，使得PIC系列单片机在国内成为开发中小嵌入式系统的主选单片机之一。PIC单片机的特点如下： （1）PIC单片机采用精简指令集(RISC)的计算机结构，它只有35个汇编指令，且每一条字长都固定为14位长。采用指令总线和数据总线分开的哈佛(Harvard)双总线结构，避免了瓶颈现象，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用C工SC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。它的CPU分别使用不同字长的总线读取程序存储器、数据存储器以及堆栈，所以它的程序存储器、数据存储器以及堆栈可以灵活设计。 （2）运算速度。可采用020MHZ晶振。一般来讲其运算速度是8051单片机的4倍。因为指令周期时间大多是以工作振荡频率为基础的，再予以分频得到。以标准的8051单片机来讲，它是将工作振荡频率除以12所得，而PIC单片机则是除以4后所得。 （3）两级指令流水线结构。由于PIC系列单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在PIC系列微控制器中取指令和执行指令就采用指令流水线结构。 （4）彻底的保密技术。PIC可提供三级加密及OPT永久不可逆加密，给用户应用软件提供高可靠的保密措施。它以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。当第一条指令被取出后，随即进入执行阶段，这时可能会从某寄存器取数而送至另一寄存器，或从一端口向寄存器传送数等，但数据不会流经程序总线，而只是在数据总线中流动，因此，在这段时间内，程序总线有空，可以同时取出第二条指令。 （5）上电延时器保障VDD稳定建立。振荡定时器保障振荡稳定建立。掉电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以下时，使芯片保持复位，当电源电压恢复正常后，芯片恢复运行。 （6）配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统。（7）PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。3.1.4 各项性能参数比较及类型选则下面就89C51单片机、MC9S12DG128B单片机与PIC16F8767系列单片机的几项参数作了如下比较，如表3.1所示。 表3.1 两款单片机性能对比89C51单片机MC9S12DG128单片机PIC76F876A单片机程序存储器写入方式只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压使用BDM工具将应用程序烧入FALSHFALSH数据存储器抗干扰性外接看门狗计时器单元电路很强较强烧写寿命=1000次=100000次=1000000次编程语言汇编语言汇编语言及C语言汇编语言引脚数目4012840功能寄存器数目较少较多较少封装类型插针式贴片式贴片式市场价格较便宜较贵较便宜通过这三款单片机性能参数的对比表格，我们可以发现89C51单片机和PIC76F876A单片机虽然具有价格上的优势，但其他性能不如MC9S12DG128B单片机。此外，根据我们对该点火系统的可靠性高、扩展性好及环境适应性强的要求，在本设计中选用了飞思卡尔MC9S12DG128B单片机。3.2 传感器的选择3.2.1 发动机转速及曲轴位置传感器 本系统选择光电式传感器作为发动机转速及曲轴位置传感器。它安装在凸轮轴附近，由信号发生器和带齿的信号盘组成。信号盘安装在凸轮轴上，其应有45个齿但缺2个齿，较小的齿隙用以产生Ne转速信号，缺齿部分用以产生点火基准位置信号即汽缸上止点基准的G信号。信号发生器被安装在机体上，主要由发光二极管、光敏二极管和信号放大电路等组成。发光二极管正对着光敏二极管，且以光敏二极管为照射目标。随着凸轮轴的转动，信号盘不断地对光敏二极管进行透光和遮光的交替变化，信号发生器便不断输出表征曲轴位置(或角度)的脉冲信号。当发光二极管的光束照射到光敏二极管时，光敏二极管立即感光并产生电压;当发光二极管的光束被遮挡时，光敏二极管不产生电压。将此电压信号送至电子电路进行放大、整形后，即向电控制单元(ECU)输送Ne信号和上止点基准G信号。因为信号发生器安装位置的关系，上止点基准信号是在活塞行至上止点前60时输出的。亦即发动机凸轮轴每转1圈，则Ne信号发生器输出43个脉冲，每个脉冲周期高电位对应8，低电位亦对应8，共表征曲轴转角720;与此同时，上止点基准信号发生器在各缸压缩上止点前60产生一个脉冲。3.2.2 进气压力传感器进气压力传感器能跟据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力的变化。并转化成压力信号输送到电控单元ECU，作为决定点火提前角的依据之一。本系统选用半导体应片式进气压力传感器，其具有尺寸小、精度高、响应快和再现性、抗震性较好等优点。该传感器由压力转换元件和放大电路组成。压力转换元件是利用半导体压阻效应制成的硅膜片，其一面是真空室，另一面导入进气歧管压力。如图3.4所示，膜片为3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2mm，厚为0.05mm的薄膜，薄膜周围有四个应变电阻，以惠斯顿电桥方式连接。 AVB（电源）VO（输出）GND（搭铁）R1R2R3R4图3.4 半导体应片式进气压力传感器示意电路由于薄膜一侧是真空室，因此薄膜的另一侧即进气歧管的压力越高，硅膜片的变形也越大，其应变与压力成正比，随着在薄膜上的应变电阻的阻值随应变成正比的变化，这样就可利用惠斯顿电桥将硅膜片的变形变成电信号输出。3.2.3 温度传感器温度传感器一般是通过其温度感应元件将被测对象温度的变化转化为电阻值的变化，并最终转变为电压或电流信号向电控制单元ECU输出。汽车电子控制系统中使用的温度传感器有多种形式，根据其结构与工作原理分为热敏式电阻式、线绕式、半导体扩散电阻式、半导体晶体管式、金属芯式和热电偶式等，目前使用最多的是热敏式电阻型温度传感器。这种温度传感器的测量元件是一个高由金属氧化物混合晶体构成的电阻器。该传感器是利用半导体材料的电阻随着温度的变化而改变的特性制成的。热敏式电阻可分为NTC(负温度系数热敏电阻)、PTC(正温度系数热敏电阻)和CTR(电阻突变的热敏电阻)三种，其中NTC较为常见。3.2.4 爆震传感器在发动机上使用的爆震传感器一般采用测机体振动原理来工作的。在机体或缸盖上合适的位置安装振动(加速度)传感器，对爆震压力波引起的机体振动进行测量，对传感器和信号处理识别系统调整其振动频带，使能覆盖发动机爆震时振动的频率，并在爆震时发生振动，给出相应的信号输出。本方法的优点是无需对发动机进行多大加工就可以测得爆震信号，传感器成本低，测量系统维修方便，适合大量生产，测量精度比测燃烧噪声高，因而目前应用最广泛，国外生产的轿车发动机大都装备有这种测量系统。缺点是高转速时信噪比低，难以分辨各缸的爆震，测量结果不能在不同发动机间进行比较，且机体振动也是爆震燃烧的间接信号，测量的灵敏度不够高，测量结果也无法体现缸内压力振荡的真实情况。爆震传感器的安装位置如图3.5所示。爆震传感器信号线发动机机体信号采集传感器外壳与机体绝缘图3.5 爆震传感器的安装位置示意图爆震传感器检测发动机爆震的工作原理是：爆震传感器安放在发动机机体或气缸的不同位置，当发动机发生爆震时，在发动机缸体上产生一定量值的冲击振动，爆震传感器中的压电单元将会在对应的频率处产生相应的冲击峰值，爆震越大，爆震传感器产生的主峰值就越大。爆震传感器通常工作在518 kHz的频率范围。另外爆震测量分直接测量与间接测量。直接测量是在每个气缸内安装压力传感器，测量气缸压力变化，该方法最直接，但成本高昂。间接测量是采用压电振动传感器，测量缸体的振动，该方法简单，传感器便宜且安装方便。考虑到传感器的安装、成本控制等方面的问题，本试验采用间接测量法利用压电式爆震传感器测发动机的振动来实现对发动机爆震的分析，本设计选用SIEMENS VDO 23460-12900爆震传感器。3.3 光耦合隔离保护电路ECU信号输入VCCVCC33010KH30110K点火信号输出238421LM393N图3.6 光耦合隔离保护电路在计算机控制点火系统运行时，电控单元ECU不断向点火器发出点火指令，经过功率放大后，驱动点火线圈工作。为防止点火模块控制电压突变烧毁电控单元，需要在它与点火器之间加入光耦合隔离电路，来对点火指令进行隔离，以保护其不被损坏。在本系统中选用了光耦隔离器H301与运算放大器LM393N作为光耦合隔离保护电路主要组部件，图3.6为光耦合隔离保护电路图。3.4 本章小结 本章主要介绍计算机控制点火系统的硬件设计。首先，在充分考虑到对本控制系统的设计要求的基础上，通过对两种微控制器性能参数的比较，选定MC9S12DG128B单片机作为本次设计的控制核心。然后又对发动机转速及曲轴位置传感器、进气压力传感器、温度传感器和爆震传感器进行了选型。最后详细说明了光耦合隔离保护电路的设计。第4章 计算机控制点火系统的控制内容及其实现4.1 点火提前角的控制4.1.1 点火提前角的控制方式在单片机控制的点火系统中，单片机对点火正时的控制方式有开环控制与闭环控制两大类。开环控制按照预先制定的脉谱来工作，具有实时性强和系统响应速度快的优点，其控制精度依赖于控制脉谱图的测量精度;在开环控制的基础上增加反馈回路可形成闭环控制，闭环控制能够自动修正被控量与设定值之间的偏差，其控制精度较高。当发动机工况变化时，由于开环控制无需进行寻优调节过程，可直接做出控制决策，因而这种方式对于工况不断快速变化的车用发动机尤为适用。在实际应用中，一般都是开环与闭环并用的混合控制方式，而且往往还配有点火提前角的最大值与最小值限制控制，以防止点火提前角失常。（1）开环控制在控制系统中，若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫开环控制。开环控制的基本点火提前是靠预先在台架上用实验方法测得的数据来确定的。实验时，将发动机转速、负荷划分为若干个小区，构成一个转速/负荷的点阵。各交叉点代表了发动机的特殊工况。发动机工作时，转速，节气门开度，进气流量等基本参量通过相关的传感器检测出来，并输入微型计算机，由计算机从其存储器ROM中查找相应的基本点火提前角。再根据冷却液温度等参数，对查出的点火提前角进行修正，得到适应当前工况的最佳点火提前角，并存入随机存储器RAM中，然后利用发动机转速(或转角)信号的曲轴位置信号，将最佳点火提前角转换成点火时刻，即初级电流的切断时刻，微机还要根据电源电压，发动机转速等信号，从其只读存储器ROM中选取适当当前工况的初级电流导通角数据，并换算成初级电流导通时刻。然后以方波的形式发出指令，指挥点火控制器或简单的功率三极管，在所确定的时刻导通和切断点火线圈中的初级电流，使点火系统正常工作。（2）闭环控制闭环控制是一种利用系统本身的调节功能，使系统输出信号对控制产生直接影响，因此闭环控制也叫反馈控制.输入信号和反馈信号之差称为误差信号。误差信号加到控制器上，通过控制调节以减小系统的误差，使系统的输出量趋于所期望的值，亦即通过反馈作用以减少系统的误差。在单片机控制点火系统中，闭环控制所用的反馈信息可以是发动机的爆震信号、转速信号或气缸的压力信号等等，其中最常见的是发动机的爆震信息作为反馈信息，用来控制大负荷工况下的点火正时。在怠速等工况，则常用发动机的转速信号作为反馈信息从而尽可能维护怠速时稳定运转。在中等负荷等工况，则一般采用开环控制方式，此工况下一旦发生爆震，又会自动转入利用爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式。下面以发动机的爆震信息作为反馈信息说明闭环控制:利用发动机爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式中，爆震传感器将发动机的爆震状况反馈给ECU。一旦爆震程度超过了规定的标准，ECU立即指令点火系统推迟点火当爆震程度低于规定的标准时，ECU又会将点火时刻提前。循环调节点火时刻的结果使发动机始终处于临界爆震的工作状态，此工作状态与发动机的技术状况无关。在此工作状态下，可以使发动机获得最大的动力性能，同时经济性能也得到一定程度的改善，污染排放也将有一定程度的下降。其控制原理如图4.1所示。产生爆震减小点火提前角不产生爆震增大点火提前角图4.1 爆震时的闭环反馈控制原理图闭环控制的优点是采用了反馈信息，因而使系统响应对外界干扰和内部系统参数变化很不敏感，这样，对于给定的控制系统，就有可能采用不太精密的、成本低的元器件来完成精确的控制。4.1.2 点火提前角控制的基本内容发动机工作时，微机根据各个传感器的信号计算点火提前角，输出点火定时信号。实际点火提前角包括如下几部分:初始点火提前角、基本点火提前角、修正点火提前角。它们之间的关系是: Q0=Q1+Q2+Q3 （4.1）式中：Q0实际点火提前角；Q1初始点火提前角；Q2基本点火提前角；Q3修正点火提前角。（1）初始点火提前角 曲轴位置传感器信号确定的，未经计算机控制的点火提前角称为初始点火提前角。初始点火提前角又称为固定点火提前角，其值大小取决于发动机的型号和曲轴位置传感器的初始位置，一般为上止点前612。曲轴位置传感器信号与曲轴转角有确定的对应关系，比如，某发动机把G信号后的第一个Ne信号过零点作为点火基准点，该信号过零点为活塞压缩行程上止点前10，那么该发动机点火系统初始点火提前角就是10,不同的发动机其初始点火提前角有所不同。 在下列情况时，实际点火提前角等于初始点火提前角：发动机启动时。发动机启动时，转速变化大，空气流量不稳定，进气量传感器输出的流量信号不稳定，点火提前角不能准确控制，所以采用固定的初始点火提前角进行控制；发动机转速低于400r/min时，原因同；当故障诊断端子对地短路时；当发动机ECU内的后备系统工作时。（2）基本点火提前角转速高高每转进气量由计算机根据发动机的转速和负荷所确定的点火提前角为基本点火提前角。如前所述，特定工况的基本点火提前角是通过实验确定并存在计算机的ROM存储器中的，其它工况是计算机在工作时用插值法计算得到的。图4.2为ECU中存储的点火提前角数据。图4.2 ECU中存储的点火提前角数据基本点火提前角是发动机最主要的点火提前角，是设计微机控制点火系统时确定的点火提前角。由于发动机本身的结构复杂，影响点火的因素很多，理论推导点火提前角的数学模型比较困难，而且很难适应发动机的运行状态。因此，国内外普遍采用台架试验方法，利用发动机最佳运行状态下的实验数据来确定基本点火提前角。首先测试发动机转速与最佳点火提前角的特性，试验时节气门全开(排除真空度的影响)，在每一转速下，逐渐增加点火提前角，直到得到最大功率为止，此时对应的点火提前角即为该转速的最佳点火提前角。用同样的方法测出不同转速下的最佳点火提前角，即可绘出一组转速与最佳点火提前角的特性曲线。然后测试发动机负荷(真空度)与点火提前角的特性，将发动机固定在某一转速，调节真空度的大小，在每一真空度下将点火提前角逐步增加，即可绘一组发动机负荷与最佳点火提前角的特征曲线。综合考虑发动机油耗，扭矩、排放和爆震等因素，对试验结果进行优化处理后，即可获得以转速和负荷为变量的三维点火特性脉谱图。将脉谱图以数据形式存储在ECU的只读存储器ROM中，发动机工作时，微机根据发动机转速信号和负荷信号(由空气流量和节气门位置传感器确定)，即可从ROM中查询出相应的基本点火提前角来控制点火。（3）修正点火提前角计算机根据发动机转速信号和负荷信号以外的有关传感器的信号对点火提前角进行修正的点火提前角称为修正点火提前角。点火提前角的修正项目有多有少，为使实际点火提前角适应发动机的运转状况，以便得到良好的动力性、经济性和排放性能，必须根据相关的因素(冷却液温度、进气温度、开关信号等)适当增大或减小点火提前角，即对点火提前角进行必要的修正11。4.1.3 点火提前角的控制过程一般的点火提前角控制都分为启动时的点火提前角控制和启动后的点火提前角控制。启动后的点火提前角控制可分为基本点火提前角控制和修正点火提前角控制，而修正点火提前角控制的项目有多种(包括暖机修正量、稳定怠速修正量、空燃比反馈修正量、过热修正量、爆震修正量、最大提前和推迟控制和其他)。1、启动时的点火提前角控制启动初始点火提前角控制有关的信号:发动机转速信号（Ne）、曲轴位置信号(G)、点火开关信号(STA)。在启期间，发动机的转速很低(一般发动机转速在l00r/min以下)，此时的发动机负荷信号(进气管压力信号或进气流量信号)不稳定，因此，控制系统将点火提前角固定在初始点火提前角。2、启动后的点火提前角控制 当发动机启动后，点火开关信号STA立即消失，ECU转入启动后点火提前角控制。（1）基本点火提前角控制与基本点火提前角控制有关的信号有节气门位置信号(IDL)、发动机转速信号(Ne)、曲轴位置信号(G)、空调开关信号(A/C)。基本点火提前角由微机根据发动机的负荷(进气管压力或进气流量)信号和发动机速信号从ROM存储器中查出并通过插值法计算得到的。它分为怠速基本点火提前角和正常运转点火提前角，由节气门位置传感器的怠速触点来控制。 怠速触点闭合，发动机处于怠速运转状态，此时微机可根据发动机的转速和空调开关是否接通来确定基本点火提前角，如图4.3所示。接通空调发动机转速基本点火提前角图4.3 怠速时的基本点火提前角 怠速触点断开，发动机处于正常运转状态，微机可根据进气管压力传感器或进气流量传感器)和发动机转速传感器的信号，从ROM存储器上查的有关的点火提前角值，并用插值法计算得到当前转速负荷下的基本点火提前角.如发动机正好为存储单元内的特定工况，则无须插值计算。（2）修正点火提前角控制通过上述方法得到初始点火提前角与基本点火提前角后，再通过修正方可得到最终的用来进行实际控制的最佳点火提前角。点火提前角修正一般分为暖机修正、怠速稳定修正、过热修正及空燃比反馈修正。 暖机修正：发动机冷机启动后其温度还很低因此需适当增大点火提前角，以改善燃油的消耗，加快暖机过程和增强其驱动性能。暖机修正点火提前角随发动机的温度上升而减小，如图4.4所示。 怠速稳定修正：发动机在怠速运行期间，由于发动机负荷变化而使发动机的转速改变。为稳定发动机的转速，应对点火提前角作适当的修正。在怠速运转时，计算机不断地计算发动机的平均转速。当发动机的转速低于所设定的目标转速时，计算机根据其与目标转速的差值大小适当的增大点火提前角；而当发动机的转速高于设定的目标转速时，则适当地减小点火提前角。-40-20020406080100提前角冷却水温度/ 空燃比反馈修正：装有氧传感器的发动机，计算机会根据氧传感器的反馈信号对空燃比进行修正。随着喷油量的减少或增加，会引起发动机的转速在一定的范围内波动。为提高发动机怠速的稳定性，喷油量减少的同时，适当地增大点火提前角。图4.4 暖机修正曲线 过热修正：当发动机的温度过高时，为使发动机能保持正常工作应对点火提前角作适当地修正，当发动机处于正常运行(怠速触点断开)工况时，如果温度过高，发动机易产生爆震。为避免这种情况发生，应适当减小点火提前角。当发动机在怠速工况下运行(怠速触点闭合)时，如果温度过高，应适当增大点火提前角，以避免发动机长时间过热，如图4.5所示。406080100120IDL通IDL断提前角度推迟角度冷却水温度/图4.5 过热修正发动机实际的点火提前角就是上述三项点火提前角之和。当发动机工作时，ECU就会根据所测的参数值确定点火提前角并发出点火信号，并随着发动机的转速和负荷变化进行适时调整。但是当ECU计算出的实际点火提前角超过允许的最大值及最小值范围时，发动机将难以运转。由于在初始点火提前角已被固定的情况下，受ECU控制的部分只是后两部分之和，因此该值应保证在某一允许范围内。当超过此范围是时，则ECU就应已设定的最大和最小点火提前角进行控制。4.2 闭合角的控制闭合角一词来源于传统点火系统，它表示断电器触点闭合期间断电器凸轮转过的角度，该角度实际为初级电路导通期间断电器凸轮或者分电器轴转过的角度，因此又称为导通角。对于电感储能式电子点火系统，当点火线圈初级回路通路时，其初级电流是按指数规律增长的。点火线圈初级电路断开瞬间所能达到的电流值的大小与初级回路的通路时间以及初级电流的增长速率有关。电路导通初期，初级电流增长较快，导通后期，初级电流增长缓慢，且逐渐趋于稳定值。在电子点火器中，设置闭合角可控电路和初级电路电阻控制电路，就是通过控制初级回路的通路时间和初级电流的上升速率，使回路断开时初级电流值在发动机转速和蓄电池电压变化时保持稳定。如果导通时间(闭合角)固定不变，则:（1）发动机转速较低时，初级电路导通时间较长、造成初级电路被切断时，初级电流较大。点火能量较大，但是点火线圈也容易过热而被烧坏。另外，此时初级断电电流往往己经超过所需数值，因此，希望此时闭合角适当减小。（2）当发动机转速较高时，初级电路导通时间缩短，造成初级电路被切断时，初级电流较小，次级电压及点火能量较小，容易造成高速断火现象，因此希望闭合角适当增大。在一些计算机控制点火提前角的系统中，设有通电时间控制功能。导通时间(闭合角)控制的任务由单片机完成，其控制方式就是改变输给点火控制器方波信号的占空比。一般情况下单片机在实施导通时间(闭合角)控制时，不仅要考虑到转速的影响，而且还要考虑到蓄电池电压的影响，根据蓄电池的电压变化来控制点火线圈初级电流的通路时间，以使点火线圈在蓄电池电压变化较大的范围内保持稳定的初级电流。图4.6为蓄电池电压与通电时间的关系。在蓄电池电压高时，点火线圈初级电流的上升速率高，在同样的通路时间情况下，其初级回路断开时的初级电流及点火线圈初级电流的平均值增大，这容易造成点火线圈的温度过高而烧坏，因此，初级回路的通电时间应适当缩短。在蓄电池电压低时，点火线圈初级电压的上升速率也低，这时只有增加初级回路的通路时间才能保证形成足够大的初级电流1215。1020305101520蓄电池电压/V通电时间图4.6 蓄电池电压与通电时间的关系4.3 爆震控制电火花把混合气点燃后，并以火焰传播的方式使混合气燃烧。如果在传播过程中，火焰还未到达时，局部地区混合气就自行着火燃烧，使气流运动速度加快，缸内压力，温度迅速增加，造成瞬间爆燃，这种现象为爆震。为消除爆震，在发动机结构参数已确定的情况下，采用推迟点火提前角是消除爆震及有效又简单的措施之一。4.3.1 爆震界限和点火提前角的设定发动机发出最大制动转矩（MBT）时的点火时刻是在开始产生爆震点火时刻的附近。因此在设定点火提前角时，应比产生爆震时的点火提前角小，要留有一定余量。在无爆震控制发动机中，为了使其在最恶劣的条件下也不产生爆震，点火时刻均设在离开爆震界限，并留有较大余量。此时点火时刻将滞后于MBT的点火提前角，因而使发动机效率下降，输出功率降低，油耗增加，性能恶化。在装有爆震传感器的发动机上能检测到爆震界限，将点火时刻调到接近爆震极限的位置，从而改善发动机性能。4.3.2 爆震控制策略（1）当发动机负荷低于一定值时，通常不出现爆震。因此可将发动机工况按转速和负荷分为两个区域。在不易出现爆震的区域采用开环控制点火提前角，此时点火时刻定为MBT点，并根据有关传感器进行适当修正。在大负荷区域中，ECU检测并分析爆震传感器的电压信号，进行爆震控制。（2）爆震传感器检测到的是缸体表面的振动信号，但此信号也可能是气门的升起和落座或其他震动所造成的。因此，必须将爆震产生的震动和其他震动造成的电压信号区别开，以免对爆震进行误判断。由于爆震通常只是出现在做功行程上止点至上止点后7090CA的曲轴转角范围内，因此在爆震控制系统中设立了一个爆震窗，在这个窗口范围内爆震传感器检测到的电压信号才进行爆震控制处理。（3）爆震程度的大小与爆震的强度和爆震频度有关。爆震强度是指检测到的爆震电压信号与爆震判定基准值的差值。两者差值越大，爆震强度越大。当爆震传感器检测到的电压信号比判定基准值小时，没有出现爆震。爆震频度是指单位时间内爆震出现的次数，即爆震出现的时间间隔。当爆震强度大，爆震频度高时，爆震程度大。当爆震强度小，爆震频度低时，爆震程度小。通常按照爆震程度大小分为若干等级。爆震程度大的，点火提前角推迟角度大；反之，点火提前角推迟角度小。爆震程度大的，不仅推迟的角度大，而且是先快（5 CA），后慢（1 CA），直到爆震消失为止。爆震消失后，又将点火提前角逐步加大，增加的速率也分为快、慢两种。当发动机再次出现爆震时，点火提前角再次推迟，这样的调整过程反复进行。为了保护发动机，通常点火提前角推迟的速率要大于点火提前角增加的速率。4.4 点火提前角及闭合角控制的实现ECU利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合，采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电控制。如图4.6所示，汽缸基准信号的上升沿通过ECU输入捕捉定时器通道触发中断，并以此中断信号作为一个控制周期的开始。将每相邻两基准信号间的时间作为一个控制周期（对应曲轴转角720），控制周期时间等于主计数器的时钟周期与两基准间计数值差的乘积，前者是由ECU预设的常数，记作Tc；后者可通过输入捕捉通道测得，记作NG。若基准脉冲信号的上升沿设置在对应各缸压缩行程上止点前40,且此时的点火提前角为，那么当基准信号出现时，只要再过(40-) 就该进行点火，这一角度被称为点火延迟角，对应的时间被称为点火延时，对应的计数器计数值Nd，同时根据发动机转速Ne信号与Ne转子两齿间度数（共45个齿，两齿间度数为8）计算NG值如下：Nd=(40-)Ne)/8 （4.2）将主计数器的值加上延时计数值Nd后送到本缸点火线圈控制的输出比较通道寄存器中，启动该通道的输出比较功能，并预先规定该通道引脚为低电平。当计数时间到时，该引脚就自动翻转为低电平，点火线圈初级电路断电，从而实现了本缸点火。ECU 的输出比较功能可得到非常精确的时间间隔，并且对用户程序没有额外的负担。同理，在每个控制周期内，为了给即将工作的汽缸进行点火能量的蓄积，还进行了点火线圈初级电路通电的延时计数法控制。如图4.6中所示，初级电路的通电时间要求为ton，则从本缸基准信号出现到下一缸初级电路通电延时所对应的计数值Nt的计算如下：Nt=NG+Nd-ton/Tc (4.3)720 CA40 BTDC点火延时通电延时通电时间图4.6 曲轴位置信号与点火控制4.5 本章小结本章从计算机控制点火系统的两项基本控制内容点火提前角控制和闭合角控制开始，分别说明了它们所需的控制项目和控制的过程。实际点火提前角等于初始点火提前角、基本点火提前角与修正点火提前角之和。闭合角控制用以避免发动机低转速时的点火线圈烧毁和高转速时的断火现象。然后，说明了爆震控制及其策略。最后又详细介绍了点火提前角及闭合角控制的具体实现方法，下面控制软件的编写也将据此展开。第5章 计算机控制点火系统的软件设计5.1 嵌入式系统的设计MC9S12DG128B是由内部存储器、指令系统、并行I/O接口、标准定时模块、增强型捕捉定时模块、模数转换器、串行接口、脉冲宽度调制模块(PWM)、BDLC通信接口和应用系统开发支持模块等组成。在计算机控制点火系统的设计中并没有用到全部的模块。下面将要说明的是在控制系统中所使用到的模块的设置。5.1.1 并行I/O接口初始化MC9S12DG128B的MCU内部集成了PORTA、PORTB、PORTE、PORTAD、PORTP、PORTS、PORTT、PORTDLC/PORTCAN等8个I/O。发动机转速测量和断电控制用的是PORTT，PORTH作为怠速触点通断的检测端口。（1）功能及设置PORTT口可作为普通输入或输出口使用，同时也可作为增强型捕捉定时器（ECT）的输入捕捉或或输出比较引脚。当PPT其中一位至1时，对应引脚的传输方向为输出；默认状态下各引脚为0，传输方向为输入。PT0为转速传感器信号输入端口，设置为0。PT1为断电输出，设置为1。H口也是一个具有第二功能的通用输入/输出口,在本系统中仅作普通输入口使用，PTH0设置为0。（2）接口的访问当处于通用I/O状态时，读操作将返回输入引脚的逻辑值，对于输出引脚将返回内部锁存器的值；写操作将输出值送到内部锁存器，同时更新输出引脚状态，但不影响输入引脚。5.1.2 定时器模块初始化计算机控制点火系统的控制内容点火提前角和闭合角的调整，主要依靠MCU增强型定时器模块（Enhanced Capture Timer Module，ECT）中的输入捕捉和输出比较功能的配合来实现，这是本系统功能实现的核心16。S12系列单片机的定时器模块是在HC12的标准定时器模块（Standard Timer Module，TIM）基础上增加了一些新的功能，扩大了应用范围上发展而来的，因此S12的定时器模块称为增强型定时器模块。S12增强型定时器模块ECT具有如下特点：（1）4个具有16位缓冲寄存器的输入捕捉通道；（2）4个8位脉冲累加器可以通过级联形成2个16位脉冲累加器；（3）1个具有4位于分频器的16位递减模数计数器；（4）4个可选的延迟计数器用来增强输入抗干扰能力。1、输入捕捉模块（Input Capture,IC） 在计算机控制点火系统中，要不断的对发动机转速进行检测，所以在程序中引入了输入捕捉模块。输入捕捉是通过捕获自由运行计数器来监视外部事件，对转速传感器的脉冲信号进行测量。S12的ECT具有8个输入捕捉通道，可以通过设置TIOS寄存器的IOSx位选择输入捕捉功能。（1）定时器控制寄存器TCTL3、TCTL4 TCTL3、TCTL4设定IC逻辑响应引脚的各种动作，各控制位作用如表5.1所示。表5.1 输入捕捉边沿检测电路设置EDGnBEDGnA边沿检测器工作方式EDGnBEDGnA边沿检测器工作方式00捕捉禁止10捕捉下降沿01捕捉上升沿11上升、下降沿均捕捉（2）定时器中断标志寄存器1TFLG1TFLG1对应8个IC/OC通道，当寄存器的某一位为1时，表明该通道有中断事件发生。清除中断寄存器的标志位是向CnF写1.CnF：IC/OC通道n中断标志。0：上次清除标志以来，IC/OC通道没有中断事件发生；1：IC/OC通道有中断事件发生。2、输出比较模块(Output Compare,OC)当电控单元ECU根据发动机的工况计算出点火延迟角时，要向点火器发出点火指令，因此在程序中引入了输出比较模块，从而实现点火初级线圈电流的通断。S12MCU输出比较的作用是产生输出动作或定时器事件，该动作或事件与自由运行计数器同步。它由16位比较器TCn和自由运行计数器TCNT组成。当定时器通道配置成输出比较方式时，16位比较寄存器的值与定时器通道寄存器的值相比较，若两值相等，会在该通道的引脚上输出预设的电平。若要产生一个硬件的定时中断，只要设置中断标志位1（CnF=1）,允许输出比较中断即可16。（1）定时器模块控制寄存器1TSCR1TEN：使用IC/OC功能必须将TEN置位。0：定时器（计数器）禁止，可降低功耗；1：定时器时能。（2）定时器模块控制寄存器2TSCR2TOI：定时器溢出中断时能位。决定核心定时器溢出，即TOF 置1时是否发出中断请求。0：禁止定时器溢出中断；1：TOF置1时申请硬件中断。TCRE：定时计数器复位允许位。0：计数器自由运行，禁止复位；1：当OC7比较成功时复位计数器。PR2PR0：预分频器选择位。预分频系数如表5.1所示。（3）定时器中断使能寄存器TIECnI：输入捕捉或输出比较相应通道的中断使能。0：输入捕捉或输出比较相应通道的中断屏蔽；1：输入捕捉或输出比较相应通道的中断使能。PR2PR0：预分频器选择位。预分频系数如表5.2所示。表5.2 预分频系数表PR2PR0000001010011100101110111预分频系数123481632128（4）定时器控制寄存器TCTL1、TCTL2TCTL1、TCTL2设定各个OC通道匹配时的动作，包括切断OC与输出引脚的联系。各控制位作用如表5.3所示。表5.3 输出比较动作设置OMnOLn动作OMnOLn动作00定时器与输出引脚断开10输出清零01输出翻转11输出置15.1.3 ATD0模块寄存器初始化在点火提前角和闭合角的控制中需要将当前的进气歧管压力和冷却水温度输入给单片机，而输入信号的形式便是检测电阻电压的AD值，因此AD转换模块是该系统中十分重要的一部分。由于ATD0模块控制位较多，因此这里只将在本设计中用到的相关寄存器做一下简单的介绍17。（1）ATD0控制寄存器2ATD0CTL2ATD0CTL2主要控制ATD0的启动、状态标志以及上电模式。该寄存器用于启动ATD0、触发及控制ATD0中断。对该寄存器进行写操作时，将终止当前的转换过程。ASCIE：ATD转换序列转换结束中断使能控制位。用以控制ATD转换结束后是否发生中断。0：禁止ATD中断；1：ATD转换序列转化结束时允许发生中断。（2）ATD0控制寄存器3ATD0CTL3ATD0CTL3用于控制结果寄存器的映射，设置转换序列长度，还可以暂时冻结ATD0模块，尤其是确定ATD0在BDM状态下的行为。些该寄存器将终止当前的转换序列FIFO：结果寄存器FIFO模式控制位。即A/D转换结果是否映射到转换序列。0：结果寄存器没用映射到转换序列；1：结果寄存器映射到转换序列。（3）ATD0控制寄存器4ATD0CTL4ATD0CTL4用于选择时钟，选择采样转换时间即选择8位/10位转换方式，对其进行写操作将开始一个新的转换，如果在转换过程中对该寄存器进行写操作，将使ATD转换终止，一直到对ATD0CTL5进行写操作为止。A/D时钟计算公式为： (5.1)（4）ATD0控制寄存器5ATD0CTL5ATD0CTL5用于选择转换方式，选择转换通道，设置单/多通道转换和单次/连续转换模式以及选择对齐方式。写寄存器ATD0CTL5将会启动一次新的转换，如果写该寄存器时ATD正在进行转换，转换操作将被中止。MULT：单/多通道A/D转换选择控制位。0：单通道A/D转换，无论用哪个通道进行A/D转换，转换结果都存放在ATD0CTL0中；1：多通道A/D转换。SCAN：单次/连续A/D转换模式选择控制位。0：单次A/D转换模式选择控制位；1：连续A/D转换模式。DJM：转换结果对齐方式控制位。0：左对齐；1：右对齐。5.2 软件设计说明 计算机控制点火系统的控制程序由八个部分组成，它们分别是点火提前角脉谱图、点火提前角查寻子程序、点火延迟子程序、闭合角控制子程序、A/D初始化子程序、ECT初始化子程序、测速中断程序及主程序。5.2.1 程序开始软件开始是头文件的调用。#include /*共同性定义和宏指令*/#include /* 衍生工具信息 */5.2.2 点火提前角脉谱图 在计算机控制点火系统运行时，点火提前角及其修正值是通过查询脉谱图得到的。本系统将点火提前角及修正脉谱图以结构体数组的形式储存在MCU的只读存储器中。 C语言把在一个组合项中包含若干个类型不同数据项的数据结构称为结构体，而用这种数据结构组成的数值就是结构体数组。怠速时的基本点火提前角的脉谱图如下，除此之外还有怠速过热修正脉谱图、暖机修正脉谱图、正常行驶时的基本点火提前角的脉谱图等。由于试验条件有限，未能对特征点火提前角进行实际测试，但程序为日后升级留有余地，只需将点火提前角参数填入相应位置即可。struct idlebasicint line; /转速unsigned long value;/怠速基本提前角值 idbangle16=400,40000,1000,60000,1500,80000,2000,100000, 2500,120000, 3000,130000,3500,140000,4000,150000, 4500,158000, 5000,166000,5500,174000,6000,182000, 6500,190000,7000,195000,7500,200000,8000,202000;/共16个特征点5.2.3 点火提前角查寻子程序 发动机运行时，ECU不断根据当前的工况查寻点火提前角脉谱图，而脉谱图中只存储了一些特殊工况的点火提前角的信息，因此其他工况时的提前角需要按照线性插值法计算出来。查寻操作的算法主要有顺序查寻、二分法查寻、插值查寻和分块查寻等。考虑到对计算机控制点火系统的要求以及对ECU资源的占用情况，本系统最终选择了二分法查寻算法。该查寻算法是一个表的记录已按关键码值有序排列，可以利用不成功的查找来提高查找的速度。假设数据的内容为Data0到Datan，则middle=n/2，左边界left=0,右边界right=n。（1）若Key Value小于Datamiddle，则left=left，right=middle-1，middle=（left+right）/2。（2）若Key Value大于Datamiddle，则left= middle-1，right=right，middle=（left+right）/2。（3）若Key Value等于Datamiddle，则表示已经找到。否则重复执行上述3步，直到left=right时结束。程序流程如图5.1所示。开始middle=n/2，left=0，right=nKeyValue= DatamiddleKeyValue Datamiddleleft= middle-1, right=right, middle=（left+right）/2YYNNleft= left, right=middle-1, middle=（left+right）/2KeyValue= Datamiddle结束Left=rightYN图5.1 点火提前角子程序流程图插值法分为线性插值和抛物线插值等，考虑到S12的处理能力，本设计选择了线性插值法，运用该算法可以快速推算出其他工况时的点火提前角。若y=P1(x)表示通过（x0，y0），（x1，y1）两点的直线，则 P1(x)=y0+(y1y0)(x-x0)/(x1- x0) （5.2）5.2.4 点火延迟子程序 点火延迟控制是通过ECT的输出比较功能实现的，其子程序段如下：void iangle_control()TFLG1=0x01; /清除标志c=TCNT;TC1=c+delay_conter;TCTL2=0X08;/输出清零/TIE_C1I=1; /使能1口5.2.5 测速中断程序 本系统测速程序是利用ECT的输入捕捉功能，通过捕捉速度传感器两次高电平脉冲间的时间差实来现的。除此之外，对点火延迟程序的触发也是通过识别信号盘上的缺口来执行的。测速程序流程如图5.2所示。产生速度捕捉中断读取TCNT的值stop_counter=TC2error_counter0=stop_counter-start_countererror_counter0 2*error_counter1AverageSpeed= error_counter0结束点火延迟子程序YN图5.2 测速程序流程图5.2.6 主程序 计算机控制点火系统运行时，根据当前发动机的转速、负荷、温度及怠速开关通断的工况，对提前角进行控制。图5.3为主程序流程图。开始初始化A/D及ECT模块寄存器rotate_speed=Hotmp过热修正初始+基本+修正查寻怠速脉谱图Temp=wam暖机修正初始+基本+修正初始点火提前角输出YYYYNNNN图5.3 主程序流程图主程序段如下：ATD0CTL5=0xB0; /开启多通道连续转换while(!ATD0STAT1_CCF0)|(!ATD0STAT1_CCF1);/等待转换完成Temp=ATD0DR0L; load=ATD0DR1L;/*-启动-*/if(rotate_speedMIN_speed)advance_angle=100000;/*-怠速-*/else if(PTH_PTH0=1) select_idlebasic();if(Temp=Hot_temp) select_idlehot();select_idlestable();advance_angle=init_angle+basic_angle+revise_angle; /*-正常-*/else select_basic();if(Temp=Hot_temp) select_hotrevise();advance_angle=init_angle+basic_angle+revise_angle;/*-*/if(advance_angle=MAX_angle) advance_angle=MAX_angle;else if(advance_angle=MIN_angle) advance_angle=MIN_angle;delay_conter=(600000-advance_angle)*AverageSpeed/angle;5.3 本章小结 本章主要是对控制系统软件进行描述。首先说明了本次软件设计所需的各功能模块，其中包括并行I/O口，A/D 转换模块、输入捕捉及输出比较模块。然后对本软件系统各个部分进行了说明。其由八个部分组成，它们分别是点火提前角脉谱图、点火提前角查寻子程序、点火延迟子程序、闭合角控制子程序、A/D初始化子程序、ECT初始化子程序、测速中断程序及主程序。下一章将对软件系统的优化详细说明。第6章 系统程序优化及展望6.1 系统开发平台Codewarrior IDE实际编写软件时采用Codewarrior IDE程序编译软件。CodeWarrior for S12 是面向以MC12或S12为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、链接器以及调试器。在Codewarrior软件中可以使用汇编语言或C语言，以及两种语言的混合编程。Codewarrior IDE能够自动检查代码中的语法错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，以找到并减少明显的错误，然后编译、链接程序以便计算机能够理解和执行程序。每个应用程序都经过了像Codeworrior IDE这样的开发工具进行编辑、编译、链接和调试的过程。Codewarrior界面视图如图6.1所示。图6.1Codewarrior视图在使用Codewarrior软件时按照使用步骤操作即可。需要注意的是如果需要进行浮点运算时需要在建立文件时选择支持浮点运算的选项，否则程序在进行浮点运算时会出现错误。 可以利用监控程序下载用户程序监控程序(Monitor)的主要功能是对应用系统硬件及底层软件进行调试，也称为Debug程序，是最基本的调试工具。MC9S12DG128的RAM有8K，而监控程序源代码占用不到3KFLASH，占用23字节RAM。这对用户程序的空间影响并不大。异步串行口是要用来做与PC通讯服务的，监控程序可以用，应用程序当然也可以使用。对于M68HC12系列产品，Freescale提供了方便廉价的开发工具。首先需要把D-BUG12 监控调试程序下载到芯片的FLASH 上，然后就可以利用片内的串行口与PC实现通信，借助监控程序调试应用程序。将监控程序下载到片内FLASH 的过程是通过Motorola公司提供的BDM工具实现的，监控程序是单片机上自带的,且不可以擦除。目标板应用的是清华大学所提供的，但是也可以自己设计。设计时已经留出了BDM接口的插座。MC9S12DG128这个芯片是112条引脚表面贴装的芯片。印制电路板(PCB)加工好以后，将MCU(单片机)直接焊接到目标板上。并且焊上合适的晶振、时钟相关电路和RS-232驱动电路。借助BDM工具，将DEBUG(调试)程序烧入FLASH 以后，就可以通过串行口调试了。当应用程序调试好了以后，用BDM工具将FLASH中的DEBUG擦除，再将应用程序用BDM工具烧入FALSH，这样便烧录成功了。BDM工具如图6.2所示。图6.2 BDM实物图而使用BDM时需要注意的是单片机、PC和BDM之间的连接顺序，首先要将BDM与单片机连接到一起，然后再接通单片机的电源，最后将BDM和PC连接到一起。如果连接顺序有错误的话，那么在PC和单片机进行通讯时容易出现错误。这样的话需要将连接断开重新接入。断开连接的顺序和连接顺序正好相反，先断开PC和BDM的连接，然后断开单片机的电源，最后断开BDM和单片机的连接。如果不按规定步骤断开连接，容易使单片机丢失数据。6.2 软件系统编程语言本软件系统采用C语言编写。C语言是国际上广泛流行的，很有发展前途的计算机高级语言。它适合作为系统描述语言，既可用来编写系统软件，也可用来写应用软件。C语言之所以能够存在和发展，并具有生命力，与其他语言相比，C语言的主要特点如下：（1）语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。C语言一共只有32个关键字，9种控制语句。程序书写形式自由，主要用小写字母表示，压缩了一切不必要的成分。（2）运算符丰富。C的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。C把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理，从而使C的运算类型及其丰富，表达式类型多样化。灵活运用各种运算符可以实现在其他高级语言中难以实现的运算。（3）数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。C的数据类型有整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的复杂结构运算，尤其是指针类型数据，使用起来更为灵活、多样。（4）具有结构化的控制语句。用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化。C是理想的结构化语言，符合现代编程风格的要求。（5）语法限制不太严格，程序设计自由度大。例如对数组下标越界不做检查，由程序编写者自己保证的程序的正确。对变量的类型使用比较灵活，例如整型变量与字符型数据以及逻辑型数据可以通用。（6）C语言允许直接访问物理地址，能进行位(bit)操作，能够实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。因此，C既有高级语言的功能，又有低级语言的许多功能，可用来写系统软件，C语言的这种双重性，使它既是成功的系统描述语言，又是通用的程序设计语言。基于以上的优点，与汇编和其他语言相比，决定选择C语言做为编程语言。6.3 软件系统程序优化系统在进行非特征工况的点火提前角控制时，需要根据其两侧的特征工况点做线性插值计算，因此涉及到了对浮点数的运算问题。MC9S12DG128单片机可以对64位的双精度或32位的单精度以内的浮点数进行处理，图6.3为对其进行设置时的操作界面。由于S12单片机的总线频率只有8MHz，所以在进行浮点运算时需要占用较大的片内资源，耗用较长的时间。考虑到提前角控制的实时性要求，需要对该部分程序段进行测试，以保证提前角控制的精准。图6.3 浮点数设置操作界面6.3.1 测试方法及结果 由于浮点运算所占的绝对时间很短，所以测量是通过对自由运行计时器先后两次进行读取后再求差得到的。S12的核心是一个16位自由运行计数器，所有输入捕捉和输出比较功能的计时信息都来源于该计数器。当定时器系统启动时，通过设置TSCR1的TEN位为1，计数器可以从$0000开始，并且通常情况下每个模块时钟脉冲加1.计数器从$0000数到$FFFF，然后自动溢出为$0000并继续计数。测试程序如下：Void main(woid)Unsigned int start_time;Unsigned int stop_time;Unsigned int Time;TSCR2=0x02; /时钟=8MHz Clock/4=2MHz TFLG1=0xFF; /写1清除标志,其实是让寄存器中的值变成0TSCR1=0x80; /使能定时器start_time= TCNT;stop_time= TCNT;Time= start_time-stop_time；基本点火提前角脉谱图的转速范围为4008000RPM，在其中选择6个非特征转速作为试验点进行测试，测试结果如表6.1所示。表6.1 浮点运算测试结果测试转速（RPM）点火提前角（度）所占脉冲周期数（个）7505.16763816008.400672330013.600672540017.240665680019.300687720019.700688 通过对表6.1的分析可知，MC9S12DG128单片机在进行浮点运算时，需要耗费670多个脉冲周期才能完成差值计算。这样便占用了大量的片内资源，使系统其他控制部分不能正常运行，因此应对该段程序进行优化。6.3.2 程序的优化 通过试验可知只要避免对浮点数进行运算就可以解决问题。所以可以将脉谱图中的点火提前角放大10n倍后再进行插值运算，从而缩短运算时间和片内资源占用，本系统中放大了104倍。优化后的测试结果如表6.2所示。表6.2 优化后测试结果测试转速（RPM）点火提前角（度）所占脉冲周期数（个）750516674016008400041330013600040540017240039680019300042720019700041 通过表6.1和表6.2的对比可以清楚地看出优化后的程序已经符合要求，节省了大量片内资源。优化后的脉谱图程序段如下：struct idlebasicint line; /转速unsigned long value;/怠速基本提前角值 idbangle16=400,40000,1000,60000,1500,80000,2000,100000, 2500,120000, 3000,130000,3500,140000,4000,150000, 4500,158000, 5000,166000,5500,174000,6000,182000, 6500,190000,7000,195000,7500,200000,8000,202000;/共16个特征点6.4 系统测试展望由于试验条件有限，该系统最后并未装车试验。因此需要对今后的试验研究进行展望。为了测试该计算机控制点火系统的性能及其稳定和可靠性，我们要求必须测试如下一些参数： （1）连续发火转速范围； （2）点火提前角； （3）点火系统匹配试验； （4）开路试验；（5）超速试验 试验设备可以选择C120型磁电机试验装置作为测试系统。它由运转台和控制柜两部分组成。其中运转台主要由调速电机、轴承座、点火角度测量装置、测速传感器组成，控制柜主要由变频器数字转速表、交流电压表、直流电压表组成。另外，本试验还需要磁电机、示波器及试验用电路板等。为了满足对连续发火转速范围的测试，应分别在低速、中速和高速三个部分测试多组数据然后进行分析，从而得出试验结论。6.5 本章小结 本章主要是对线性插值计算的程序段进行了优化。首先介绍在系统开发过程中所使用的软件开发工具Codewarrior IDE，然后将编辑好的软件通过BDM烧录到单片机中，而实际使用中所用的编程语言是C语言。由于浮点运算非常占用片内资源，所以采用将脉谱图中的点火提前角扩大整数倍再计算的方式，从而使程序的到了优化。结 论本文主要的研究内容是单缸四冲程汽油机的计算机控制点火系统。文章从该课题对环境保护的意义及其发展现状入手，在三个多月的时间里，分别完成了系统的总体设计、控制核心与传感器选型、控制策略确定、软件设计及程序优化。主要取得了以下几方面的成果：（1）在控制核心的选择上，分别从抗干扰性、编程语言种类、片内资源、处理能力及经济性等几个方面，对89C51单片机与飞思卡尔MC9S12DG128B单片机进行了详细的比较，并综合考虑到本系统的设计要求，最终选择了飞思卡尔MC9S12DG128B单片机最为本控制系统的微控制器。（2）在传感器的选择上，综合考虑了各种传感器的特性及优缺点，选择了最佳的方案，使得点火更顺畅，系统结构也更简洁。 （3）在计算机控制点火的实现方式上，本系统利用S12增强型定时器（ECT）的输入捕捉与输出比较功能的相配合，采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电控制。同时通过延时计数时长实现了点火提前角与闭合角控制功能。 （4）S12的处理能力有限，尤其在对浮点数进行运算时，这方面的劣势更为突出。因此在对点火提前角进行线性插值运算时，采用扩大整数倍的方式以避免进行浮点运算，从而缩短了运算时间，使程序得到了进一步优化。虽然在尽力的完善该控制系统的性能和稳定性，但由于时间有限，仍然存有一些不足，如在对闭合角的控制和可靠性上仍有欠缺之处，这是今后研究的重点，也是努力的方向。参考文献1刘朝红.现代汽车电子控制技术的应用和展望J.本溪冶金高等专科学校学报，1999（4）.2欧阳涛.国内外排放污染与法规简介J.摩托车技术，2004（10）.3魏雨光.汽车电子点火系统的发展和国内装车情况N.电子科技导报,2005(10).4刘峥等.汽车发动机原理M.北京:清华大学出版社，2006.5蒋德明.内燃机燃烧与排放学M.西安:西安交通大学出版社，2004.6毛永华.摩托车汽油机点火提前角的影响因素及确定J.山东内燃机，2007(3).7王晓薇等.点火提前角优化对汽油机工作的影响J.移动电源与车辆，2005(2).8张毅刚,彭喜源,谭晓昀,曲春波.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2004.9张毅坤.单片微型计算机原理及应用M.陕西：西安电子科技大学出版社,2006.10王威等.HCS12微控制器原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.1011麻友良,丁卫东.汽车电器与电子控制系统M.北京:机械工业出版社，2005.8.12徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2004.13王囤.现代汽车点火系统电子点火与微机控制点火M，西安：西安交通大学出版社，2004.1014张权.一种基于单片机的汽车电子点火系统的设计J，现代电子技术，200715Schnubel，M . Advanced Engine PerformanceM.New York ：Thomsom Learning，2007.16Freescale.ATD_16B8C Block User Guide V01.03 S12ECT1688CV1/DM，Motorola Inc.17 Freescale.ECT_16B8C Block User Guide V01.03 S12ECT1688CV1/DM，Motorola Inc.致 谢经过这段时间的不懈努力，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，能力所限，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有崔老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想必要完成这个设计是不容易的。 本设计是在崔宏耀导师的悉心指导下完成的。导师的严格要求和谆谆教导让我受益匪浅，导师渊博的学识、严谨的治学态度、高屋建瓴的远见卓识以及献身科研的精神使我终生难忘。这些对我今后的工作和学习有莫大的帮助，在此我向导师致以深深的谢意!此外，我也得到了张如、刘亚利、韩勇、徐永明等同学的大力帮助和热情支持，让我在设计的完成过程中感到顺心顺利，此情此谊终生难忘。在此向他们表示衷心的感谢!通过四年的本科学习和设计的完成过程，我本人的综合素质得到了很大的提高，在此再次向培养过我的老师、帮助过我的同学以及所有关心我的人表示衷心的感谢!附 录附录A 英文科技文献 The automotive Ignition SystemThere are many different types of ignition systems. Most of these systems can be placed into one of three distinct groups: the conventional breaker point type ignition systems (in use since the early 1900s); the electronic ignition systems (popular since the mid 70s); and the distributorless ignition system (introduced in the mid 80s). The automotive ignition system has two basic functions: it must control the spark and timing of the spark plug firing to match varying engine requirements, and it must increase battery voltage to a point where it will overcome the resistance offered by the spark plug gap and fire the plug. 1 Overview of ignition system 1.1 Point-type ignition systemAn automotive ignition system is divided into two electrical circuits - the primary and secondary circuits. The primary circuit carries low voltage. This circuit operates only on battery current and is controlled by the breaker points and the ignition switch. The secondary circuit consists of the secondary windings in the coil, the high tension lead between the distributor and the coil (commonly called the coil wire) on external coil distributors, the distributor cap, the distributor rotor, the spark plug leads and the spark plugs. The distributor is the controlling element of the system. It switches the primary current on and off and distributes the current to the proper spark plug each time a spark is needed. The distributor is a stationary housing surrounding a rotating shaft. The shaft is driven at one-half engine speed by the engines camshaft through the distributor drive gears. A cam near the top of the distributor shaft has one lobe for each cylinder of the engine. The cam operates the contact points, which are mounted on a plate within the distributor housing. A rotor is attached to the top of the distributor shaft. When the distributor cap is in place, a spring-loaded piece of metal in the center of the cap makes contact with a metal strip on top of the rotor. The outer end of the rotor passes very close to the contacts connected to the spark plug leads around the outside of the distributor cap. The coil is the heart of the ignition system. Essentially, it is nothing more than a transformer which takes the relatively low voltage (12 volts) available from the battery and increases it to a point where it will fire the spark plug as much as 40,000 volts. The term coil is perhaps a misnomer since there are actually two coils of wire wound about an iron core. These coils are insulated from each other and the whole assembly is enclosed in an oil-filled case. The primary coil, which consists of relatively few turns of heavy wire, is connected to the two primary terminals located on top of the coil. The secondary coil consists of many turns of fine wire. It is connected to the high-tension connection on top of the coil (the tower into which the coil wire from the distributor is plugged). Under normal operating conditions, power from the battery is fed through a resistor or resistance wire to the primary circuit of the coil and is then grounded through the ignition points in the distributor (the points are closed). Energizing the coil primary circuit with battery voltage produces current flow through the primary windings, which induces a very large, intense magnetic field. This magnetic field remains as long as current flows and the points remain closed. As the distributor cam rotates, the points are pushed apart, breaking the primary circuit and stopping the flow of current. Interrupting the flow of primary current causes the magnetic field to collapse. Just as current flowing through a wire produces a magnetic field, moving a magnetic field across a wire will produce a current. As the magnetic field collapses, its lines of force cross the secondary windings, inducing a current in them. Since there are many more turns of wire in the secondary windings, the voltage from the primary windings is magnified considerably up to 40,000 volts. The voltage from the coil secondary windings flows through the coil high-tension lead to the center of the distributor cap, where it is distributed by the rotor to one of the outer terminals in the cap. From there, it flows through the spark plug lead to the spark plug. This process occurs in a split second and is repeated every time the points open and close, which is up to 1500 times a minute in a 4-cylinder engine at idle. To prevent the high voltage from burning the points, a condenser is installed in the circuit. It absorbs some of the force of the surge of electrical current that occurs during the collapse of the magnetic field. The condenser consists of several layers of aluminum foil separated by insulation. These layers of foil are capable of storing electricity, making the condenser an electrical surge tank. Voltages just after the points open may reach 250 volts because of the amount of energy stored in the primary windings and the subsequent magnetic field. A condenser which is defective or improperly grounded will not absorb the shock from the fast-moving stream of electricity when the points open and the current can force its way across the point gap, causing pitting and burning. 1.2 Electronic ignition systemsThe need for higher mileage, reduced emissions and greater reliability has led to the development of the electronic ignition systems. These systems generate a much stronger spark which is needed to ignite leaner fuel mixtures. Breaker point systems needed a resistor to reduce the operating voltage of the primary circuit in order to prolong the life of the points. The primary circuit of the electronic ignition systems operate on full battery voltage which helps to develop a stronger spark. Spark plug gaps have widened due to the ability of the increased voltage to jump the larger gap. Cleaner combustion and less deposits have led to longer spark plug life. On some systems, the ignition coil has been moved inside the distributor cap. This system is said to have an internal coil as opposed to the conventional external one. Electronic Ignition systems are not as complicated as they may first appear. In fact, they differ only slightly from conventional point ignition systems. Like conventional ignition systems, electronic systems have two circuits: a primary circuit and a secondary circuit. The entire secondary circuit is the same as in a conventional ignition system. In addition, the section of the primary circuit from the battery to the battery terminal at the coil is the same as in a conventional ignition system. Electronic ignition systems differ from conventional ignition systems in the distributor component area. Instead of a distributor cam, breaker plate, points, and condenser, an electronic ignition system has an armature (called by various names such as a trigger wheel, reluctor, etc.), a pickup coil (stator, sensor, etc.), and an electronic control module. Essentially, all electronic ignition systems operate in the following manner: With the ignition switch turned on, primary (battery) current flows from the battery through the ignition switch to the coil primary windings. Primary current is turned on and off by the action of the armature as it revolves past the pickup coil or sensor. As each tooth of the armature nears the pickup coil, it creates a voltage that signals the electronic module to turn off the coil primary current. A timing circuit in the module will turn the current on again after the coil field has collapsed. When the current is off, however, the magnetic field built up in the coil is allowed to collapse, which causes a high voltage in the secondary windings of the coil. It is now operating on the secondary ignition circuit, which is the same as in a conventional ignition system. Troubleshooting electronic ignition systems ordinarily requires the use of a voltmeter and/or an ohmmeter. Sometimes the use of an ammeter is also required. Because of differences in design and construction, troubleshooting is specific to each system. A complete troubleshooting guide for you particular application can be found in the Chiltons Total Car Care manual. 1.3 Distributorless ignition systems The third type of ignition system is the distributorless ignition. The spark plugs are fired directly from the coils. The spark timing is controlled by an Ignition Control Unit (ICU) and the Engine Control Unit (ECU). The distributorless ignition system may have one coil per cylinder, or one coil for each pair of cylinders. Some popular systems use one ignition coil per two cylinders. In this system, each cylinder is paired with the cylinder opposite it in the firing order (usually 1-4, 2-3 on 4-cylinder engines or 1-4, 2-5, 3-6 on V6 engines). The ends of each coil secondary leads are attached to spark plugs for the paired opposites. These two plugs are on companion cylinders, cylinders that are at Top Dead Center (TDC) at the same time. But, they are paired opposites, because they are always at opposing ends of the 4 stroke engine cycle. When one is at TDC of the compression stroke, the other is at TDC of the exhaust stroke. The one that is on compression is said to be the event cylinder and one on the exhaust stroke, the waste cylinder. When the coil discharges, both plugs fire at the same time to complete the series circuit. Since the polarity of the primary and the secondary windings are fixed, one plug always fires in a forward direction and the other in reverse. This is different than a conventional system firing all plugs the same direction each time. Because of the demand for additional energy; the coil design, saturation time and primary current flow are also different. This redesign of the system allows higher energy to be available from the distributorless coils, greater than 40 kilovolts at all rpm ranges. The Direct Ignition System (DIS) uses either a magnetic crankshaft sensor, camshaft position sensor, or both, to determine crankshaft position and engine speed. This signal is sent to the ignition control module or engine control module which then energizes the appropriate coil. The advantages of no distributor, in theory, is: No timing adjustments No distributor cap and rotor No moving parts to wear out No distributor to accumulate moisture and cause starting problems No distributor to drive thus providing less engine drag The major components of a distributorless ignition are: ECU or Engine Control Unit ICU or Ignition Control Unit Magnetic Triggering Device such as the Crankshaft Position Sensor and the Camshaft Position Sensor Coil Packs 2 Ignition timingIgnition timing is the measurement in degrees of crankshaft rotation, of the point at which the spark plugs fire in each of the cylinders. It is measured in degrees before or after Top Dead Center (TDC) of the compression stroke. Because it takes a fraction of a second for the spark plug to ignite the mixture in the cylinder, the spark plug must fire a little before the piston reaches TDC. Otherwise, the mixture will not be completely ignited as the piston passes TDC and the full power of the explosion will not be used by the engine. Ignition timing on many of todays vehicles is controlled by the engine control computer and is not adjustable. However the timing can be read using a scan tool connected to the data link connector. The timing measurement is given in degrees of crankshaft rotation before the piston reaches TDC (BTDC). If the setting for the ignition timing is 5 BTDC, the spark plug must fire 5 before each piston reaches TDC. This only holds true, however, when the engine is at idle speed. As the engine speed increases, the pistons go faster. The spark plugs have to ignite the fuel even sooner if it is to be completely ignited when the piston reaches TDC. To do this, distributors have various means of advancing the spark timing as the engine speed increases. On older vehicles, this was accomplished by centrifugal weights within the distributor along with a vacuum diaphragm mounted on the side of the distributor. Later vehicles are equipped with an electronic spark timing system in which no vacuum or mechanical advance is used, instead all timing changes electronically based on signals from various sensors. If the ignition is set too far advanced (BTDC), the ignition and expansion of the fuel in the cylinder will occur too soon and tend to force the piston down while it is still traveling up. This causes engine ping. If the ignition spark is set too far retarded, after TDC (ATDC), the piston will have already passed TDC and started on its way down when the fuel is ignited. This will cause the piston to be forced down for only a portion of its travel. This will result in poor engine performance and lack of power. 3 Ignition system maintenance Electronic ignitions, of course, do not need distributor maintenance as often as conventional point-type systems; however, nothing lasts forever. The distributor cap, rotor and ignition wires should be replaced at the manufacturers suggested interval. Also, because of the higher voltages delivered, spark plugs should last anywhere from 30,000-60,000 miles (48000-96500 Km). 附录B 文献译文汽车的点火系统点火系统有许多不同的种类，它们大多可分被为三个类型：传统断路器型点点火系统（使用自20世纪初期）；电子控制点火系统（流行于70年代中期）和无分电器的电子控制点火系统（发展与80年代中期）。汽车点火系统有两个基本功能，首先它必须能够控制火花的大小和点火时刻，以配合不同发动机的要求；其次它必须能够增加电池电压以克服火花塞两极间的电阻来产生火花。1 点火系统纵览1.1 传统点火系统点火系统电路由两部分组成初级电路和次级电路。次级电路承载着较低的电压。电池电流从该电路流过，并由断电器和点火开关控制通断。次级电路由火花塞、高压线、分电器分火头、次级点火线圈组成。分电器是点火系统的控制部分。它将初级电流接通或断开，并将电流送到相应的火花塞上。分电器轴以低于曲轴一半的转速旋转。分电器轴附近的凸轮轴有