PIC单片机在摩托车用点火系统中的运用

摘要 数字点火方式具有适时性好、响应快、控制点火时刻更精确等优点。用PIC单片机实现对点火提前角的控制，可灵活调整提前角度，从而使发动机在各种工作转速范围内均能达到在最佳时刻点火，展现发动机最佳性能，实现提前角的数字化控制。

目前控制点火角使用最多的是非接触式电容放电点火系统和非接触式晶体管点火系统。然而常规的模拟式电子点火系统，即使在已经获得最佳点火角变化规律时，由于反应不灵敏及其他固有缺陷，仍难以按此规律作出准确的点火角控制。文中提出了由智能芯片(MCU)控制的数字化点火系统。数字式点火器可充分发挥软件的强大功能，精确地控制点火提前角，使发动机在各种转速下精确地达到最佳点火。

单片机选用PIC16F877芯片，它属于闪存式(Flash)单芯片，可以重复擦写，其ROM的容量总共是8 kB。PIC单片机指令集的一大特点是均为单字节指令，这个特点有利于抗干扰，且具有工业级的芯片特性和较低廉的价格，故选它作为摩托车发动机机点火提前角的控制单片机。

1 点火系统工作原理

首先，由速度传感器在磁电机上采集速度信号，送入处理、整形电路，最终送给PIC单片机。PIC单片机经过软件运算处理，启动点火电路，由磁电机充电线圈提供点火所需的电压，最终使发动机在最佳时刻完成点火动作。

传感电路是整个点火系统中的一个重要部分，包括传感器信号采集电路和信号处理电路。目前，普通的摩托车点火系统，一般只有发动机转速传感器，传感器主要使用的是磁电机点火触发线圈。磁电机点火触发线圈通过磁电机磁缸上的凸台切割点时会触发线圈磁场，从而在线圈上感应出脉冲电流。当磁电机点火触发线圈通过凸台前沿感应线圈时，线圈产生一个正脉冲;当磁电机点火触发线圈通过凸台后沿感应线圈时，线圈产生一个负脉冲。

这种采用磁电机点火触发线圈方式存在的问题是：点火响应时间不准，提前、迟缓引起的误差较大，而且存在易被干扰等缺陷。

磁电机的转速信号中能分离出较好的正脉冲信号，正脉冲信号经过光耦隔离后，信号还会夹杂有干扰，需要再经过RC滤波电路处理。从而可得到满足单片机端口要求的方波信号，将方波信号送入单片机的CCP模块进行信号捕捉，计算两个正脉冲上升沿之间的时间差，从而可以作为区分转速信号的依据。CCP是PIC单片机“输入捕捉\输出比较\脉宽调制”功能的简称。文中只使用捕捉功能，用于测量引脚输入的周期方波信号的周期、频率和占空比等，也可用于测量引脚输入的非周期性方波脉冲信号的到达或消失时刻等参数。

2 对发动机负荷的测量

发动机负荷发生变化时，最佳点火角也会发生相应变化。负荷会通过节气门开度表现出来，所以通过采用节气门位置传感器就可以测量发动机负荷的变化。

模拟式节气门位置传感器(TPS)是一个变电阻式传感器。节气门位置传感器在节气门关闭时会产生约1 V的电压，在全开时产生约5 V的电压。对此电压信号经过限流、滤波、整形后，送入PIC单片机的A/D转换模块。以此获得用不同电压来测量当时发动机的负荷。

通过大量的试验取得转速、发动机负荷以及最佳点火提前角关系的数据，把这些数据制表进行软件编程写入PIC单片机，在发动机运行时PIC单片机可以在最佳的时刻点火，发动机有最佳的性能表现。

3 单片机的设计

单片机为高集成度智能处理芯片，外围电路较为简单，主要有：晶振电路、按键电路、指示灯电路、节气门传感电路等。

软件主程序及中断程序的设计思路以及程序流程基本是按前述信号处理流程来处理的。输入RA1口按键电路是让单片机识别不同按键按下时产生的不同电压来进行状态选择。在测量中主要是单片机按照预先制定的程序自行调整点火角的提前量。但影响点火提前的因素较多，希望找到最符合发动机动力性、经济性的提前角曲线。因此不考虑其它因素，仅通过调整提前角寻找最佳点火点是很方便的。

中断服务子程序用来判断是否捕捉到了连续两个上升沿之间的时间差。因为内部时钟与PIC单片机的时钟周期及对定时器的分频比设定等均有关系，因此得到的值不完全等于实际时间。表1是单片机测量到的时间与实际转速。

从表1可知，时差随转速的上升而下降，且下降的速度不同，低速和高速时变化较快，中速阶段变化较慢。而这些值也成为单片机识别磁电机转速的依据，从而实现在不同转速下自动选择不同点火提前角。

4 对抗干扰的研究

在车辆上，电磁干扰的主要来源是电机干扰源、点火线圈干扰源、高压导线干扰源、继电器和其他开关设备等干扰源。影响车载设备的主要干扰来自车用电源耦合的电磁干扰和汽车电子系统辐射的空间电磁干扰。对于空间电磁干扰，用一个屏蔽罩将整个电路系统封闭，减小了辐射干扰。屏蔽结构要尽量减少不必要的开孔、缝隙及尖端突出物，以避免泄露。屏蔽体与设备之间要保持一定距离，否则会损耗大量有功能量，减低设备的功率，而达不到屏蔽应有的效果。

干扰对单片机系统最常见的影响是程序运行异常。干扰使单片机的PC值到了未使用的地址空间而进行毫无意义的运行，即“跑飞”或者程序虽然在正常的地址空间运行，但干扰使程序跳转到本不应去的地方运行或进入“死循环”。为此，在程序中加入“软件监控”，对程序进行拦截，使“跑飞”的程序在程序区迅速重回正轨，应多用单字节指令，并在若干关键处有意插入多个单字节指令NOP或将对程序流向起重要作用的指令(JC、JNC、LJMP、RET等)重复编写以保证这些指令的执行，这被称为指令冗余技术，也可使用单片机自带的看门狗。

5 结束语

该点火器满足了摩托车从低速到高速全工况点火提前角要求，增加了控制的灵活性。同时可控制点火提前角精度在1℃以下，并可通过按键手动调整。PIC单片机价格低、功能强，非常适用于工业控制。通过编程利用其内部功能可简化外围电路，使测试设备结构紧凑。同时它的可编程特性，更增加了灵活性，为今后的功能扩展提供了可能。