一种基于单片机的汽车电子点火系统的设计

    随着汽车工业的不断发展，能源危机以及汽车尾气对大气环境造成的污染日趋严重。而发动机点火时刻的精确控制在提高汽车整体性能的同时，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。为此，从发动机点火控制系统的控制策略出发，设计了一种能提高发动机点火控制精度的新型电子点火控制装置。

　　1 系统工作原理

　　发动机点火时刻是通过控制点火提前角(即点火时活塞位置到上止点曲轴转过的角度)来实现的。影响火花塞点火时刻的因素主要有发动机转速、负荷大小、发动机冷却水温度以及发动机缸体爆震等。

　　整个点火系统硬件电路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。系统原理框图如图1所示。

　　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。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 传感器

及其调理电路

　　主要包括转速传感器、水温传感器、爆震传感器和节气门开度传感器及其相应调理电路。

　　2.1.1 转速传感器及其调理电路

　　采用光电式转速传感器，其作用是测量发动机转速和曲轴转角位置。传感器输出信号经调理电路整形、放大后号送入单片机外部计数器T0(P3.4)引脚上，由单片机在一定时间内对其计数便可测量其转速和曲轴位置。

　　2.1.2 水温传感器及其调理电路

　　采用集成温度传感器MAX6611测量发动机冷却水温度。单片机依据水温信号对点火提前角作相应调整：当水温低时增大点火提前角，而水温高时减小点火提前角。传感器输出信号经二极管双向限幅和RC滤波电路调理后接到ADC0809的信道0上。

　　2.1.3 爆震传感器及其调理电路

　　采用安装在发动机缸体上的压电加速度传感器来测量发动机爆震信号，并依据是否发生爆震而对点火提前角作相应调整。传感器输出信号经两级滤波电路调理后接到ADC0809的信道1上。

　　2.1.4 节气门开度传感器调理电路

　　发动机的负荷的测量是通过线性输出型模拟式节气门传感器(TPS)来实现的。传感器输出信号经双向限幅滤波调理电路后接到ADC0809的信道2上。

　　2.2 电控单元及A／D转化电路设计

　　本系统以AT89C2051单片机作为控制器。A／D转化器采用ADC0809对前端输入信号进行模／数转换。系统中需要进行A／D转换的信号有水温信号、节气门开度信号和爆震信号。单片机与A／D转换器的接口电路如图2所示。

　　由ADDA，ADDB和ADDC选择转化信道，信道0输入温度信号、信道1输入爆震信号、信道2输入节气门开度信号，转化后的信号通过P1口输入到单片机内部。其中AT89C2051的P3.4(T0)对曲轴转速信号计数，确定转速和曲轴位置。通过P3.5输出点火控制信号。

　　2.3 点火控制电路设计

　　点火电路的作用是产生火花塞点火所需的高压。其输入是来自单片机P3.5引脚的点火控制信号，输出端接到火花塞上。电路如图3所示。

　　单片机的P3.5输出高电平时，T1和T2都截止，12 V电压通过R4和L1对C7充电。当单片机P3.5输出低电平时(发出点火控制信号)，T1，T2导通，则C7两端的电压立即变位低电平(即C7迅速放电)，从而使流过L1的电流突变，L2两端产生点火高压。其中D1起保护T2的作用。

　　2.4 电源电路设计

　　在汽车系统中一般只提供12 V的直流电压，而芯片大都需要5 V的电压。本系统采用集成芯片W78L05设计了12 V到5 V的DC-DC转换电路。

　　3 系统软件设计

　　系统软件主要由主程序及延时子程序、计算基本点火提前角子程序、计数T0中断服务子程序、A／D转化子程序、点火提前角修正子程序和点火子程序组成。本系统采用汇编语言编写了源程序。

　　3.1 主程序

　　系统上电后，首先进行系统初始化(包括单片机的初始化，ADC0809的初始化，计数器T0的初始化)，接着获取转速信号确定基本点火提前角，再进行A／D转化采集水温、爆震和节气门开度信号，对采集的信号进行运算处理，最后等待点火时刻的到来并发出点火控制信号实现系统点火。

　　3.2 计算基本点火提前角子程序

　　本系统的基本点火提前角由转速信号确定，采用查表法确定基本点火提前角。首先建立两个数据表，一为转速表v(v[0]，v[1]，v[2]，…，v[i]，v[i+1]，…)和基本点火提前角表。两表中的元素个数相等，且都以升序排序。Vi对应的基本点火提前为基本点火提前角表中的第i个元素。为了减少查找的次数，设计时采用了二分法对转速表进行检索。

    3.3 水温对点火提前角修正子程序

　　水温对点火提前角进行双重修正，即暖机修正和过热修正。当水箱温度过低，应加大点火提前角，即进行暖机修正。当发动机水箱温度过高，应减小点火提前角，即进行过热修正。

　　本设计中水温对点火提前角修正也采用查表法，建立2个修正表：过热修正表(升序表)和暖机修正表(降序表)。根据经验水温对点火提前角最大修正5°，采用直接查找法。首先确定对点火提前角零修正的水温T，测得的水温t大于T则查找过热修正表进行过热修正，否则查找暖机修正表进行暖机修正。

　　3.4 爆震信号对点火提前角修正子程序

　　系统对点火提前角修正是为了使发动机始终接近爆震临界状态，即处于一种“临界控制”方式，使发动机既接近爆震区又不进入爆震区，此时缸内燃烧的热效率最高。测到有爆震信号点火提前角增加2°，测得无爆震信号时点火提前角减小2°。设临界状态对应的爆震信号为F，当测得的爆震信号f大于F时点火提前角减2°，否则点火提前角加2°。

　　另外，节气门开度对点火提前角修正子程序采用直接查表法。

　　4 结 语

　　本点火装置具有及时性高、控制精度高等优点，实现了对点火提前角的优化控制。该系统已调试成功。