汽车电控燃油喷射系统的硬件研制学士学位论文.docx

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汽车电控燃油喷射系统的硬件研制学士学位论文

第一章绪论

随着汽车工业的飞速发展，汽车尾气排放带来的空气污染日益严重,西方各国都制定了严格的汽车排放法规法案。

同时受能源危机的冲击以及电子技术、计算机技术等的飞速发展,也促进了电子控制汽油喷射发动机的诞生。

1.1课题的背景及意义

在电子控制燃油喷射装置中,电控单元根据各种传感器实时检测到的机器运行参数，与ECU中预先已经存储的参数值或参数图谱相比较，按其最佳值或计算后的目标值，把指令输送到执行器。

执行器根据ECU指令，控制喷油量和喷油定时。

喷油器的电磁特性对汽油机与电控系统的匹配有很大影响。

电控喷油器在工作时,其中的燃油流动和电路、磁路都达不到稳定工作状态,基本都工作在过渡过程中,这一特点决定了电控喷油喷射过程的复杂性。

近年来,随着全球石油资源日渐匮乏,致使国际石油价格持续攀高,而且全球大气污染也越来越严重,这些严峻的事实都迫切地要求改进汽车发动机的工作性能。

加强汽车电子控制,尤其是加强发动机电子控制,改进供油部件的性能（主要是喷油器的性能）已经成为汽车性能研究领域内亟待解决的主要问题之一。

电控喷射技术的应用极大地提高了汽车的整体性能,使发动机具有低油耗、低污染和高动力性的优点,原因之一是电子控制喷油器性能的改进带动了发动机动力性能、燃油经济性能的改善,良好的燃油喷射雾化性能可以改善燃烧过程进而降低发动机尾气中有害物质的排放量。

面对越来越严格的排放法规和燃油经济法规,传统的化油器式汽车已经难以胜任，世界汽车工业寻找各种途径以解决汽车的节能和排放问题。

混合动力汽车、燃料电池车、太阳能汽车等技术得到了广泛的研究。

但在当前阶段，应用最广,价格最低,并受到广泛肯定的是电控燃油喷射技术。

1.2国内外研究概况及发展趋势

在国外,电控汽油喷射已进入实用阶段,但它曾有过一段较长的发展过程。

早在二战期间，汽油喷射系统已广泛应用于飞机发动机上。

由于技术难度大,成本高,一直被没有应用到汽车发动机上,直到50年代,这种供油系统开始用于一些高级轿车和赛车上。

以后的十多年中,电控喷油技术逐步扩展应用于一般汽车上,在欧洲和日本也得到了稳步发展。

随着电控技术的不断发展和完善,应用电控汽油喷射和点火控制的发动机的使用范围也在不断扩大。

这种趋势自进入80年代后在不断地加速,在美国表现得尤其突出,现在美国和日本市场上的汽车,几乎百分之百地采用了电控汽油喷射系统,西欧也超过半数以上。

国外在理论研究领域内主要开展了以下工作：

应用现代控制理论实现发动机的优化运行,但还处在研究阶段；混合气形成机理及缸内混合气状况的研究；喷嘴雾化特性及其对发动机性能的影响；利用电控实现混合气稀薄燃烧的研究；

国内有关汽油喷射的研究工作始于50年代,一些高校和研究单位先后在跃进、红旗及492Q等发动机上做过一些工作,但大多数只是在直接引进国外已有技术的基础上进行发动机的匹配工作。

最近几年也有从事传感器控制器及电磁喷油嘴的研制工作,但进展大不,离实用化阶段还有很大距离。

在发动机工作过程的研究方面,极少有文献报道。

针对上述情况,为了尽快赶上国际先进的发动机电控技术水平,一方面应努力开展电控的基础理论研究和实用系统的开发,另一方面也要积极开展技术交流和引进。

前者可以降低技术引进的代价和加快消化吸收,使电控发动机在国内达到实用化阶段；后者则可加快电控技术的发展进程,为此国内一些汽车制造厂已打算或正开始做技术引进方面的准备。

为进一步完善发动机的优化运行,人们不断地期望着新型传感器的问世,可望在不久的将来,诸如CO传感器、HC传感器、NOX传感器以及用于实时控制的燃烧压力和火焰传感器将会陆续开发成功,以控制HC+NOX为目标的传感器也将得到应用。

与此同时,传感器将朝高度集成化和智能化方向发展,集传感器及处理器功能于一体。

随着微处理器功能的不断加强和新型传感器的研制,将使现代控制理论应用于发动机的控制成为可能,从而使发动机控制系统朝自适应和智能化方向发展，达到各项指标的最佳控制。

1.3本文的主要研究内容

本系统的设计主要包括硬件系统和软件系统设计。

硬件主要包括各个模块的方案论证及其设计、PCB板的绘制与制作、各模块的焊接与调试及其最后的总体调试等。

软件主要包括：

主流程图的设计、各模块程序的编写与调试。

其中程序主要包括：

主程序、中断服务子程序、采样子程序、滤波子程序、温度速度比较子程序等。

这次所做的设计就是针对温度和速度的控制需求来展开的，将温度和速度不但实时采样，而且显示在用户面前，方便用户对温度、速度的监测与控制，而且通过需求能设置最高限度。

而且微处理器会根据电机转速的大小，对燃油阀门开关量的大小检测，模拟出其驱动的部分。

本论文主要从四部分来介绍设计内容。

第一部分为设计要求的分析及系统框图的设计。

第二部分为硬件设计介绍，主要介绍硬件部分的相关功能和模块，包括温度和速度的采集模块、0804A/D转换、7279的控制、数码管显示模块、EEPROM存储模块等，对硬件部分做了较详细的介绍。

第三部分为系统程序设计，主要对各个模块进行了论述，即主程序、温度和速度采样子程序、中断服务子程序等子程序设计的介绍。

第四部分简单的对系统调试进行了描述，同时对这次毕业设计进行了总结。

第二章系统的组成和工作原理

2.1研究内容及设计要求

1．汽车运行过程中的车速、温度信息采集模块，含信息的实时采集、放大与A/D转换。

2．控制参数：

测温范围0～120℃，测量精度±1℃；测速范围0～120Km/s,允许误差±1Km/s。

3．实时监测汽车燃油喷射的温度、压力参数。

4．系统断电能记忆存系统设置的温度、车速参数。

2.2系统功能分析

根据以上要求与技术指标，主要采用了单片机STC89C52作为系统的控制核心。

主要实现了两个功能：

温度与车速的实时采样和温度与车速的控制。

实现第一个功能，要综合它的精度和控制范围，选择适合的传感器和A/D转换器。

它的具体实现是通过一个桥路，产生一个微弱电压信号，然后放大，A/D转换器接收，转换成单片机能识别的信号。

为了方便用户，通过数码管显示出来。

实现第二个功能，要考虑它的控制阀门角度，从而通过步进电机的转动角度来实现。

若超出范围，自动报警电路启动，来提醒用户工作不正常。

为了方便用户，通过键盘来控制到用户所需要的温度与速度。

考虑到异常断电的情况，可能会将所有的信息都丢失，所以将设置参数保存到EEPROM里去。

当电恢复起来，继续按照设置参数进行。

为了行车安全，设置了一个自动报警指示。

若出现燃油温度过高或者车速过快等异常情况，系统将自动报警，发出刺耳的报警声。

2.3系统组成框图

本系统的温度测控方面通过温度传感器采集温度信号，经信号调理电路整理后，再由ADC0804模数转换器将转换后的数字信号送入单片机进行处理；车速测试方面采用系统控制步进电机产生相应的速度，在通过霍尔传感器采集相应的脉冲，来实现车速的测量；另外还有温度、车速报警电路。

系统框图主要如图2.1所示:

图2.1系统原理框图

第三章系统硬件的设计

3.1单片机最小系统电路

3.1.1STC89C52单片机

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8K片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52引脚结构如图3.1示。

图3.1STC89C52引脚结构

3.1.2时钟电路

时钟电路是用于产生单片机工作所需要的时钟信号。

单片机内含振荡电路，晶体振荡器在外，由XTAL1、XTAL2接入片内。

MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。

如下图3.2所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的震荡频率f0非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取（但STC89C52的晶振频率最高为24MHZ），这次毕设用的时钟频率6MHz。

图3.2中C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选择，典型值是20Pf或30Pf。

作用有两个：

其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调（C1、C2大，f变小）。

在做PCB板时，晶振电路尽可能的靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡的稳定性。

3.1.3复位电路

为了使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作，系统在启动运行时都要复位。

采用上电复位方式，在RST复位端接一个电阻R至Vcc和一个电容C至Vss（地）,就能实现上电自动复位。

在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平。

只要保持RST引脚为高电平时间足够长，就可使CPU复位。

所需高电平时间的长短与Vcc上升时间和振荡器起振时间有关。

10MHz时，约1ms；1MHz时，约10ms。

若Vcc上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保持RST引脚在高电平停留时间不小于20ms即可。

本系统采用的是典型的系统复位电路，如图3.2所示。

其中R1=1KΩ，C3=22µF，若频率为6MHz，可以保证可靠的上电复位。

如果频率降低，可以适当加大电容C3。

时钟和复位电路如图3.2所示：

图3.2单片机时钟和复位电路图

3.1.4键盘、显示电路

HD7279A（如图3.3）是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片DIG0～DIG7和SA～SG同时还分别是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视，译码和键值的识别。

在8×8阵列中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H～3FH。

HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效，）。

当微处理器访问HD7279A（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。

DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。

CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。

KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。

图3.3HD7279A芯片引脚图

RC引脚用于连接HD7279A的外接振荡元件，其典型值R=1.5kΩ,C=15pF。

RESET为复位端。

该端口由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。

通常，该端口接+5V即可。

HD7279A的CS、CLK、DATA、KEY分别接单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口（如图3.4）。

通过控制P1的前四个口来模拟时序、传送数据。

如果直接采用矩阵键盘，需要占用STC89C52的8个I/O口，I/O中是单片机宝贵的资源，这种方案的编程比较复杂（需要键盘的消抖动），软件调试也较困难。

HD7279A芯片大大简化系统电路。

HD7279A只需要4根线（CS、CLK、DATA、KEY）与STC89C52相连，仅仅使用单片机的P2.0—P2.3口，大大节省了CPU的端口资源，即可实现键盘接口功能。

由于HD7279A内部含有去抖动电路，软件编程时不需要键盘的消抖动程序，而且HD7279A的控制指令也使得软件编程更简单。

选用HD7279A芯片作为驱动接键盘矩阵。

扫描键盘时，如果有键按下，直接通过读键盘数据指令即可在LED上显示键入的键值，而不需要通过STC89C52口来控制键盘输入值。

单片机接收键入的键值以控制所采集的样品量。

图3.4HD7279A驱动键盘电路

HD7279A的DIG0～DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。

SA～SG分别为LED数码管的A段～G段的输出端。

DP为小数点的驱动输出端。

HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英寸及以下的LED数码管，使外围电路变得简单可靠。

A-G和DP为显示数据，分别对应7段LED数码管的各段。

当对应的数据位为‘1’时，该段点亮，为‘0’时则不亮。

此指令灵活，通过造字形表，可以显示用户所需的字符。

造字形码，它是通过LED的八段顺序来造字：

DP、a、b、c、d、e、f、g。

当对应的数据位为‘1’时，则亮。

如显示‘0’，八段的a、b、c、d、e、F亮，则显示码就是01111110B（7EH）。

同理1、2、3、4、5、6、7、8、9对应的显示码为30H、6DH、79H、33H、5BH、5FH、70H、7FH、7BH。

由于它本身有些特殊的控制指令，使得只要通过软件送命令，就可以得到很好的效果。

这些指令为编程带来方便，而且省去了一些硬件的麻烦。

选择使用HD7279A节省了宝贵的I/O口，为其他硬件的扩展留有余地。

3.2温度采集电路设计

3.2.1温度传感器AD590简介

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

VBE=（KIT/q）lnI……………………………………………………式（3-1）

式中：

K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度为25℃时输出为2.98V。

电流输出型的灵敏度一般为1μA/K。

温度传感器AD590采集温度信号，它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

该器件具有测温范围宽，电源电压范围宽输出阻抗高性能稳定等优点。

AD590是一个二端集成温度传感器，其输出电流与绝对温度成正比，电源范围在4V到30V之间时，该器件工作在高阻状态下，其电流变化恒为1μA/K。

通过片上薄片电阻的激光调整器校准器件，使其在298K（25℃）下的输出为298μA。

AD590的适用于低于150℃下的温度传感应用，这一温度范围是目前常用温度传感器所应用的。

AD590内在单块集成电路价格低廉，无须支持电路，因而被广泛应用于温度测量中，使用AD590时无须线性化电路、精密电压放大电路、阻抗测量电路、以及冷结点补偿等。

图3.5AD590的应用电路

电路分析如下：

1．流过AD590的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

Ir

T

式中：

Ir为流过AD590的电流，单位为μA；

T为热力学温度，单位为K

2．AD590的测温范围为：

－55℃—+150℃

3．AD590的电源电压为4V—30V。

有耐电性能：

可承受高达44V的正向电压和20V反向电压。

因此，电源不稳定或引脚接反不会损坏元件。

4．输出电阻为710MΩ。

其高输出阻抗提供了很好的抗电源电压漂移的能力，例如：

将电源电压由5V变到10V最多只引起电路改变1μA，即1℃误差。

5．精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五挡，其中M挡精度最高，在－55℃—+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃.

3.2.2电桥测量电路

在传感器的测量电路中，最简单的形式为电桥电路，通过对一个相似元件的比较来进行测量。

此部分电路主要由三个电阻、一个AD590温度传感器、一个可变电阻和12V（VDD）的电源组成如图3.6所示。

图3.6电桥电路

UA=1*（T+273）mv……………………………………式（3-3）

　　UB=（R5+W1）VDD/（R5+W1+R3）…………………………式（3-4）

当温度为0度时，A点的电压UA为0.273V，此时将电桥调零，即使得B点的电压UB调为0.273V，即W1=266；则电桥处于平衡：

△U=0，这是电桥的调零环节，调整好之后就不需要再改变其值。

当温度为120度时，A点的电压UA为0.393V，而B点的电压UB为0.273V，则△U=0.12V

所以，当温度T变化为0～120℃时，△U的变化范围为0～120mV。

3.2.3信号放大（测量放大器）电路

方案一：

TLO84二级放大电路

由于前级电桥电路输出的只有毫伏级的电压，而后级ADC0804的模拟输入电压范围在0～5V之间，为了得到一个稳定的、准确的输入模拟信号，所以要用到运放来放大前级的电路。

而TL084运算放大器，它具有很高的共模抑制能力和克服失调参数及其漂移的影响，广泛适用于电桥信号放大、电量放大等领域。

由于电桥的输出电压只有几百毫伏，所以必须对其进行放大，本设计采用了TL084运算放大器对有源线性测量电桥电压进行放大，放大以后输出电压为0~5V，达到ADC0804的采样值要求（采样值在0~5V）。

测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器—减法器，R2，R3用以调节运放的放大倍数。

其根据放大倍数K=1+2R19/R20，可以很方便的调节输出的电压。

正常可以调节R3使输出电压满度为5V。

就可以满足A/D的输入电压范围要求。

由图3.8所示，将其信号U0进行放大，从而使得放大后的电压信号U01成为后级A/D芯片的输入转换电压。

因些可得输出的电压U01为

U01=U0*（1+2R2/R1）………………………………式（3-5）

从上面的式子可知，要想使输出的电压变大只需要调小R1的阻值便可，即调节它放大倍数。

改变电阻R1的大小，可方便地调节放大器的增益，在集成化的测量放大器中，R1是外接电阻，用户可根据整机的增益要求来选择R1的大小。

此外，输出电压Vo与输入电压的差值成正比，因此在共模电压作用下，输出电压Vo=0，这是因共模电压作用在RG的两端不会产生电位差，从而R1上不存在共模分量对应的电流，也就不会引起输出,即使共模输入电压发生变化，也不会引起输出.因此，测量放大器具有很高的共模抑制能力，通常选取R2=R3，其目的是为了抵消A1和A2本身共模抑制比不等造成的误差和克服失调参数及其漂移的影响。

图3.7TL084组成的测量放大器电路

方案二：

AD620集成运算放大电路

AD620是一款低成本、高精度的单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。

通过调整片内电阻的绝对值，用户仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。

其原理图如下图所示：

图3.8AD620原理图

输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分对双极性输入，同时由于采用Superϐeta处理，因此输入偏置电流减小10倍。

反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2事输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻RG上。

这样就产生了从输入至A1/A2输出的差分增益，其计算公式为G=（R1+R2）/RG+1。

单位增益减法器A3用来消除任何共模信号，以获得折合到REF引脚电位的单端输出。

内部增益电阻R1和R2调整至绝对值24.7KΩ，则其增益公式为：

图3.9AD620应用电路

AD620的增益通过电阻RG进行编程，即通过引脚1和引脚8之间存在的任何阻抗进行编程。

AD620旨在用0.1%至1%电阻提供精确的增益。

表列出了各种增益所要求的RG值。

对于G=1，RG引脚不连接（RG=∞）。

对于任意增益，可用以上式子计算RG。

为使增益误差最小，应避免产生与RG串联的高寄生电阻；为使增益漂移最小，RG应具有低温度系数TC（小于10ppm/°C）才能获得最佳性能。

表3.1AD620要求的增益电阻值

1%标准表

RG值（Ω）

计算得到

的增益值

0.1%标准表

RG值（Ω）

计算得到

的增益值

49.9K

1.990

49.3K

2.002

12.4K

4.984

12.4K

4.984

5.49K

9.998

5.49K

9.998

2.61K

19.93

2.61K

19.93

1.00K

50.40

1.01K

49.91

499

100.0

499

100.0

249

199.4

249

199.4

100

495.0

98.8

501.0

49.9

991.0

49.3

1,003.0

3.2.4温度传感器DS18B20简介

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

工作特性：

1、独特的单线接口方式：

DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

 2、在使用中不需要任何外围元件。

 3、可用数据线供电，电压范围：

+3.0~+5.5V。

 4、测温范围：

-55~+125℃。

固有测温分辨率为0.5℃。

 5、通过编程可实现9~12位的数字读数方式。

 6、用户可自设定非易失性的报警上下限值。

 7、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。

8、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。

高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

其测温电路如图3.10所示：

图3.10DS18B20测温电路

3.2.5铂热电阻

铂热电阻是利用阻值随温度而变化的特性来测量温度，它有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽。

铂热电阻与温度之间的关系近似线性关系。

因此选择了铂热电阻。

在－200℃～0℃范围，温度为t℃时的阻值Rt的表达式为

在温度为0℃～650℃范围内：

式中的分度常数为：

A＝3.96847×

（１/℃）　,B＝－5.847×

（１/℃）

Ｃ＝－422×

（１/℃）

是在0℃时阻值为100欧姆。

下面列出铂热电阻在0℃～100℃时的电阻值：

表3.2铂热电阻与温度之间的关系表

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0℃

100.0

100.4

100.8

101.2

101.6

10