基于单片机的汽车发动机的控制与检测系统研究设计Word格式文档下载.docx
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汽车排放的大量尾气造成环境污染问题，美国、日本欧洲相继陆续制定了严厉的排放法规；
同时众多的汽车也造成交通拥挤，交通事故日益增多等问题。
面对这些日益严重的问题汽车制造商不得不改进制造技术，开发新材料等，来解决或者减缓这些问题。
如采用反馈式化油器、机械式燃油喷射等来提高发动机的燃油经济性、排放方面的性能。
尽管如此，由于机械控制系统的特性限制，使用传统的方法已经不能使汽车的性能得到明显的改善和提高。
而另一方面，随着社会的进步，人们对汽车安全、舒适、便捷、豪华的更高追求，也对汽车性能提出了进一步的要求。
至此，要使汽车的性能跟上时代的脚步，采用电子控制技术成为必然的趋势。
而近年来电子技术的迅猛发展，特别是微型计算机技术的巨大进步，为汽车电子技术的发展提供了条件。
将电子控制刑天和传统的机械技术相结合，使得汽车的环保、节能、安全、舒适等方面的问题均能得到很好的解决。
智能化集中传感器和智能化执行机构付诸使用，数字信号处理方式用于声音识别、安全碰撞、实时诊断、导航系统等体现了汽车技术的蓬勃发展。
法制推动、社会需求和技术进步，是导致现代汽车采用电子技术的三个主要的原因。
汽车电子的出现，是汽车技术发展进程中的一次革命。
可以说是汽车电子技术使汽车工业进入了一个全新的时代.
从国际上看，汽车电子化的过程基本上可以分为三个阶段：
第一阶段从60年代中期到70年代末期，汽车应用电子技术主要从“技术革新”着眼，对汽车产品采用电子装置改善部分机械部件的性能，如硅整流发动机、晶体管无触点点火、电控燃油喷射等。
这些革新往往是局部的，非关键的，在汽车的总统设计和生产中没有予以系统的考虑。
第二阶段从70年代末期到90年代中期，汽车电子技术的雏形开始形成。
其主要特征是在汽车大部分件乃至总成的设计和生产中重视“机电一体化”的思想与技术，广泛采用机电一体装置解决机械部件所无法完成的复杂自动控制问题。
在技术，广泛采用机电一体装置解决机械部件所无法完成的复杂自动控制问题。
在这一阶段，大规模集成电路和4位、8位微处理器被广泛采用。
这一时期产生了许多汽车综合电子控制系统。
第三阶段从90年代中期起，预计到2010年左右，“汽车电子”作为工程技术已经成熟。
汽车的总体设计将在考虑整车机电系统协调匹配的基础上进行，既强调整体设计的机电一体化，重视总体、系统的集成。
这一时期将有更加灵巧的电源、智能化的传感器以及具有大容量内存的16位和32位的微处理器。
那么，采用电子控制技术相对于其他控制有哪些优势呢？
第一，电控技术能使各种参数的调节和对各种过程的控制更为精确和“柔性”，比之原有的机、液或气、液控制更容易实现性能优化。
第二，由于机、液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多被证明有效的改善性能的措施无法实现，如欲喷射精确控制、喷油率与喷油压力控制等。
引入电控技术后，这些理想都可以变为现实。
即使是机、液控制能实现的工程，如正、负校正，增压补偿等，也因每一项都得增加附属机械装置而使得成本上升，可靠性降低，远不如电控软件增改那么简单和精确。
第三，电控技术引入后控制对象和目标大为扩展，除了常规稳态性能调控外，更能扩展到各种过度过程的优化控制、故障自动检测与处理、操作过程自动化及自适应控制等，最终可发展成为整车电脑管理系统。
2系统方案
2.1整体方案设计
图1为此次设计所采用的发动机电子控制系统模块图。
从图中可看出，发动机控制系统的基本组成由三部分组成。
第一，信号输入装置：
各种传感器，采集控制系统所需的信号，并转换成电信号通过线路输送给控制器。
第二，电子控制单元：
给各传感器提供参考（基准）电压，接受传感器或其他装置输入的电信号，并对所接受的信号进行存储、计算和分析处理后向执行元件发出指令。
第三，执行元件：
受控制器控制，具体执行某项控制功能的装置，是具体的输出信号。
图1发动机电子控制电路模块图
2.2控制器选择
2.2.1微型控制器介绍
微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。
微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。
例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。
Intel公司作为最早推出微处理器的公司，同样也是最早推出微控制器的公司。
继1976年推出MCS-48后，又于1980年推出了MCS-51，为发展具有良好兼容性的新一代微控制器奠定了良好的基础。
在8051技术实现开放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司纷纷推出了基于80C5l内核（805l的CMC）S版本）的微控制器。
这些各具特色的产品能够满足大量嵌入式应用需求。
基于80C51内核的微控制器并没有停止发展的脚步，例如现在Maxim/Dallas公司提供的DS89C430系列微控制器，其单周期指令速度已经提高到了805l的12倍。
在本设计中我们将选择单片机作为该系统的控制器。
2.2.2主流单片机介绍
最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。
由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、ATMEL、AMD、Dallas、siemens、FUJUTSU、OKI、华邦、LG等。
在保持与80C51单片机兼容的基础上，这些公司融入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便且价廉的FlashROM等，开发出上百种功能各异的新品种。
这样80C51单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族，统称为80C51系列单片机。
客观事实表明，80C51已成为8位单片机的主流，成了事实上的标准MCU芯片。
MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商，品种全、选择余地大、新产品多是其特点。
在8位单片机方面有68HC05和升级产品68HC08。
68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20亿片。
16位单片机68HC16也有十多个品种。
32位单片机的683XX系列也有几十个品种。
MOTOROLA单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工业控制领域及恶劣的环境。
ATMEL公司的90系列单片机是增强RISC内载Flash的单片机，通常简称为AVR单片机，90系列单片机是基于新的精简指令RISC结构的。
这种结构是在90年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构使得在8位微处理器市场上AVR单片机具有最高MIPSmw能力。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
综上所述我们将选择单片机AT89S52为我们的控制器。
2.2.3AT89S52单片机的特点
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.3传感器的类型及用途
空气流量计（MAFS）：
应用在L型电控燃油喷射系统中，测量发动机的进气量，将信号输入控制器,作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。
进气管绝对压力传感器（MAPS）：
应用在L型电控燃油喷射系统中，测量进气管内气体的绝对压力，将信号输入控制器，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。
节气门位置传感器（TPS）：
检测节气门的开度及开度变化，信号输入控制器，用于燃油喷射控制及其他辅助控制。
凸轮轴位置传感器（CMPS）：
提供曲轴转角基准位置信号,作为喷油正时控制和点火正时控制的主控制信号。
曲轴位置传感器（CKPS）：
检测曲轴转角位移，给控制器提供发动机转速信号和曲轴转角信号，作为喷油正时控制和点火正时控制的主控制信号。
进气温度传感器（IATS）：
给控制器提供进气温度信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
冷却液温度传感器（ECTS）：
给控制器提供发动机冷却液温度信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号，也是其他控制系统的控制信号。
车速传感器（VSS）：
检测汽车的行驶速度，给控制器提供车速信号，用于巡航控制和限速断油控制，也是自动变速器的主控制信号。
氧传感器（O2S）：
检测排气中的氧含量，对喷油量进行闭环控制。
爆燃传感器（KS）：
检测汽油机是否爆燃及爆燃强度，作为点火正时的修正信号。
起动开关（STA）：
发动机起动时，给控制器提供一个起动信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
空调开关（A/C）：
当空调开关打开，空调压缩机工作，发动机负荷加大时，由空调开关向控制器输入信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
挡位开关：
自动变速器由空挡挂入其他档时，向控制器输入信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
制动灯开关：
制动时，向控制器提供制动信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
动力转向开关：
当方向盘由中间位置向左右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷加大，此时向控制器输入信号，作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
巡航（定速）控制开关：
当进入巡航控制状态时，向控制器输入巡航控制状态信号，由控制器对车速进行自动控制。
2.4点火电路方案设计
2.4.1方案一采用磁感应式电子点火
磁感应式电子点火方式主要由磁感应式分电器、点火控制器、高能点火线圈和火花塞等组成。
磁感应式分电器主要由磁感应传感器、点火提前调节装置、配电器等组成。
磁感应传感器由转子、定子、永久磁铁、传感线称圈等组成。
动机工作时，分电器通过转子、定子，使传感线器圈内的磁通发生变化，产生电压信号，供给点火控制器。
其突出优点是结构简单，不需外加电源。
2.4.2方案二采用霍尔式电子点火系统
该装置的信号发生器是应用霍尔效应原理制成的，以霍尔信号发生器进行触发的点火系统，称为霍尔式电子点火系统。
在我国生产的桑塔纳、红旗、捷达等轿车及一些进口汽车上广泛采用霍尔式电子点火系统。
它由内装霍尔信号发生器的分电器、点火器、点火线圈和火花塞等组成。
霍尔信号发生器是根据霍尔效应原理制成的，它装在分电器内。
它由触发叶轮和霍尔传感器组成。
触发叶轮像传统分电器的凸轮一样，套装在分电器轴的上部，它可以随分电器轴一起转动，又能相对分电器轴作少量转动，以保证离心调节装置正常工作。
触发叶轮的叶片数与气缸数相等，其上部套装分火头，与触发叶轮一起转动。
霍尔信号发生器的优点如下，工作可靠性高，霍尔信号发生器无磨损部件，不受灰尘、油污的影响，无调整部件，小型坚固，寿命长。
发动机起动性能好，霍尔信号发生器的输出电压信号与叶轮叶片的位置有关，但与叶轮叶片的运动速度无关，也就是说它与磁通变化的速率无关，它与磁感应信号发生器不同，它不受发动机转速的影响，明显地增强了发动机的起动性能，有利于低温或其他恶劣条件下起动。
霍尔信号发生器目前已经得到广泛的应用。
2.4.3方案三采用光电式电子点火系统
光电式电子点火装置是利用光敏元件（光敏晶体管或光敏二极管）的光电效应原理，制成光电式点火信号发生器给点火电子组件提供点火信号，来达到控制点火的目的。
安装在分电器内的光电式点火信号发生器通常都由光源、光接收器和遮光盘三部分组成。
光源是一只砷化镓发光二极管，它发出红外线光束，用一只近似半球形的透镜聚焦。
该发光二极管比白炽灯泡耐震，并能耐较高的温度，在150*C的环境温度下能连续工作，工作寿命很长。
光接收器是一只硅光敏晶体管，它与光源相对，并相距一定距离，以使红外线光束聚焦后照射到光敏晶体管上。
光敏晶体管的工作与普通晶体管的不同之处，是它的基极电流由光产生，因此不必在基极上输入电信号，也无需基极引线。
遮光盘用金属或塑料制成，装在分电器轴上，位于分火头下面，盘的外缘伸人光源与光接收器之间，盘的外缘上开有缺口，缺口数与气缸数相等。
缺口处允许红外线光束通过，其余实体部分则能挡住光束。
当遮光盘随分电器轴转动时，即按一定位置产生光电点火信号。
点火电子组件的作用是把光接收器的信号电流放大，从而通过功率晶体管接通和切断点火线圈的初级电流。
上述光电式点火系统的优点是，触发器的触发信号完全由遮光盘的位置（也即曲轴的位置）所决定而与转速无关，故在分电器转速很低时仍能正常发出触发信号，并且在分电器内积水冰冻时仍能正常工作。
此外，结构简单，对制造精度要求不高且成本低，但缺点是弄脏后灵敏度将会降低。
2.4.4方案四采用微机控制点火系统
微机控制点火系统的基本原理：
微机根据曲轴位置传感器提供的曲轴位置信号，判断出发动机的活塞位置并且根据信号频率计算出发动机的转速值，再通过电控燃油喷射系统的节气门传感器（或空气流量器）确定负荷的大小从而对发动机的运行工况作出比较精确的判断。
根据发动机的转速和负荷的大小微机从存储单元中查找出对应此工况地点火提前角和点火初级电路导通时间，由这些数据对电子点火器进行控制从而实现精确控制。
另外微机系统还可以根据其它影响因素对这两个因素进行修正实现点火系统的智能控制。
一般电子点火系（有触点或无触点）靠离心和真空机械式调节装置来完成,由于机械滞后、磨损及装置本身的局限性，故不能保证点火时间总是最佳值。
采用微机控制点火可考虑影响最佳点火提前角的诸因素，如发动机转速、负荷、起动及怠速、水温、汽油的辛烷值和压缩比等。
在发动机的电子集中控制系统中，点火系统由微机控制称为微机控制点火系统。
现在生产的大部分轿车都采用微机控制点火系统。
该点火系统主要由传感器、电子控制器、点火控制器（点火器）、点火线圈和火花塞等组成。
传感器是监测发动机工况信息的装置。
传感器的结构形式和装配数量依车而异，主要有曲轴位置传感器、空气流量传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、冷却水温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、车速传感器、空档起动开关、点火开关、空调开关、蓄电池等。
电子控制器用控制器表示。
控制器是发动机的控制核心，电子控制器的名称并不统一，生产厂家或公司不同，生产年代和控制内容不同，采用的名称也不尽相同。
电子控制器主要包括输入回路、输出回路、模数A/D转换器或模数D/A转换器、单片微型计算机和电源电路等。
由于电子控制器的核心部件是单片微型计算机，通常将电子控制器称为微机或电脑。
电子控制器的作用是根据发动机各传感器输入的信息和微机内存数据。
通过运算处理和逻辑判断，然后输出指令信号，控制有关执行器（如点火器）工作。
点火控制器是发动机控制系统的执行器了，其作用是根据微机发出的指令信号，通过内部大功率三极管的导通与截止来控制点火线圈初级绕组电路的通断，使点火线圈产生高压电。
各型发动机点火器的内部结构各不相同，的发动机并不配置点火器，大功率三极管直接设在电子控制器控制器内部；
有的点火器只有一只达林顿三极管，仅起开关作用，其它电子控制元件则与电子控制器制成一体；
有的点火器除开关作用外，还有恒流控制、闭合角控制、气缸判别、点火监视等功能。
此外，微机控制点火系统又分为分配式（有配电器）点火系统和直接式（无配电器）点火系统。
分配式点火系统点火线圈产生的高压电由配电器按发动机作功顺序分配给各缸火花塞跳火，仍然要产生较多电火花，不仅浪费能量，而且还产生电磁干扰信号。
而直接式点火系统没有配电器，点火线圈次级绕组的两端直接与火花塞相连，发动机运转时，微机根据传感器信号，直接控制各个点火线圈产生高压电，使相应火花塞跳火。
到目前为止，无配电器微机控制点火系统是技术最先进的点火系统。
微机控制点火，在发动机的电子集中控制系统中，点火系统由微机控制称为微机控制点火系统,传感器是监测发动机工况信息的装置,电子控制器用控制器表示。
控制器是发动机的控制核心。
电子控制器的名称并不统一，生产厂家或公司不同，生产年代和控制内容不同，采用的名称也不尽相同。
点火控制器是发动机控制系统的执行器，其作用是根据微机发出的指令信号，通过内部大功率三极管的导通与截止来控制点火线圈初级绕组电路的通断，使点火线圈产生高压电。
电子控制器的作用是根据发动机各传感器输入的信息和微机内存数据，通过运算处理和逻辑判断，然后输出指令信号，控制有关执行器（如点火器）工作。
对市场上各种车型的对比，以及微机控制的种种优点，所以选择使用方案四用微型的处理器来控制点火控制。
3硬件系统设计
3.1单片机控制部分
在本设计中采用的是AT89S52的单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在一下部分将要对单片机外部电路及进行分析与设计。
3.1.1主要性能
与MCS-51单片机产品兼容；
8K字节系统可编程Flash存储器；
1000次擦写周期；
全静态操作：
0Hz-33MHz；
三级加密程序存储器；
32个可编程I/O口线；
三个16位定时器/计数器；
六个中断源；
全双工UART串行通道；
低功耗空闲和掉电模式；
掉电后可唤醒；
看门狗定时器；
双数据指针；
掉电标识符。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
3.1.2单片机最小系统
要使单片机工作起来，最基本的电路构成为：
注意：
EA/VP（31脚）接+5V
图2AT89S52单片机最小系统
电源电路：
AT89S52单片机的工作电压范围：
4.0V~5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。
连接方式为VCC（40脚）：
接电源+5V端VSS（20脚）：
接电源地端。
时钟电路：
单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。
时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。
AT89S51单片机时钟频率范围：
0~33MHz。
复位电路：
确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。
单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。
手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。
通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。
3.1.3振荡器电路的设计
最初89系列单片机的内部振荡器电路如图3所示，由一个单极反相器组成。
XTAL1为反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。
可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的震荡信号发生器，如图4所示，此方法为内部方式，也是该设计采用的振荡方式。
图3单片机内部振荡器电路
图4片内振荡器等效电路
振荡器的等效电路如图4所示。
在图中给出了外接元件，即外接晶体电容C1，C2，并组成并联谐振电路。
在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果用高质的晶，则不管频率为多少，C1，C2通常都选择30pF。
有时，在某些应用场合，为了降低成本，晶体振荡器可用陶瓷振荡器代替。
如果使用陶瓷振荡器，则电容C1，C2的值取47pF。
3.1.4复位电路的设计
由89系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，是CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期），则CPU就可以相应并将系统复位。
复位时序如图5所示，因外部的复位信号是与内部时钟异步的，所以在每个机器周期S5，P2都对RST引脚上的状态采样。
当在RST端采样到“1”信号且该信号维持19个振荡周期后，经过1-2个机器周期后退出复位状态，重新启动时钟，并恢复ALE和/PSEN的状态。
如果在系统复位时期将ALE和/PSEN引脚拉成低电平，则会引起芯片进入不定状态。
图5内部复位定时时序
上电复位电路如图6所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻即可。
上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
图6上电自动复位电路
手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般才用的方法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则VCC的＋５V点评就会直接加到RST端。
由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以保证能满足复位的时间要求。
手动复位的电路图如图7所示。
图7手动复位电路
3.2点火系统部分
在现有的四冲程发动机中，绝大多数的电子点火器采用的都是磁电机直接供电的电容放电CDI点火器。
其原
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