PIC單片機在摩托車用點火系統(tǒng)中的運用

摘要 數(shù)字點火方式具有適時性好、響應快、控制點火時刻更精確等優(yōu)點。用PIC單片機實現(xiàn)對點火提前角的控制，可靈活調(diào)整提前角度，從而使發(fā)動機在各種工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能達到在最佳時刻點火，展現(xiàn)發(fā)動機最佳性能，實現(xiàn)提前角的數(shù)字化控制。

目前控制點火角使用最多的是非接觸式電容放電點火系統(tǒng)和非接觸式晶體管點火系統(tǒng)。然而常規(guī)的模擬式電子點火系統(tǒng)，即使在已經(jīng)獲得最佳點火角變化規(guī)律時，由于反應不靈敏及其他固有缺陷，仍難以按此規(guī)律作出準確的點火角控制。文中提出了由智能芯片(MCU)控制的數(shù)字化點火系統(tǒng)。數(shù)字式點火器可充分發(fā)揮軟件的強大功能，精確地控制點火提前角，使發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下精確地達到最佳點火。

單片機選用PIC16F877芯片，它屬于閃存式(Flash)單芯片，可以重復擦寫，其ROM的容量總共是8 kB。PIC單片機指令集的一大特點是均為單字節(jié)指令，這個特點有利于抗干擾，且具有工業(yè)級的芯片特性和較低廉的價格，故選它作為摩托車發(fā)動機機點火提前角的控制單片機。

1 點火系統(tǒng)工作原理

首先，由速度傳感器在磁電機上采集速度信號，送入處理、整形電路，最終送給PIC單片機。PIC單片機經(jīng)過軟件運算處理，啟動點火電路，由磁電機充電線圈提供點火所需的電壓，最終使發(fā)動機在最佳時刻完成點火動作。

傳感電路是整個點火系統(tǒng)中的一個重要部分，包括傳感器信號采集電路和信號處理電路。目前，普通的摩托車點火系統(tǒng)，一般只有發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器主要使用的是磁電機點火觸發(fā)線圈。磁電機點火觸發(fā)線圈通過磁電機磁缸上的凸臺切割點時會觸發(fā)線圈磁場，從而在線圈上感應出脈沖電流。當磁電機點火觸發(fā)線圈通過凸臺前沿感應線圈時，線圈產(chǎn)生一個正脈沖;當磁電機點火觸發(fā)線圈通過凸臺后沿感應線圈時，線圈產(chǎn)生一個負脈沖。

這種采用磁電機點火觸發(fā)線圈方式存在的問題是：點火響應時間不準，提前、遲緩引起的誤差較大，而且存在易被干擾等缺陷。

磁電機的轉(zhuǎn)速信號中能分離出較好的正脈沖信號，正脈沖信號經(jīng)過光耦隔離后，信號還會夾雜有干擾，需要再經(jīng)過RC濾波電路處理。從而可得到滿足單片機端口要求的方波信號，將方波信號送入單片機的CCP模塊進行信號捕捉，計算兩個正脈沖上升沿之間的時間差，從而可以作為區(qū)分轉(zhuǎn)速信號的依據(jù)。CCP是PIC單片機“輸入捕捉輸出比較脈寬調(diào)制”功能的簡稱。文中只使用捕捉功能，用于測量引腳輸入的周期方波信號的周期、頻率和占空比等，也可用于測量引腳輸入的非周期性方波脈沖信號的到達或消失時刻等參數(shù)。

2 對發(fā)動機負荷的測量

發(fā)動機負荷發(fā)生變化時，最佳點火角也會發(fā)生相應變化。負荷會通過節(jié)氣門開度表現(xiàn)出來，所以通過采用節(jié)氣門位置傳感器就可以測量發(fā)動機負荷的變化。

模擬式節(jié)氣門位置傳感器(TPS)是一個變電阻式傳感器。節(jié)氣門位置傳感器在節(jié)氣門關(guān)閉時會產(chǎn)生約1 V的電壓，在全開時產(chǎn)生約5 V的電壓。對此電壓信號經(jīng)過限流、濾波、整形后，送入PIC單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊。以此獲得用不同電壓來測量當時發(fā)動機的負荷。

通過大量的試驗取得轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負荷以及最佳點火提前角關(guān)系的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)制表進行軟件編程寫入PIC單片機，在發(fā)動機運行時PIC單片機可以在最佳的時刻點火，發(fā)動機有最佳的性能表現(xiàn)。

3 單片機的設(shè)計

單片機為高集成度智能處理芯片，外圍電路較為簡單，主要有：晶振電路、按鍵電路、指示燈電路、節(jié)氣門傳感電路等。

軟件主程序及中斷程序的設(shè)計思路以及程序流程基本是按前述信號處理流程來處理的。輸入RA1口按鍵電路是讓單片機識別不同按鍵按下時產(chǎn)生的不同電壓來進行狀態(tài)選擇。在測量中主要是單片機按照預先制定的程序自行調(diào)整點火角的提前量。但影響點火提前的因素較多，希望找到最符合發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的提前角曲線。因此不考慮其它因素，僅通過調(diào)整提前角尋找最佳點火點是很方便的。

中斷服務子程序用來判斷是否捕捉到了連續(xù)兩個上升沿之間的時間差。因為內(nèi)部時鐘與PIC單片機的時鐘周期及對定時器的分頻比設(shè)定等均有關(guān)系，因此得到的值不完全等于實際時間。表1是單片機測量到的時間與實際轉(zhuǎn)速。

從表1可知，時差隨轉(zhuǎn)速的上升而下降，且下降的速度不同，低速和高速時變化較快，中速階段變化較慢。而這些值也成為單片機識別磁電機轉(zhuǎn)速的依據(jù)，從而實現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下自動選擇不同點火提前角。

4 對抗干擾的研究

在車輛上，電磁干擾的主要來源是電機干擾源、點火線圈干擾源、高壓導線干擾源、繼電器和其他開關(guān)設(shè)備等干擾源。影響車載設(shè)備的主要干擾來自車用電源耦合的電磁干擾和汽車電子系統(tǒng)輻射的空間電磁干擾。對于空間電磁干擾，用一個屏蔽罩將整個電路系統(tǒng)封閉，減小了輻射干擾。屏蔽結(jié)構(gòu)要盡量減少不必要的開孔、縫隙及尖端突出物，以避免泄露。屏蔽體與設(shè)備之間要保持一定距離，否則會損耗大量有功能量，減低設(shè)備的功率，而達不到屏蔽應有的效果。

干擾對單片機系統(tǒng)最常見的影響是程序運行異常。干擾使單片機的PC值到了未使用的地址空間而進行毫無意義的運行，即“跑飛”或者程序雖然在正常的地址空間運行，但干擾使程序跳轉(zhuǎn)到本不應去的地方運行或進入“死循環(huán)”。為此，在程序中加入“軟件監(jiān)控”，對程序進行攔截，使“跑飛”的程序在程序區(qū)迅速重回正軌，應多用單字節(jié)指令，并在若干關(guān)鍵處有意插入多個單字節(jié)指令NOP或?qū)Τ绦蛄飨蚱鹬匾饔玫闹噶?JC、JNC、LJMP、RET等)重復編寫以保證這些指令的執(zhí)行，這被稱為指令冗余技術(shù)，也可使用單片機自帶的看門狗。

5 結(jié)束語

該點火器滿足了摩托車從低速到高速全工況點火提前角要求，增加了控制的靈活性。同時可控制點火提前角精度在1℃以下，并可通過按鍵手動調(diào)整。PIC單片機價格低、功能強，非常適用于工業(yè)控制。通過編程利用其內(nèi)部功能可簡化外圍電路，使測試設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。同時它的可編程特性，更增加了靈活性，為今后的功能擴展提供了可能。