毕业论文设计基于单片机的汽车发动机的控制与检测系统设计Word格式文档下载.docx

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2.6压力传感器4

2.7单片机4

2.8电子点火5

2.9电子喷油6

2.10刹车制动6

2.11负荷特性控制机构7

2.12辅助电源模块7

3单元电路的设计8

3.1温度调理电路8

3.2刹车制动电路的设计9

3.3大气压力调理电路的设计9

3.4单片机的设计11

3.5电子点火电路的设计13

3.6辅助电源模块的设计13

3.7扭矩转速油耗调理电路的设计14

3.8输出保护电路的设计14

3.9电喷电路中阀值比较电路的设计14

3.10电喷电路中执行器控制电路的设计15

3.11转速油门控制电路的设计15

3.12报警电路的设计16

4结论16

参考文献16

致谢17

1前言

汽车工业作为现代工业的一个支柱产业，是一个国家工业现代化发展水平的标志。

近年来随着人们的生活水平的不断提高，人们对汽车的需求量也日益提高，发动机作为汽车的核心部件，除了结构设计，制造工艺改进外还要对其性能做一个检测。

保证发动机的安全性。

另外随着电子和自动化技术的不断革新，发动机的测试技术也得到了相应的发展，具体地表现为测试设备功能越来越强大，集成度高，使发动机的某些性能指标测量手段得到改进。

在此基础之上引进单片机控制技术，把单片机与测量设备相连，对发动机进行测量与控制。

随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛。

今天的汽车已经逐步进入了电脑控制的时代。

国外专家预测未来3～5年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的25%以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车”在现代汽车上，机械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。

电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。

经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中，当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的运算程序进行运算、然后和内存中的最佳工况的参数进行比较和判断再调整供油量。

这样就能够使发动机一直处于最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。

由于汽车电子控制系统的多样化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。

为此，研制新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必要的。

未来的智能化集成传感器，不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大和处理。

同时，它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。

它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。

微处理机的出现给汽车仪表带来了革命性的变化，世界汽车工业的微处理机用量激增，由从前单一的仪器逐步发展为多用途、智能化仪表，不但可以很精确地把汽车上所有的待测量都检测出来，分别显示和打印需要的结果，而且还有运算、判断、预测和引导等功能。

如可监视汽车各大部件的工作情况，还可以对蓄电池电压、轮胎气压、车速等检测量的高低限量进行报警。

微处理机将更广泛地应用于安全、环保、发动机、传动系、速度控制和故障诊断中。

汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商们的高度重视。

其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现。

智能交通系统（ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，它能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。

它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。

从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线。

未来的某天，路上行驶的都会是由计算机控制的智能汽车，汽车电子技术未来将实现整车控制。

2整体方案

2.1基于单片机的汽车发动机的控制与检测系统模块

在图1中包含转速传感器，爆震传感器，节气门开度传感器，温度传感器，气压传感器，油耗仪，水温油温报警保护，波形调理电路，单片机，电子点火，电喷电路，刹车电路。

此电路由各个传感器的检测信号，通过转换把信号传给单片机，用单片机控制发动机电子点火，电喷，以及刹车。

整个系统采集和控制的都是模拟量，爆震传感器，节气门传感器，温度传感器，气压传感器直接送入外围信号调理电路。

油耗信号送入油耗仪。

转速，扭矩信号送入控制器。

所采集的转速，扭矩参数从控制器中取得。

转速，扭矩，油耗模拟电压值0-10V经外围信号调理电路后为0-5V，进单片机的AD转换。

其他信号经外围信号调理电路后为0-5V，进单片机AD转换。

单片机处理后来进行控制。

如发生紧急情况可以实现急停，另外有保护电路，配套的控制器有转速，油门输入输出信号口，为单片机采集控制创造条件。

图1基于单片机的汽车发动机的控制与检测系统模块

2.2转速传感器

介绍最常见的一种转速传感器电磁式转速传感器。

传感器的结构它由永磁体，极轴和感应线圈等组成。

极轴头部结构有凿式和柱式两种。

齿圈旋转时，齿顶和齿隙交替对向极轴。

在齿圈旋转过程中，感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势，此信号通过感应线圈末端的电缆输入控制器。

当齿圈的转速发生变化时，感应电动势的频率也变化。

它由电缆，永磁体，外壳，感应线圈，极轴，齿圈组成。

2.3爆震传感器

发动机工作时因点火时间提前过度（点火提前角）、发动机的负荷、温度及燃料的质量等影响，会引起发动机爆震。

发生爆震时，由于气体燃烧在活塞运动到上止点之前，轻者产生噪音及降低发动机的功率，重者会损坏发动机的机械部件。

为了防止爆震的产生，爆震传感器是不可缺少的重要部件，以便通过电子控制系统去调整点火提前时间。

发动机发生爆震时，爆震传感器把发动机的机械振动转变为信号电压送至控制器。

控制器根据其内部事先储存的点火及其他数据，及时计算修正点火提前角，去调整点火时间，防止爆震的发生。

爆震传感器也有多种类型。

常见的有压电式和瓷质伸缩式两大类。

其中压电式共振型传感器应用最多，它一般安装在发动机机体上部，利用压电效应把爆震时产生的机械振动转变为信号电压。

当产生爆震时的振动频率（约6000Hz左右）与压电效应传感器自身的固有频率一致时，即产生共振现象。

这时传感器会输出一个很高的爆震信号电压送至控制器，控制器及时修正点火时间，避免爆震的产生。

它由绕组，铁心，外壳，永久磁铁组成。

2.4节气门开度传感器

节气门是控制空气进入发动机的一道可控阀门，气体进入进气管后会和汽油混合成可燃混合气，从而燃烧做功。

它上接空气滤清器，下接发动机缸体，被称为是汽车发动机的咽喉。

节气门有传统拉线式和电子节气门两种，传统发动机节气门操纵机构是通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端连接油门踏板，另一端连接节气门连动板而工作。

电子节气门主要通过节气门位置传感器，来根据发动机所需能量，控制节气门的开启角度，从而调节进气量的大小。

它由节气门，电双轮道，节气位置传感器，动齿轮，泊蕉吸入口组成。

2.5温度传感器

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。

温度传感器随温度变化而引起的物理参数变化有：

膨胀，电阻，电容，热电动势，磁性能，频率等等。

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；

测量范围广，可从-50℃～1600℃进行连续测量。

特殊的热电偶如金，铁，镍，铬最低可测到-269℃，钨，铼最高可达2800℃。

它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器。

热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。

虽然传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。

所以不采用此方案。

DS18B20是DALLAS（达拉斯）公司生产的，体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。

DS18B20最高12位分辨率，精度可达±

0.5摄氏度，检测温度范围为-55℃～+125℃，适合于恶劣环境的现场温度测量。

LM35D是精密集成电路温度传感器，线性好（10mV℃），宽量程（0℃—100℃），它的输出电压与摄氏温度线性成比例，无需外部校准或微调来提供±

0.4℃的常用的室温精度。

电阻式传感器广泛应用于测量-200～960℃范围内的温度。

铜热电阻主要应用于测量-50～150℃范围内的场合。

铜容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好而且电阻温度系数大，温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高。

但铜热电阻与铂热电阻相比，铜的电阻率低，因此铜电阻的体积较大。

而且铜易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。

因精度不高且检测温度较低，所以不采用。

铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计，同时其测量精度高。

在氧化性介质中、甚至在高温下、其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。

但其在还原性介质中特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。

因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。

所以铂热电阻可以作为此次温度检测电路的温度传感器。

经过比较此系统选择K型热电偶和铂（PT100）金属热电阻两种温度传感器。

2.6压力传感器

在此系统中大气压力也是影响发动机的主要因素之一，西藏地区海拔高，空气稀薄，含氧量低，以海拔3000m为例，其大气压力为内地的70%。

空气密度为内地的74%汽车在高原地区行驶时海拔高度增加大气压力降低使空气密度降低，经空气流量计进入的流量就降低了，为避免混合气过浓与油耗过高，应根据大气压力传感器输入的信号，对大气压力进行修正，提供给发动机一个喷油的修正值，海拔高度不一样，喷油量也不一样，空气压力传感器可以检测大气压力对大气压力修正提供依据。

根据测量原理不一样，力传感器可分为应变式力传感器，压阻式力传感器，压电式力传感器，以及压磁式力传感器等几种。

测量大气压力选择压阻式力传感器。

压阻式压力传感器是指当半导体材料在某一方向受到应力作用时它的电阻率会发生明显变化，这种现象被称为半导体压阻效应。

压阻式传感器是根据半导体压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。

压阻式传感器的灵敏度要比金属应变片系数大50—100倍。

有时压阻式传感器输出不需要放大就可以用于测量。

此外它还有分辨率高，尺寸小，横向效应小，滞后和蠕变小，响应频率高压阻式传感器。

没有压力作用时输出电压为零，当有压力作用时则有电压输出，且输出的电压与所受压力成正比。

因而根据电压大小就知道压力大小。

为了减少温度的影响最好采用恒流源供电。

2.7单片机

最早由Intel公司推出的805131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AD、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入输出控制的HSLHSO、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。

首先，89C51单片机是8位单片机。

其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，总共具有111条指令。

而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。

这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。

其次，89C51单片机本身的电源电压是5V，有两种低功耗方式：

待机方式和掉电方式。

正常情况下消耗的电流为24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为3mA；

即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。

2.8电子点火

现在的汽车基本都装配的是磁感应电子点火系统，当发动机工作时，分寄电器通过转子。

定子，使传感器圈内磁通发生变化，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。

我们一般把点火控制器又称电子点火控制器，电子点火组件或点火器，主要由点火专用的集成电路和一些辅助电子元件组成。

它的主要作用是根据磁感应传感器输出的电压信号，控制点火线圈初级绕组电路的导通与截止，使点火线圈产生高压电。

此外，点火控制器还有恒流源，闭合角控制，停车断电控制，过压保护等功能。

2.8.1霍尔信号发生器的优点

1）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。

2）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。

2.8.2点火器的功能和基本电路

桑塔纳轿车等用的霍尔电子点火系统中的点火器，除具有前述丰田、伏尔加轿车点火器的开关功能，即接通和切断初级电路外，还具有许多功能，如限流控制、闭合角控制、停车断电保护等功能。

由于该点火器具备较多的功能，因而使该点火系统具有更多的优越性，如点火能量高，且在怠速至高速整个发动机转速范围内基本保持恒定；

高速不断火；

低速耗能小；

起动可靠等优点。

与霍尔信号发生器相匹配的点火器，国内已有多家研制并投入生产，它们都是采用先进的混合集成电路，一般多是由专用的点火集成块和一些外围电路组成。

为了改善其散热条件，点火器紧密地固定在一块铝板上，其上部用塑料盒封装，具有体积小、重量轻、功能多、可靠性高的特点。

1）为了提高点火系统的调整精度和各种工况的适应性，在电子点火系统基础上，采用了微机控制。

系统的特点是：

不但没有分电器，而且在提前角的控制方面也没有离心提前装置和真空装置。

从初级线圈电流的接通时间到点火时刻全部采用微机进行控制。

其工作的原理如下：

通过传感器检测发动机的转速和负荷大小，由此查阅存在内部存储器中的最佳控制参数，从而获得这一工况下的最佳点火提前角和点火线圈初级电路的最佳闭合角。

通过控制三极管的通断时间实现控制目的。

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转速值，再通过电控燃油喷射节气门传感器确定负荷的大小从而对发动机的运行情况做出比较精确的判断，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的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。

2）点火提前角的控制：

因点火提前角对发动机的工作影响较大，因此对点火提前角控制就成为点火的重点。

发动机的工作原理和各类实验表明：

发动机的最佳点火提前角与发动机转速及负荷有密切关系，并且发动机运行工况不同时，对其动力性，经济型和排放污染量有不同的控制标准，这也意味着发动机最佳点火提前角在不同的工况时有不同的标准；

在怠速时最佳点火提前角应保证在发动机运转平稳的前提下排放污染物控制在最低限度；

在部分负荷工况下以经济为主，最佳提前角应保证发动机最低燃油消耗量；

在大负荷和加速工况下以动力为主，最佳提前角应保证使发动机获得最大输出扭矩。

最佳提前角是对发动机进行实验而得。

设计人员将这些数据存储到微机存储单元中，在发动机工作时，微机根据各传感器的测量数据确定发动机的运行工况，查出最佳点火提前角数值，再通过电子点火器对点火提前角进行控制。

3）通电时间控制:

点火线圈初级电流的大小与电路的接通时间有关，通电时间越长电流越大点火能量也越大，但是电流过大将导致点火线圈发热甚至损坏且造成能量的浪费；

同时线圈中的电流也受电源电压的影响，在相同的通电时间内，电源电压越高线圈电流越大。

因此有必要对线圈电路的接通时间进行修正。

通电时间控制方法一般是由微机从通电时间与电源电压关系曲线中查出通电时间，再根据发动机转速算出曲轴转角以决定线圈中的电流的大小。

2.9电子喷油

电喷发动机是采用电子控制装置.取代传统的机械系统（如化油器）来控制发动机的供油过程。

如汽油机电喷就是通过各种传感器将发动机的温度、空燃比、油门状况、发动机的转速、负荷、曲轴位置、车辆行驶状况等信号输入电子控制装置。

电子控制装置根据这些信号参数。

计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻,将汽油在一定压力下通过喷油器喷入到进气管中雾化。

并与进入的空气气流混合,进入燃烧室燃烧,从而确保发动机和催化转化器始终工作在最佳状态。

这种由电子系统控制将燃料由喷油器喷入发动机进气系统中的发动机称为电喷发动机。

电喷发喷油器动机按数量可分为多点喷射和单点喷射。

2.10刹车制动

电喷发动机包括直喷发动机工作原理大致情况：

一旦驾驶人员放开油门，汽车将不在继续给车辆供应保持，怠速情况所超过的燃油，虽然此时发动机转速并非直接正常怠速转速，如750或800转（不同车辆调教不同）。

原因就在于此时车辆惯性带动-驱动轮带动-变速箱-发动机曲轴-带动活塞-然后所做的活塞运动-也就是转速。

在这个发动机转速被动影响的过程中，整个汽车传动系统以及滚动系统将很大程度上消耗汽车原有的惯性前行。

这也就是所谓的发动机制动。

现代轿车的制动器有鼓式和盘式两大类型，它们各有千秋，但随着轿车车速的不断提高，近年来采用盘式制动器的轿车日益增多尤其是中高级轿车，一般都采用了盘式制动器。

汽车制动简单来讲，就是利用摩擦将动能转换成热能，使汽车失去动能而停止下来。

因此，散热对制动系统是十分重要的。

如果制动系统经常处于高温状态，就会阻碍能量的转换过程，造成制动性能下降。

越是跑得快的汽车，制动起来所产生的热量越大，对制动性能的影响也越大。

解决好散热问题，对提高汽车的制动性能也就起了很大的作用。

所以，现代轿车的车轮除了使用铝合金车圈来降低温度外，还倾向于采用散热性能较好的盘式制动器。

盘式制动器又称为蝶式制动器，顾名思义是取其形状而得名。

它由液压控制，主要零部件有制动盘，分泵，制动钳，油管等。

制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。

分泵固定在制动器的底板上固定不动。

制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。

分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。

这种制动器散热快，重量轻，构造简单，调整方便。

特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短时间内令车停下。

有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔，加速通风散热提高制动效率。

反观鼓式制动器，由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。

制动蹄片和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。

当然，盘式制动器也有自己的缺陷，例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。

而鼓动制动器成本低廉，比较经济。

所以，汽车设计者从经济与实用的角度出发，一般轿车采用了混合的形式，前轮盘式制动，后轮鼓式制动。

四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车的百分之七十到百分之八十。

因此前轮制动力要比后轮大。

轿车生产厂家为了节省成本，就采用前轮盘式制动，后轮鼓式制动的方式。

四轮盘式制动的中高级轿车，采用前轮通风盘式制动是为了更好地散热，至于后轮采用非通风盘式同样也是成本的原因。

毕竟通风盘式的制造工艺要复杂得多，价格也就相对贵了。

随着材料科学的发展及成本的降低，在汽车领域中，盘式制动有逐渐取代鼓式制动的趋向。

盘式制动器的结构：

它有转向节，调整垫片，活塞，制动块总成，导向支承销，制动钳体，轮辐，回位弹簧，制动盘，轮毂

2.11负荷特性控制机构

转矩传感器可见在发动机测功率测量中，扭矩M和转速n是基本物理量，而扭矩对功率测量精度的影响很大。

此系统中，扭矩量的测定精度要求比较高，因为扭矩的微弱变化正反映了所测发动机输出功率的大小，而发动机输出功率的大小是发动机生产者和使用者共同最关心的问题，因此扭矩的测量要求精确。

扭矩测量的方法是电涡流测功机产生了制动转矩。

该转矩通过外环及传力臂传至测力装置上，由力传感器将力的大小转换成电信号输出，从而达到测转矩的目的。

2.12辅助电源模块

辅助电源模块在汽车系统中一般只提供1