（载运工具运用工程专业论文）基于8位单片机的摩托车发动机电控单元开发.pdf

摘要：能源短缺、环境恶化与汽车、摩托车工业的发展密切相关。汽车、摩托车发 动机主要使用汽油、柴油这两种石油燃料，而且石油燃料是不可再生的能源，随着 工业水平的不断提高，对石油燃料的需求逐渐加大，其生产远不能满足需求，如何 节约能源和控制废气排放成为人们关心的课题。 随着国家对大气环境治理力度的加大，摩托车排放法规会逐年加严，达不到排 放法规要求的摩托车将不允许投放市场。电控燃油喷射技术以其良好的节能效果和 低排放的性能成为当前摩托车环保技术中的最佳选择。预计在不久的将来，随着排 放法规的逐步加严，必将给摩托车电控燃油喷射系统提供一个广阔的市场。 随着发动机排放标准的日益严格，摩托车发动机电喷化的速度明显加快，电控 燃油喷射取代化油器已成为发展必然。目前国外大排量摩托车均已采用电喷系统， 而且向中小排量摩托车扩展的趋势明显加快。本文针对国产1 2 5 摩托车汽油发动机， 开展了电控燃油喷射与系统优化技术的研究。 本文电控燃油喷射系统是通过安装在发动机上的各种传感器，将发动机运行的 状态参数，如空气温度、发动机温度、节气门位置等，输入电控单元e c u ，通过 e c u 的计算、分析、处理，准确控制电磁喷油器的喷油起始时间和持续时间，达到 完全燃烧，机内净化。 本文是以1 2 5 m l 摩托车为主要研究对象，对原化油器摩托车进行了电喷改造。 在此基础上，以m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 为主控制芯片，编写电控燃油喷射程序，按照“中 断+ 主控程序 的设计思想设计了电控单元的软件系统，并针对发动机的不同工况， 制定了相应的燃油喷射控制策略，精确地控制喷油时刻和喷油脉宽。另外，还进行 了软件系统的抗干扰设计。 在完成了系统软件设计之后，建立了喷油脉宽的数学模型。通过模拟计算获得 汽油机喷油初始m a p 。然后通过试验对初始喷油m a p 进行了修正，绘制出实际喷 油m a p 。 将这套系统应用于摩托车，可在整车成本提高不多的情况下，大幅度提高发动 机的动力性和经济性，降低排放，提高整车的技术水平。最后，对改造后的新型电 喷摩托车和原车进行了发动机台架试验和整车试验，结果表明，此电喷摩托车在保 持动力性和经济性的同时，排放得到了明显改善。而且该系统经适当的技术匹配后 可应用于绝大多数摩托车发动机，具有良好的应用前景。 关键词：电控燃油喷射系统，喷油m a p ，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片 a b s t r a c t ：e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a v et h ec l o s e dr e l a t i o nw i t ht h e a u t o m o t i v ea n dm o t o r c y c l ei n d u s t r y t h eg a s o l i n ea n dd i e s e la r em a i nf u e l sf o r a u t o m o t i v ea n dm o t o r c y c l ee n g i n e s a sw e l la st h ed e v e l o p i n go ft h ei n d u s t r yl e v e l ，t h e r e q u i r e m e n t sa b o u tf u e l sw i l lb em u c hl a r g e rt h a nt h es u p p l y h o wt os a v ee n e r g ya n d c o n t r o lt h ee x h a u s te m i s s i o n sa r et h em a i nt o p i c sp e o p l ec a r ea b o u t w i t hm o r ea n dm o r es t r i c ke x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r di nr e c e n ty e a r s ，t h em o t o r c y c l e w h i c hc a nn o tb eu pt ot h ee m i s s i o ns t a n d a r dw i l ln o tb el a u n c h e d e l e c t r o n i cc o n t r o l l e d f u e li n j e c t i o n ( e f i ) t e c l m o l o g yi st h eb e s tc h o i c ef o rt h ec u r r e n tm o t o r c y c l ee n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tf u e le c o n o m ya n dl o we m i s s i o n s o ， m o t o r c y c l ee f is y s t e mh a sah u g em a r k e ti nt h ef u t u r e w i t ht h ee m i s s i o ns t a n d a r d so fe n g i n eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n t ，t h ep a c eo fe f i m o t o r c y c l ee n g i n ei sm a r k e d l ya c c e l e r a t e da n dt h ee f ir e p l a c et h ec a r b u r e t o rh a s b e c o m et h ei n e v i t a b l e a tp r e s e n tm o t o r c y c l e sw i t hl a r g ed i s p l a c e m e n th a v ea d o p t e de f i s y s t e mi nf o r e i g na n dt h ee x p a n s i o nt r e n do fm o t o r c y c l ew i t hs m a l la n dm e d i u m - s i z e d d i s p l a c e m e n th a sa c c e l e r a t e dn o t i c e a b l y s t u d yo fe f ia n do p t i m i z a t i o no ne l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mf o rm o t o r c y c l ee n g i n e1 2 5i sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r i n t h i sp a p e r , e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e mn e e db es e tv a r i o u so fs e n s o r si nt h e m o t o li n p u tt h em o t o rs t a t ep a r a m e t e r , l i k et h ea i rt e m p e r a t u r e ，t h em o t o rt e m p e r a t u r e ， t h et h r o t t l ev a l v ep o s i t i o na n ds oo n ，t ot h ee l e c t r o n i cc o n t r o lc e l l ，t h e nb yc a l c u l a t i o n 、 a n a l y s i sa n dp r o c e s so fe c u ，i tc a nc o n t r o lt h ef u e li n f e c t i o ns y s t e mt ob e g i n ，r u nw i t h c o m p l e t i n gb u r n i n ga n dp u r g i n gi nt h em o t o re l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em o s t l yr e s e a r c ho b j e c ti s12 5 m lm o t o r c y c l e ，t h ef o r m e rc a r b u r e t o r s y s t e mi ss u b s t i t u t e db ye l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e m b a s e do nt h i s ，b ym e a n so f m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2c h i p ，t h i sp a p e rc o m p i l e st h ep r o g r a mo fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e df u e l i n j e c t i o ns y s t e ma n dd e s i g nt h es o f t w a r es y s t e mo fe c ua c c o r d i n gt oi n t e r r u p tp l u sm a i n c o n t r o lp r o g r a m ，t h ed i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r es e tu pa c c o r d i n gt ov a r i o u se n g i n e p e r f o r m a n c ec o n d i t i o n sa n de x a c t l yc o n t r o lw h e na n dh o wl o n gt h ef u e li n j e c t i o ns y s t e m r u n b e s i d e s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h es o f t w a r ea n t i - j a m m i n g a f t e rd e s i g n i n go fs o f t w a r e ，t h i sp a p e rs e t su pt h em a t h e m a t i c s m a t r i x b yt h i sm a t r i x ， t h ei n i t i a lf u e li n j e c t i o nm a pi so b t a i n e d t h e nt h ei n i t i a lm a pi sc o r r e c t e db yt e s t ，a n d d e s c r i b i n gt h ea c t u a lf u e li n j e c t i o nm a p t h r o u g ha p p l y i n gt h i ss y s t e mo nm o t o r c y c l e ，i tc a ne n h a n c et h ep o w e ra n de c o n o m y a n dl o w e rd o w nt h ee m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e f i n a l l y , e n g i n eb a d e x p e r i m e n t sa n dm o t o r c y c l ei n t e g e re x p e r i m e n t s a r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e w m o t o r c y c l ei sa g r e e dw i t hc a r b u r e t o rm o t o r c y c l ei nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n df u e l e c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c ，b u te x h a u s te m i s s i o ni sd e c r e a s eg r e a t l y o nt h eo t h e rh a n dt h e c o s td o e sn o tr a i s em o r e a f t e rs o m em a t c h i n gw o r kt h es y s t e mc a l lb ea p p l i e do na l m o s t a l lk i n d so fm o t o r c y c l ee n g i n e s ，i ti st r u s t e dt h a tt h es y s t e mh a sag o o df u t u r e k e yw o r d s ：e f is y s t e m ，f u e li n j e c t i o nm a p ，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2c h i p 声明尸日日月 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和敛谢的地方外，论文中不包含他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：葛竭蹶 关于论文侵崩授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文：提交论文一年后，允询：论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的讫文在解密后应遵守此规定) 签名：趸为导师签 期： ? 钞 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题研究的意义 电喷摩托车是现阶段最为理想的摩托车产品，城乡居民具有强烈的购买欲望， 各中、小城市有着巨大的潜在市场，摩托车生产厂家也非常重视城乡市场的开拓。 并且对现有摩托车和助动车的替代本身就是很大的市场，城乡居民的消费特点为电 喷摩托车的发展提供了机遇，新兴市场的潜力依然巨大。 从技术经济分析的角度出发，大部分专家认为电控摩托车将在5 1 0 年内成为 摩托车市场的主导产品。从短期来看，电控摩托车处于一个市场渗透阶段，此后， 电控摩托车将处于一个大发展时期，产量和需求量都会大幅度增加，污染严重的非 电控摩托车将逐步被取代，电控摩托车将成为市场的主流。燃油喷射技术是降低污 染和控制油耗的一项关键技术，它能根据发动机工况的变化提供精确空燃比的混合 气，同时改变点火提前角，以达到优化发动机燃烧过程的目的。如果电控摩托车成 为市场的主导产品，则其市场占有率将在5 0 7 0 之间n 1 。 虽然目前已有9 0 的汽油发动机采用了电喷技术，但国内采用电喷技术的摩托 车还不到1 。影响4 , t 4 量摩托车电喷技术推广的主要问题就是电喷系统的成本相对 整车来说较高。影响成本的主要原因是电喷产品的生产设备和开发投入十分巨大， 单是几十万套生产能力的发动机控制单元e c u 生产线就需四五千万元，加上喷嘴、 传感器、油泵的生产线及较高的开发费用，一般企业难以承受。但是，随着我国排 放法规的日趋严格，摩托车电子控制喷射系统的开发已经成为一项迫在眉睫的工 程。 1 环保和节能是发动机技术发展的一个永恒话题。从世界各主要国家和地区 对摩托车排放几种控制方法的比较可以看出，电控技术是发展方向。因为它对污染 物排放的控制非常出色，而且电控技术还有很好的节油效果。因此，电控摩托车的 开发和推广将是大势所趋。 2 在价格方面，专家认为电控摩托车与非电控摩托车的差价不能超过1 0 0 0 元， 否则价格因素将制约电控摩托车的发展。不过，随着电控技术的普及、发展以及生 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 产量的扩大，其成本完全能够大幅度降低。事实上电控技术已经在汽车上应用的非 常成熟，其取代化油器汽车的趋势可以作为摩托车今后发展方向的借鉴。在本课题 中，也考虑到了摩托车发动机电控系统的成本问题，选用了性价比更高的主控芯片。 3 目前，国内摩托车发动机上使用的电控系统，基本上都是从国外公司或合 资公司成套购买的，不仅系统的售价很高，而且企业无法掌握电控系统的核心技术。 因此，我国的摩托车企业必须与科研机构、院校加强合作，各取所长，开发出拥有 自主知识产权的电控摩托车，才能提高企业和产品的竞争力，开拓国际市场。 1 1 2 电控燃油喷射系统的优点 目前化油器式摩托车正面临着被淘汰的命运，电控燃油喷射发动机趋于普及，这 是因为它具有充气效率高、动力性能好、燃料消耗少及排气污染低等特点。采用汽油 喷射供油，是根据监测到的空气量信号以及各种工况参数信号，由发动机电子控制系 统计算出发动机燃烧室所需要的汽油量，并向喷油器提供喷油脉冲信号，然后将加有 一定压力的汽油通过喷油器供给发动机。电子控制燃油喷射发动机具有以下优点： 1 能够满足发动机各种工况对空燃比和点火提前角的不同要求，从而使排放特 性、燃油经济性和动力性达到最佳。发动机运转中，在点火m a p 基础上，每一个工 况都对应着一个最佳喷油量，不同转速、不同负荷与最佳喷油量组成三维曲面，称为 喷油特性图( 简称喷油m a p 睦f 1 ) 。在电控燃油喷射系统中，空燃比是由喷油器在各个工 况中喷油量的多少来决定的，喷油量的控制由e c u 根据发动机的不同运行工况控制喷 油器的不同喷射持续时间来实现。 2 没有化油器中的狭窄喉管，减少了节流损失，可以不要化油器发动机常用的 进气加热措施，因而进气密度提高，使充气效率得到改善。电喷系统中装有喷油嘴和 若干传感器。它是利用空气流量计或者是绝对压力传感器测量发动机的进气量，电子 控制单元( e c u ) 根据各种传感器( 进气温度、发动机转速、氧传感器、节气门开度传 感器以及缸盖温度传感器等) 提供信号进行计算，修正控制喷油嘴喷油的持续时间， 喷油嘴直接将燃油喷入进气管和进气歧管，使发动机获得该工况下运行所需要的最佳 空燃比。 3 具有良好的瞬态响应特性，改善了汽车、摩托车的加速性。电子控制燃油喷 射发动机系统可根据发动机温度和油门变化速率等，来控制喷油持续时间的，将燃油 直接喷入进气管和进气歧管。因此，在加速过程中能够防止加速时的混合气过稀的现 象。在发动机温度过低时，由于燃油挥发性较差，电喷系统能根据缸盖温度和节气门 2 1 绪论 的位置的变化情况进行必要的修正，来增加喷油量。 4 由于采用压力喷射，汽油雾化质量有了明显的改善，有利于快速和完全燃烧。 由于电控燃油喷射系统喷油器可以实现高压喷射，汽油从喷孔以较高压力喷出，在空 气阻力和高速流动的扰动下，汽油被击碎成雾状，从而大大增加了与空气的接触面积， 提高了雾化的细度和均匀度，使燃烧更加充分和完全。电控燃油喷射系统所供给混合 气的浓度按照发动机不同工况精确地控制，所以发动机可以在接近最佳的情况下工 作，其动力性和经济性可以得到充分发挥瞳1 。 1 1 3 课题研究的目的 本论文的目的就是针对四冲程摩托车发动机的节能和环保的要求，在参考国外摩 托车电喷系统及先进控制理论的基础上，对原有化油器摩托车进行电喷改造。通过多 次实验，绘制最佳喷油m a p 图，开发出与四冲程摩托车发动机相匹配的电子控制系 统，使其适应国内外日益严格的排放标准，因而具有十分重大的社会及经济效益。 1 2 摩托车电控技术的发展概况 1 2 1 国内摩托车电控技术的发展概况 随着人们生活水平的不断提高，摩托车作为方便快捷的交通工具，日益受到人 们的青睐。到目前为止，国内摩托车行业的骨干企业大都涉足了电控领域，并积极 尝试去开发摩托车电控技术。 1 原海南新大洲摩托车股份有限公司的“x d z s o d q t 电控摩托车项目 曾在2 0 0 0 年被有关方面确定为国家技术创新项目。随着2 0 0 1 年同本本田技研工业株式会社、海 南新大洲摩托车股份有限公司和天津摩托集团有限公司合资组建了新大洲本田摩托 有限公司，该项目也宣告终止。但是新大洲本田摩托有限公司并没有因此放弃电控技 术，他们依靠日本本田公司的技术支持，也在着手这方面的准备。 2 春兰集团根据欧洲最新的环保要求，对原四冲程发动机的电控系统进行了改 进，并将其成功应用到了出口欧洲的1 2 5 踏板车上。此次改进后的电控系统，传感器 部分和燃油供给系统均为小型摩托车专用设计。其中，传感器数量由过去的6 个减少 到了4 个；燃油供给系统通过采用燃油泵、调节器和滤油器的一体化设计，减少了管 线数量，并采用了容积只有过去一半大小的小型喷油器，实现了整个油路系统的轻量 化和小型化。 3 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 3 重庆力帆集团自主成功开发了系列电控摩托车，便在国内和产品出口国申请 了注册专利。力帆电控项目的创新主要集中在软件开发上，为此该集团专门成立了“重 庆力帆电控软件有限公司，如今电控软件己经由过去的第一代、第二代，发展为新 二代。目前已经成熟推出的第二代电控摩托车有单缸1 5 0 1 2 5 各型骑式车、风暴1 5 0 、 1l o l o o 各型弯梁车，即将成熟的电控摩托车有直列双缸1 2 5 车、水冷1 5 0 1 2 5 、水冷 弯梁车，正在推出的有v 型双缸2 5 0 车、踏板车等。2 0 0 3 年3 月，力帆集团与上海联合 汽车电子有限公司就进一步推动和落实摩托车电控项目进行了洽谈，双方共投资1 5 亿元成立一家合资公司，希望通过强强联合，形成品牌优势，加速推进我国摩托车电 控化的进程。 4 嘉陵j h l 2 5 3 1 b 型电控车首次亮相是在2 0 0 2 年的重庆高交会上。据悉，该车的 价位大约在1 0 0 0 0 元左右，较化油器的原型车提高约2 0 0 0 元。该车投放市场后，由于 价位偏高，况且原化油器车型销售一直很好，再加上同行业中个别厂家投放的电控车 效果并不理想，故而消费者暂时还难以接受。但是，该车的推出标志着嘉陵集团的电 控技术水平己经与国际接轨，为该集团的摩托车进入欧美及国际市场创造必备的准入 条件。目前，嘉陵集团正着手电控踏板车和太子车的研制工作，公司希望通过这两种 车型能进一步打开市场，提升电控车的销量口1 。 1 2 2 国外摩托车电控技术的发展概况 电喷摩托车技术在国外相对比较成熟，并有大量的电喷摩托车上市。但大部分 的电喷摩托车是大排量、豪华型的摩托车。对于中小排量的摩托车电喷技术处于领 先地位的应该属于澳大利亚的“奥必托 和意大利的“比亚乔 。 奥地利的a v l 公司于上世纪9 0 年代初，在铃木a x l 0 0 摩托车上研发成功了一 套二冲程摩托车半直接电控喷射系统( 简称s d i 系统) 。所谓半直接喷射，是指在二 冲程汽油机接近扫气行程终了时，电控喷嘴在扫气口处进行燃油喷射。半直喷系统 的应用可有效地减少二冲程汽油机在扫气行程中可燃混合气的“短路损失 ，从而 达到降低油耗和控制排放的目的。由于电控喷嘴安装于扫气口附近，所以该系统采 用低压喷射，对供油系统的要求相对较低，同时，扫气气流还对喷嘴具有一定的冷 却作用。但是由于该系统仍然是在扫气行程中进行燃油喷射，所以，还是有部分可 燃混合气经排气口逃逸，造成燃油的浪费以及较高的排放水平。 澳大利亚o r b i t a l 公司的s e f i 系统，该系统为二冲程汽油机缸内直接喷射系 统( 简称s e f i ) ，其最大特点是夹气喷射和缸内分层燃烧。主要目的是利用新鲜空气 4 1 绪论 扫气。在进气口接近关闭或已经关闭以后再向汽油机缸内喷射燃油，可有效地解决 普通二冲程摩托车汽油机的燃油“短路损失”问题，从而尽可能减少燃油直接排向 大气，大幅度降低了二冲程摩托车的排放与油耗指标。采用s e f i 系统后，按照e c e 4 0 工况法测试的二冲程摩托车的排放水平有大幅度地降低。但是，由于s e f i 系统 在增加电控单元、喷嘴、油泵以及有关传感器的同时，燃烧方式也要发生相应的改 变，需对气缸盖、气缸体和活塞进行重新设计，以实现分层燃烧。相对化油器而言， 成本会大幅度提高。同时，由于混合气过稀以及润滑条件较差，容易出现活塞烧顶、 拉缸等现象。因此，该系统在二冲程摩托车上的应用尚存在一定的困难。 法国s a g e m 公司的四冲程摩托车用燃油喷射系统，与二冲程汽油机的电喷系 统相比，四冲程汽油机所用的电控汽油喷射系统较为成熟。四冲程摩托车用燃油喷 射系统为进气管喷射。以开环或闭环控制方式对喷油量及点火提前角进行控制。目 前法国s a g e m 公司为我国部分摩托车生产企业开发的四冲程摩托车燃油电喷系统 已开始在国产摩托车上应用，有的企业己经生产出电喷样车或进行小批量试产。该 系统由于全部采用进口部件( 包括传感器) ，所以制造成本较高h 1 。 1 ：2 3 摩托车电控技术的发展趋势 随着排放法规的不断严格和电子技术的迅速发展，汽油机电控技术取得了显著的 进步，作为一种新技术已在汽车工业中建立了坚实的基础。目前，汽油机电子控制的 发展趋势还十分强劲。汽油机电控系统的研究和发展主要表现在几个方面： 控制器 随着电子技术的飞速发展，发动机的控制器在小型化的同时功能也越来越强。目 前，电控单元的硬件不断丰富，集成化程度越来越高，数据采集、计算和通讯速度不 断提高，对燃烧压力的瞬态变化也能进行实时处理。发动机控制向综合控制方向发展， 不仅实现对发动机本身的控制还同时兼有车辆自动变速、主动悬架及车速控制等的汽 车综合管理系统。当前，1 6 位机取代8 位机成为车用微机的主流机型，而且向3 2 位机 迈进，这将有力地支持控制系统发展更多、更高级的功能。 传感器 传感器的发展趋势是走向小型化、集成化及智能化，能够对温度、电压进行自动 补偿，并自动恢复由于长期使用造成的性能衰退；具备自诊断及自修复功能，并直接 输出数字信号，简化控制单元；传感器本身有较强抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 目前新型传感器的开发主要集中在燃烧数据传感器研制和发动机输出参数检测两个 5 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 领域钔。 控制软件 突出表现在新型控制理论在发动机控制中的实际应用，汽油机的控制理论从开环 控制走向闭环控制，从最优控制走向自适应、自学习控制，最终走向神经网络智能控 制。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题主要是研究开发单缸四冲程风冷摩托车电控燃油喷射系统，解决摩托车 喷油时刻和喷油脉宽的精确控制问题，使其在各种工况下始终处于最佳的状态，获 得最佳的动力性和燃油经济性。为此，本课题研究的内容就是利用摩托罗拉公司生 产的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片开发出适合的摩托车燃油喷射的电子控制系统。 主要工作内容有以下几个方面： 1 分析单缸四冲程发动机的结构和工作原理，掌握各个传感器的原理，并对原 摩托车进行电喷化改装； 2 针对以m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 单片机为主芯片的发动机电控单元，对整个电控汽 油喷射系统进行软件设计； 3 运用c 语言进行软件的设计和开发，编写燃油喷射程序，并利用0 8 编译器进行 软件调试和实验； 4 通过多次实验，测得不同转速和不同节气门开度情况下的喷油脉宽，并利用 m a t l a b 应用软件绘制适合本类型摩托车的实际喷油m a p 图； 5 进行工作总结，提出改进方向。 1 4 本章小结 本章介绍了课题研究的背景、课题研究的意义和课题研究的目的，简述了目前国 内外摩托车电控技术的发展及趋势和电控燃油喷射系统的优点，最后提出了本论文所 要研究的主要内容。 6 2 电控单元土芯片及实验设备系统 2 电控单元主芯片及实验设备系统 2 1 主芯片及系统控制方式的比较选择 2 1 1 电控单元主芯片的比较选择 m c 6 8 h c l l f l 是摩托罗拉公司生产的一款8 位单片机，2 0 世纪9 0 年代初期开 始广泛应用于汽车发动机电控系统中，在当时是属于性价比很高的一款单片机。但 是随着单片机技术发展的日新月异，摩托罗拉公司相继推出了m c 6 8 h c l 2 和 m c 6 8 h c 0 8 系列单片机，其中m c 6 8 h c l 2 系列是m c 6 8 h c l l 升级的1 6 位单片机， m c 6 8 h c 0 8 系列则是取代m c 6 8 h c l l 的8 位单片机。 下面对m c 6 8 h c l l f l 、m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 和m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 三款不同系列 单片机的主要性能参数进行了比较。 表1m c 6 8 h c l1 f 1 、m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 和m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 的性能比较 t a b l e lt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fm c 6 8 h c l1 f 1 、m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 、m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 7 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 通过表中数据可以看出，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 在硬件环境上可以满足摩托车发动 机电控单元开发的需要。与m c 6 8 h c l l f l 相比，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 采用了f l a s h 存 储等新技术，并且支持高级语言编程，是摩托罗拉公司今后主要发展的8 位单片机； 而m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 虽然在性能上比8 位单片机有了很大的提高，但是其价格也 要贵很多，m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的现售价在2 美元左右，m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 则为1 0 美元以上。因而0 8 系列单片机具有更高的性能价格比，更适合当前摩托车发动机 电控系统开发的要求，故本课题选择了m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 作为电控单元的主芯片。 2 1 2 系统控制方式的比较选择 在控制系统中，若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫做开环控制系 统。在开环控制系统中，既不需要对输入量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统 输入端与输入量进行比较。对于每一个参考输入量，便有一个相应的固定工作状态与 之对应。这样，系统控制的精度便决定于校准的准确度。为了满足实际应用的需要， 开环控制系统必须精确校准，并且工作过程中设法保证该校准值不发生变化。与开环 控制相异的是，闭环控制须对发动机的性能参数进行不断的检测，通过连续调整输出 控制变量的数值，使发动机始终处于最佳性能的工作状态。 开环、闭环控制系统见图1 、图2 所示： 图1 开环控制系统 f i g u r e1o p e n i n gl o o pc o n t r o ls y s t e m 图2 闭环控制系统 f i g u r e2c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 采用闭环控制系统，有两个致命性的问题很难解决，一是控制系统的稳定性问题， 二是反馈传感器的时间响应问题。在优化参数的搜索逼近过程中，很容易出现不稳定 8 2 咆控单元土芯片及实验设备系统 现象，出现振荡，实现不了控制优化的目的；另外，由于反馈传感器的时自j 响应太长， 控制系统无法及时跟随发动机运转情况的变化，作出j f 确的反应。若发动机的转速 况不变，这个问题就不会发生但一般发动机都要求变工况运行而目前国产的氧传 感器作为空燃比控制的反馈传感器使用，其性能参数是达不到要求的。 所以，在本实验中空燃比控制采用了开环控制系统，微机控制单元通过检测传感 器的信号，确定发动机所处的工况，从最优数据库存储单元内，找到最需的供油量数 据，并发出与其相应的控制喷油信号，驱动喷油嘴工作，供给发动机最优的燃油量。 22 主芯片m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 控制系统 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 系统基本结构如图3 所示 豳3m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 系统结构 f i g u r e3m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2s y s t e ms t r u c t u r e 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 从图中我们可以看出m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 主要有以下一些功能模块1 ： 1 存储器模块m e m o r y 2 模数转换模块a d c 3 多功能定时接口模块t i m l 和t i m 2 4 时基模块t b m 5 串行通信模块s c i 6 串行外围器件扩展接i z l s p i 7 并行接e ip t a 、p t b 、p t c 、p t d 和p t e 8 c p u 正常工作监视模块c o p 9 电源电压监视模块l v i 1 0 时钟发生模块c g m 1 1 节电模块、系统集成模块和监控模块等 2 。2 1m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的性能特点 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 是m c 6 8 h c 0 8 系列8 位单片机中的一款，具有以下一些特 点7 1 ： 1 时钟产生模块可以选用片内振荡源或外部振荡源，片内振荡源不需要任何 外部元件，而外部振荡源又可以选择外部晶振或外部时钟信号； 2 两个1 6 位双通道定时器接口模块( t i m l 和t i m 2 ) ，每个通道可选择为输入捕 获、输出比较和p 1 1 m ，其时钟可分别选为内部总线的l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 和6 4 的分频值； 3 1 6 位偏址寄存器和堆栈指针，快速的8 位乘法和1 6 位除法指令； 4 扩展的循环控制功能； 5 优化支持c 语言编程。 2 2 2m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的封装和引脚说明 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 有p d i p ( 4 0 引脚) 、s d i p ( 4 2 弓i 脚) 、q f p ( 4 4 己j i 脚) 三种封装形式， 4 0 脚和4 2 脚只有一个定时器，4 4 脚有两个定时器岫1 ，这里采用p d i p 封装，芯片外形如 图4 所示： 1 0 2 电控单元主芯片及实验设备系统 v d d * ( p l l ) v 嚣 ( p l l ) c 洲邓c ( p l l ) o s c 2 0 s c l 碰盯 p t c 0 p t c l p t c 2 p 1 3 p t c 4 p t 助t x d p t e i r x d m q ，跏 p t d 0 俗s p t di 瓜肛s 0 p t d 2 ，m 0 8 i p 1 d 3 ，s p s c k v 锚 v d d 1u 加 2 3 9 3蔸 4 3 7 5 3 6 6 3 j 7 3 4 g 3 3 9 3 2 1 0 3 l 1 1 如 1 2 2 9 1 3篮 1 42 7 1 52 6 1 6 2 j 1 72 4 1 8 1 9 2 2 扣2 1 图44 0 脚p d i p 引脚图 f i g u r e4 4 0l e gp d i pl e gf i g u r e 1 v d d 和v s s ：电源供给端： 2 o s c l 和o s c 2 ：片内振荡器引脚； 3 r s t ：外部低有效复位输入或输出脚，有内部上拉电阻； 4 i r q ：外部中断输入脚，有内部上拉电阻； 5 v d d a 和v s s a ：时钟发生器模块( c g m ) 的电源供给端； 6 c g m x f c ：c g m 的外部滤波电容连接脚； 7 v d d a d 和v s s a d ：a d 转换器电源供给端； 8 v r e m 和v r e f l ：a d 转换器的高和低参考电压输入端； 9 p t a 7 k b d _ p t a o k b d o ：8 位通用双向i 0 1 2 1 ； 1 1 p 1 a 7 k b d 7 p 1 a 6 瓜b d 6 p t a 5 瓜b d 5 p 1 a 4 ，k b d 4 p t a 3 服b d 3 p 1 a 2 ，k b d 2 p t a l k b d l p 1 a 0 瓜b d 0 v s s 川吼( a d c ) v d d d 丹吼( a d c ) 啪7 ，a d l 7 m 6 删 m j ，a d 6 m 4 ，删 m 3 膳d 3 啪2 ，a d 2 m l ，a d l m 0 ，棚 p t d 5 ，r 1c h l m 仉l c h 0 基于8 位单片机的摩托车发动机电控单元开发 1 0 f i b 7 a d 7 一一m 0 a d 0 ：8 位通用双向i o n 可用作a d 输入； 1 1 p t o 仁p t c 0 ：5 位通用双向i 0 d ； 1 2 p t d 5 r i 2 c h l 、p t d 0 s s ：8 位特殊功能双向i o 口； 1 3 p t e l 瓜、p 1 匝0 厂d ：2 位通用双向i 0 e i 。 2 2 3m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的c p u 结构 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的中央处理器单元c p u 0 8 具有功能强，速度快的特点。内 部总线时钟频率高达8 m h z ，最小的指令执行时间为1 2 5 n s ，最长的除法指令周期 也只有8 7 5 n s 。指令系统功能强，寻址方式多，编程方便。c p u 0 8 和其它c p u 一样， 内部包含有指令寄存器，译码器等控制逻辑、算术逻辑运算部件a l u 以及c p u 寄 存器等。算术逻辑运算部件a l u 是由加法器等部件组成的，实现数据的算术运算、 逻辑运算、数据传送等处理功能。但仅从用户应用的角度看c p u 0 8 的结构( 编程 结构) 如图5 所示： 图5m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 中央处理器结构 f i g u r e 5m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2c p us t r u c t u r e 2 2 4m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的存储配置 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的存储空间为6 4 k 字节，它将程序存储器( f l a s hr o m ) 、 数据存储器( r a m ) 、i 0 寄存器和控制寄存器全部统一在这6 4 k 字节空间内编址 睁1 。使c p u 对i o 寄存器的操作( 输入或输出) 和对存储器的操作一样快速和方便。 1 f l a s h 存储器分两部分，$ 8 0 0 0 - 一s f d f f ( 3 2 2 5 6 b ) 为用户程序寄存器。 $ f f d c 一$ 唧为复位和中断向量区，存放用户定义的复位和中断服务程 1 2 2 电控单元主芯片及实验设备系统 序的入口地址。其中$ f f f 6 一$ f f f d 这8 个字节也是f l a s h 的加密字节。 2 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 有5 1 2 字节的r a m ，其中0 页的1 9 2 字节r a m ( $ 4 0 $ f f ) 寻址方式多，操作速度快，一般用作使用频率最高的数据缓冲器和程序的 工作标志单元，而堆栈一般设在$ 2 3 f 一$ 1 f f 的区域。这样可提高效率，方 便程序设计。 3 绝大多数v o 寄存器位于零页( $ 0 0 - - $ 4 0 ) ，这使得c p u 对i 0 寄存器操 作灵活、方便、快速。 4 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 出厂时，在$ f e 2 0 一$ f f 5 2 的3 0 7 字节r o m 内固化了 “m o n 监控程序，使c p u 工作于监控状态时具有简单的通信功能和命令 执行功能。m o n 中有些程序也可以被用户调用。 其存储映像如表2 所示： 表2 存储映像 t a b l e2m e m o r yr e f l e c t i o n $ 0 0 0 0 - 一$ 0 0 3 fy o 寄存器 6 4 b $ 0 0 4 0 - - 一$ 0 2 3 fr a m 数据寄存器 5 1 2 b $ 0 2 4 0 - 一$ 7 f f f 保留区( 无物理单元)3 2 1 9 2b $ 8 0 0 0 - 一$ f d f f f la s h 存储器( 用户存储器)3 2 2 5 6 b $ f e o o _ 一$ f e o c控制状态寄存器1 4 b s f e o d 一$ f e l f保留区( 无物理单元)3b $ f e 2 0 一一$ f e 5 2监控r o m 3 0 7 b $ f e 5 3 $ f e 7 d 保留区( 无物理单元) 4 3b $ f e 7 ef l a s h 块保护寄存器 1 b s f f t f - 一s f f d b 保留区( 无物理单元)