汽油机喷油器工作电路设计毕业设计

湖南生物机电职业技术学院需要研究和开发能够评价和测试喷油器特性的装置和设备。本文对喷油器动态过程进行了分析，从理论上对喷油器工作原理进行了分析和研究，为喷油器驱动电路的电阻、电流特性测试开发提供了一定的理论依据。同时，完成了该测试系统电子控制单元的设计和开发，可以控制或检测测试系统的状态，并且设计了一套简便易操作的测试软件，为试验提供了方便的操作环境。汽油机喷油器下线检测系统的设计主要分为硬件电路设计、软件编程、控制面板设计等。试验结果表明，本测试系统具有良好的稳定性和可靠性，能够准确地测试汽油机喷油器的电阻、电流值。

第二部分设计说明2.1工作原理喷油器相当于电磁阀。通电时电磁线圈产生电磁力，衔铁及针阀吸起，喷油器开启，汽油经喷孔喷入进气道或进气管。断电时电磁力消失，衔铁及针阀在复位弹簧的作用下将喷孔封闭，喷油器停止喷油。喷油器的通电、断电由电控单元以电脉冲控制。喷油量由电脉冲宽度决定。脉冲宽度=喷油持续时间=喷油量。在喷油器开启时，STC12C5204AD单片机产生5V方波信号，信号通过光耦由5V方波信号转为12V的方波信号（如图2.1所示），12V的方波信号使场效应功率管(IRF540)产生逆变电流，处于不停的导通（12V）和断开（0V）状态，实现了喷油器开启时工作在大电流状态，驱动电流上升到最大值后工作在小电流状态，维持喷油器开启。达到了电路板模拟发动机控制模块根据各种传感器的信号控制喷油器喷油时刻和喷油脉冲宽度的控制过程的设计目的。图2.1光耦的升压电路2.2总电路原理图本设计汽油机喷油器工作电路电路图如下：图2.2汽油机喷油器工作电路2.3汽油机喷油器工作电路元件清单表1汽油机喷油器工作电路元件清单表元件编号元件类型参数R1、R2、R3、R4电阻10KR5、R6电阻5W/10ΩR7电阻470ΩR8电阻1KCT1、CT2电解电容22ufCT3电解电容10ufC1、C2瓷片电容0.1ufD1二极管1N4007Q1场效应晶体管IRF540Q2集成稳压电源7805U1单片机STC12C5204ADU2光耦TLP521-1S1、S2、S3、S4不自锁按键SW-PBY1晶振2MC3、C4瓷片电容10pf2.4主要组成元件及作用1、汽油机喷油器喷油器接受ECU送来的喷油脉冲信号，精确的控制燃油喷射量。喷油器是一种加工精度非常高的精密器件，要求其动态流量范围大，抗堵塞和抗污染能力强以及雾化性能好。2、STC12C5204AD单片机STC12C5204AD单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）、高速/超强抗干扰的新一代增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。STC12C5204AD单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。由于集成8路高速8位A/D转换，使用STC12C5204AD单片机比使用AT89C51和ADC芯片的实际电路简单。图2.3STC12C5204AD单片机引脚图STC12C5204AD单片机引脚说明P1.0/ADC0：复用端口，标准I/O口，PORT1[0]/ADC输入通道-0，模拟量通过该端口进入即可进行A/D转换，无需另接A/D转换电路。P1.1/ADC1：同P1.0/ADC0。P1.2/ADC2/EX_LVD/RST2：标准I/O口，PORT1[2]/ADC输入通道-2，EX_LVD是外部低压检测中断/比较器端口，RST2是第二复位功能脚。P2.0~P2.7：Port2口，即可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8~A15）。P3.2/INT0：Port3口，标准IO口，第二功能是外部中断0的输入端，下降沿或低电平中断。P3.3/INT1：功能同P3.2/INT0。P3.5/T1/CCP1：标准IO口，定时器计数器的外部输入，也可为外部信号捕获（可做为频率测量），高速脉冲输出及脉宽调制输出。P3.7/CCP0：标准IO口，也可为外部信号捕获（可做为频率测量），高速脉冲输出及脉宽调制输出。XTAL1：内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2：内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一个端。3、7805引脚介绍及常用电路图2.47805引脚介绍图2.57805引脚常用电路7805三端稳压集成电路，最大输出电流为1.5A。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管、TO-220的标准封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。4、IRF540引脚功能及常用电路图2.6IRF540引脚常用电路IRF540是一种沟渠工艺封装的N通道增强型场效应功率晶体管。其主要应用于：DC到DC转换器、开关电源、电视及电脑显示器电源等。上图电路中，控制信号如果接TTL信号，可以控制电磁阀等负载；控制信号如果接PWM占空比信号，可以调节电机的转速或者灯泡的亮度。IRF540引脚常用电路如图2.6所示。图2.7IRF540引脚功能介绍IRF540引脚的三个针脚及名称如图2.4.4所示，在图2.2中管脚1（Gate）悬空，管脚2（Drain）接地，管脚3（Source）接1K电阻，接5V电压。5、电阻电阻（通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。电阻元件的电阻值大小一般与温度、材料、长度、还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。6、电容电容器是一种能储存电能的元件，在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。7、二极管二极管又称晶体二极管,简称二极管，它是一种具有单向传导电流的电子器件。整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。8、按键常用的按键分为自锁按键和不自锁按键。自锁按键：在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。不自锁按键：开关每按动一次，使电路导通一次，随即断开，常用来产生一个脉冲信号，或者发送一次命令。9、晶体振荡器图2.8石英晶体振荡器结构及外观石英晶体振荡器简称晶振，它是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。10、TLP521-1光耦TLP521-1光耦的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通，光电耦合器是电流驱动型，需要足够大的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源，尤其是数字开关电源中。图2.9TLP521-1光耦的外观第三部分设计成果3.1设计成果展示图3.1汽油机喷油器的PCB电路板3.2作品的特点电路模拟汽油机喷油器工作的基本原理。在电路中使用单片机模拟汽车中的ECU控制单元，在按动按键S2、S3、S4时，ECU产生相关的频率方波信号，信号通过光耦由5V方波信号转为12V的方波信号，12V的方波信号使场效应功率管(IRF540)处于不停的导通（12V）和断开（0V）状态，使汽油机喷油器处于工作状态。在电路板中，按动开关S2、S3、S4可使汽油机喷油器工作在不同的工作频率状态。可使汽油机喷油器在不同工作频率下切换，观察工作状态的变化。电路同时提供端子AD、AC、AC2。可使用信号发生器调节产生不同脉宽的数字、模拟信号来驱动汽油机喷油器在不同信号下工作。3.3作品的仿真测试测试目的：将设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。测试思路：若在电流最大值时，场效应晶体管IRF540的电压为12V，在电流最小值场效应晶体管IRF540的电压为0V，则电路可以实现对喷油器喷油时间的精准控制，设计电路可以正常使用。测试方案：使用Multisim2001对电路模块进行灵敏度分析，测试在电流有最大值到最小值时场效应晶体管IRF540的实时变化情况。测试过程：1.编辑原理图，使用原理图编辑器（SchematicEdit）将汽油机喷油工作电路图导入Multisim2001；在“DesignExplorer”窗口内，单击“File”菜单下的“New...”命令创建一个新的设计文件，接着输入新设计文件名，并指定存放路径。单击“设计文件管理器”前的“+”，显示设计文件包结构，单击其中的“Documents”文件夹。单击“File”菜单下的“New...”命令，在弹出的文档类型选择框里，双击“SchematicDocument”，建立名称为“Sheet1”的原理图文件。放置仿真激励源，在仿真测试电路中，必须包含一个仿真激励源。这里采用protel99的仿真激励源，具体步骤如下：新建一个设计，选择新建sch文件；browsesch中选择添加library文件中的sim文件夹下的simulationmodels.ddb；放置网络节点，在需要观察电压波形的节点上，放置节点网络标号，以便观察到指定节点的电压波形；选择仿真方式，并设置仿真参数，原理图编辑环境执行“Simulate|Setup...”命令。基本步骤如下：点击菜单栏的“OPtions”选项的“Preferences”进行电路参数设置选取“Circuit”，在“Circuit”中选取“Showcomponenetlabej”“ShowcomponentreferenceI”“Showcomponentvalue”；点击“Preferences”中的“Workspace”，进行平台参数设置选取“Showgrid”“Showtitebld”；点击“Preferences”中的“ComponentBin”进行元件箱参数设计，选取“ANSI”中的“NOautoshow”。4执行仿真操作。进行灵敏度分析，灵敏度分析是计算电路中的输出变量对电路中元件参数的敏感程度。通过灵敏度分析，可以了解各电路元件对ECU的输出信号的执行程度。检测我所设计的汽油机喷油器是否能够准确的控制喷油器的开关。具体操作步骤如下：打开“SensitivityAnalysis”选取“AngalysisParameters”上的“Voltage”点击“Cancel”。对分析我所设计的电路，以光耦TLP521-1和场效应晶体管IRF540为例选择交流灵敏度分析，仿真结果如图3.2所示，图中红色线段表示场效应晶体管IRF540随电流变化电压的的变化。图中蓝色线段表示集成光耦TLP521-1随电流变化电压的变化。图3.2电流逐渐变小过程中电器元件的电压变化测试结果：使用Multisim2001对电路模块进行灵敏测试中由图3.6可知在效应晶体管IRF540由最大值12V逐渐减小至0V左右，光耦TLP521-1回降到输入电压5V，到达了理论值。由测试证明，我所设计的汽油机喷油器电路完成了设计目标。

结束语汽油机喷油器是汽油机电控喷射系统中核心部件之一，其性能的好坏直接影响到发动机的经济性、动力性和排放性能。喷油器的性能是决定电控系统设计的重要因素，直接影响燃油控制单元的精确性。为了进一步研究喷油器，就需要研究和开发能够评价和测试喷油器特性的装置和设备。本文所述汽车发动机喷油器驱动电路控制精度高，热稳定性能好,而且电路形式简明可靠。同时