基于单片机的数字控制点火系统的组成及原理

    内容摘要：以单片机为控制核心，利用单片机的运算和控制功能，实现对发动机点火提前角的精确曲线控制，从而使发动机工作在最理想状态，并用液晶显示模块实时显示所测速度和里程。改变了传统点火方式中点火时间不能随转速进行曲线控制，不能得到最佳点火点、不能使发动机在任何转速情况下都能发挥良好表现的缺点。

    点火系统在汽油机中起着非常重要的作用，点火能量必须按规定要求足够大，否则就不能点燃气缸内的混合气;点火时刻或点火提前角是影响发动机性能的重要参数之一，每个给定的发动机运行工况都对应着一个最佳点火提前角，过早或过迟点火，都会直接影响到摩托车的燃油经济性和动力性。为此，通过试验获取发动机的最佳点火提前角，并控制发动机尽量按最佳时刻点火是设计关键。

    目前，国外大排量的运动型摩托车已开始应用微机控制技术，日本本田、川崎、铃木公司等都有这样的车型推出，而我国在点火提前数字控制技术应用方面远远落后于发达国家。事实上，这项技术在我国生产的轿车汽油机上的应用才刚刚开始，但在摩托车汽油机上还未应用。

    1、数字控制点火系统的组成

    数字控制点火系统主要由霍尔元件、信号整形电路、单片机计算处理器、功率放大高压点火器及液晶显示部分等组成。采用发动机霍尔原件，对发动机工作行程进行采集，然后由信号处理电路(信号放大、波形变换和波形整形)再对采集到的信号进行整理。由于数字点火器采用单片机控制电路，只要获取汽油机的最佳点火提前角规律，数字点火器即保证最佳点火，点火系统框图如图1所示。在信号处理电路中，放大器用于对采集信号进行放大，以满足数字信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路用于将放大后的采集信号转换成单片机可接收的TTL信号，通过单片机的INT0引脚进行接收，使INT0引脚能够对内部定时器T0的工作进行控制，精确测出加到INT0引脚的正脉冲宽度(即测出脉冲信号的周期)，再根据脉冲的宽度计算出最佳点火角度，将信号输出到功率放大高压点火器，完成点火;同时，单片机再根据脉冲周期计算出发动机转速通过液晶显示模块显示出来。

    2、单片机控制点火提前角原理

    在发动机磁电机上安装2个摩托车专用霍尔原件，一个安装在最大点火提前角位置上，另一个安装在发动机活塞运行的上止点位置，这样在单片机对其进行采集时，就有了2个参考点。在发动机刚刚起动时，活塞运行速度较慢，气缸压力不足，所以发动机起动后只有在活塞运行到上止点时，气缸压力才为最大，这时点火为最佳时机;当发动机工作一段时间后，发动机的点火时刻就要发生改变，发动机运转越快点火提前角越应该增大，因为只有提前点火，才能使发动机在做功行程时有最大的能量释放，如果不能提前点火，发动机会显得无力，车速不能提升;但是提前角也不能过大，提前角过大会浪费能源，作功时有一部分作了负功，所以只有精确控制点火提前角才能使发动机输出功率最大，能源消耗最少。

    2.1单片机工作频率的选择

    因为摩托车高速运行时，发动机转速可达10000r/min，这时点火提前角应为最大。由于摩托车排量不同，活塞运行的行程和缸径也不同，所以提前角也不同。250mL系列最大提前角为15°，要保证提前角每5°时火花塞至少要2次点燃，单片机输出的频率至少为：2×(360/5)×10000=1440000Hz/min;而采用普通的单片机工作频率为12MHz，完全可满足要求。

    2.2新型点火器与普通点火器的区别

    新型点火器与普通点火器的不同点是：普通点火器工作时考虑在什么时间点火，而单片机控制的点火器考虑的是在什么时间不点火，也就是在发动机工作过程中只有少部分时间停止点火，从图2中看出，使用了单片机点火系统后，增加了点燃冲程和排气冲程的点火触发次数，这样发动机混合气燃烧十分充分，不会出现燃烧不彻底、火花塞积碳不能正常工作等现象。而且在发动机高速运转时，在最大提前角内至少保证有6次以上点火过程;在排气冲程时继续高频点火，使未完全燃烧的混合气充分燃烧，再次清理火花塞而完成高频点火。

    2.3单片机控制点火提前角

    使用2个霍尔元件对发动机进行采集，经过放大整形后，把整形好的信号输入到单片机，单片机对其进行分析，根据2个霍尔元件间的时间差计算出当时发动机的转速，也就是它们的时间差越短即发动机转速越高;同时，通过液晶显示模块显示出速度情况，并根据此数据分析出发动机工作在哪个区域(低速区、中速区或高速区)，根据不同的区域进行点火提前角的控制。当发动机运行时，发动机各传感器将监测到负荷、发动机转速、车速及水温等参数，并送到电脑中，经对这些信息进行分析处理，按照发动机的转速由单片机计算出相应的点火提前角度。

    单片机控制点火的最大优点是可对发动机的工作情况进行综合考虑，如当发动机温度偏高，机油量过低时，再加速行驶时，将对发动机造成损失，此时单片机会自动对点火器进行控制，使发动机只能工作在低转速区，不管骑乘者怎样加大油门，发动机转速也不会提高(因为要使发动机转速提高的必要条件是点火角度的变化)。经实验证明，铃木250mL摩托车被控后最多只会在40km/h的速度内行驶，本田400mL摩托车被控后最多只会在55km/h的速度内行驶。

    总之使用单片机控制发动机工作状态将成为今后发展的必然趋势，由于发动机使用了智能芯片，根据发动机的运转情况自动分析直接控制发动机并且能制止人为的不良干预从而使得发动机得以有效的保护。还可很方便的加装各种电子产品例如触摸式密码锁、遥控器、钟表显示、数字定速等，这些功能都是单片机很容易实现的。