P89LPC901单片机汽车起动保护控制器设计

1引言

    汽车发动机的起动是通过起动机驱动发动机飞轮旋转实现的。由蓄电池驱动的起动机驱动齿轮产生机械运动；传动机构将驱动齿轮啮合入飞轮齿圈，同时能在发动机起动后自动脱开；起动机直流电动机的通断由电磁开关控制。汽车起动机属于汽车中的贵重部件，轻易不会损坏。但是，为了延长起动机的使用寿命，须有恰当的使用方法。由于误操作等原因，在汽车发动机起动时，若发动机起动后起动机不能及时断电．将烧毁起动机或损坏飞轮齿环；若起动时变速器不在空档，则会引发交通事故和人身安全。在起动发动机的过程中，起动机要从蓄电池引人300～400 Ah的电量，为了防止蓄电池出现过流或损坏现象，起动时间一般不应超过5 s；冬季容易出现起动困难的现象，多次起动时每次起动时间不宜过长，每次起动应留有适当间隔。

    为了实现发动机的正常起动和安全保护，需从汽车电气控制系统予以考虑。在汽车发动机的起动电路系统中，汽车起动机的供电电源来自电瓶，发动机起动时起动机线圈电流非常大，达上百安培。为了保证汽车发动机能正常起动，通常在发动机起动时，要求切断汽车灯光等车身电器电源，只保证为汽车起动机提供电源。为了防止汽车起动时出现安全事故，只有当汽车变速器档位处于空档状态下，汽车发动机才能点火启动，否则因起动机瞬间的强力转动，将使汽车位移，前方一旦有障碍物，将会损坏汽车或危害人身安全。为了保护起动机，每次起动不得超过一定的时间，若汽车起动机带负荷连续运转时间超过5～8 s，发动机起动后起动开关不断开，起动机继续工作，则飞轮齿轮会带动起动机驱动齿轮高速旋转，加速损坏起动机单向离合器。若发动机起动后，又误将起动开关接通，则起动机驱动齿轮将与高速旋转的飞轮相碰撞而损坏起动机，因此，在发动机起动状况下不可再次起动。在此，介绍了一种基于NXP P89LPC901单片机的汽车起动保护控制器。该控制器对汽车发动机起动过程进行了检测控制，通过采用逐个关闭或打开负载电源系统，解决了起动电流大对汽车电源的冲击影响，通过对发动机起动过程中变速箱档位、发动机转速的检测，实现对汽车起动机的保护。

2起动保护器工作过程及功能

2.1工作过程

    图1给出汽车起动保护器原理框图。其工作过程是：起动保护控制器对起动开关进行检测，当起动开关接通时，若变速箱档位开关处于空档位置，汽车发动机未在工作状态时，接通车身电器电源继电器，切断车身电器负载电源，延时0.5 s后，接通起动控制继电器，起动机通电起动。当起动开关断开或者发动机转速达到300 r／min后，控制器释放起动控制继电器，起动机断电停止工作，延时0.5 s后。释放车身电器电源继电器，接通车身电器负载电源，起动完成。

 
2.2主要功能
2.2.1正常起动

    钥匙开关从ON档打到(起动档)START档起动发动机时，当变速箱档位在空档位置时，起动保护控制器先切断车身电器负载电源，延时0.5 s。再接通起动继电器，起动机起动，当起动机带动发动机旋转，发动机转速大于300 r／min后，或者钥匙开关由START档回到ON档时，控制器控制起动继电器断开，起动机断电，延时0.5 s，再接通车身电器负载电源，起动过程完成。

2.2.2非空档起动保护

    起动保护器要求变速箱只有在空档位置时，才能起动发动机。但若空档开关损坏或者驾驶员知道变速箱不在空档位置但必须起动发动机时，可采取非空档位置保护起动，其起动条件是要求钥匙从ON档打到START档，并在START档位持续3 s后方可起动。起动过程与正常起动相同。

2.2.3钥匙开关不能回位保护

    在汽车起动过程中，若钥匙开关在START档位且时间大于5 s，或者因钥匙开关故障，在5 s内不能从START档回到ON档，则为了保护起动机和电瓶，控制器可以切断起动机电源，接通车身电器负载电源。

2.2.4重复起动保护

    若发动机已处于工作状态，而且转速大于300 r／min，当钥匙开关从ON档打到START档时，则控制器保证起动机不再起动。

3 P89LPC901单片机的主要特性

    根据工作条件和可靠性要求，经过对比，选用NXP公司生产的单片封装微控制器，即NXP P89LPC901单片机。该单片机的工作温度范围在-45～85℃，因此，可以满足汽车起动保护器的应用要求。该单片机的主要性能是：由于采用了高性能的处理器结构和增强型8051内核．其指令执行速度6倍于标准80C51器件，因此，集成了许多系统级的功能。图2给出了结构及功能框图。芯片集成了1 KBFlash程序存储器，128 B数据存储器，2个16位定时／计数器及PWM，23位的系统定时器，以及增强型UART，具有高精度的内部RC振荡器和片内复位、8引脚SO-8封装，最大有6个可编程的I／O端口，内部一个可编程的模拟比较器，可编程Watchdog定时器及电源监控器等，该单片机具有较高的性能价格比，能够满足汽车起动保护器的控制功能要求。

 
4起动保护器电路原理 

    根据汽车起动保护器的功能及工作过程要求，应用NXPP90LPC901单片机的汽车起动保护器电路由电源电路、单片机电路、开关信号输入电路、发动机转速输入电路，电源继电器及起动继电器控制电路等组成(见图3)。P89LPC901采用内部复位电路和片内RC振荡器(7.373 MHz)，可以提供6个可编程I／O接口，分别用于输入检测和输出控制。

4.1电源电路

    用于客车的起动保护控制器。其供电电源采用+24 V的汽车电瓶电源，经压敏电阻和防止电源极性接反的保护二极管VD1后，得到+12 V电压，该电压为比较器LM2903电源，同时将该电压滤波限流后，再经HA7355稳压管稳压和滤波，然后向P89LPC901提供+3.3 V电压。

4.2开关输入检测电路

    起动保护控制器的输入开关有：起动开关(START-SW)、空档开关(NULL-SW)；2个开关量输入信号，它们分别接正电源(+24 V)有效。

    起动机的电源来自汽车电瓶。在起动机起动时，电流很大，可达上百安培，可能会造成电瓶亏电，电压降低。为了保证当起动开关接通时，电瓶电压大于12 V，能够正常起动，使START-SW信号通过比较器LM2903转换，接入单片机的P04引脚。当START-SW信号电压大于12 V，则LM2903的第7引脚输出+33 V；当START-SW信号电压大于+12 V，则LM2903的7引脚输出0 V。

    空档开关NULL-SW信号经晶体管转换电路转换为单片机要求的电平信号，接人单片机的P15引脚，当空档开关接通时，单片机的P15引脚为高电平；当空档开关断开时，单片机的P15引脚为低电平。

 
4.3发动机转速传感器输入检测电路

    发动机转速传感器输出的是正弦信号，其电压幅值范围为3～6 V。发动机输出信号为173个脉冲／转。当发动机转速大于300 r／min后，完成起动时。发动机转速传感器输出的正弦信号经比较器LM2903转换为方波信号接人单片机的P12引脚，即P89LPC901的计数器输入引脚，当发动机转速传感器输出的信号大于2 V时为高电平；低于2 V时为低电平。

4.4继电器控制电路

    在控制电路中，车身电器电源通过继电器RLY1控制，使负载接入常闭触点；起动机起动控制通过继电器RLY2，使负载接入常开触点。电路中继电器由89LPC901的P30和P31输出，并经BTS612放大驱动。

5起动保护控制器控制程序

    起动保护控制器控制程序采用汇编语言编写。图4示出根据发动机的起动过程和功能要求设计的控制程序框图。

 
6结语
    设计的汽车起动保护控制器电路考虑了汽车的环境和可靠性。采用NXP 89LPC901单片机控制，具有控制电路设计简单，控制灵活、可靠性高、成本低等优点，已经在宇通客车上装车五万余辆，使用证明，工作稳定可靠，运行良好。