【正文】 89C51 microcontroller as control core,The inductive sensor as the feedback and signal acquisition,use optocoupler driving circuit to make the input and the output are isolated from each other,so that the antiinterference ability of the circuit to use of PID control algorithm of the control system stability,robustness.Keywords：Diesel enging；Microcontroller；Fuel injection pump；Control system目 錄第一章 緒論 1 論文選題背景及研究 1 柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài) 1 國(guó)內(nèi)外電控燃油系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 論文研究的主要內(nèi)容 6第二章 方案論證 7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 7 系統(tǒng)方案論證 7 單片機(jī)的選擇論證 7 傳感器選擇論證 9第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 12 控制系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu) 12 單片機(jī)最小系統(tǒng) 13 復(fù)位電路 14 振蕩電路 15 位置式傳感器的工作特點(diǎn) 16 傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 17 傳感器激勵(lì)電路設(shè)計(jì) 19 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 19 位移執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 20 CAN總線(xiàn)模塊設(shè)計(jì) 21 電源模塊設(shè)計(jì) 22第四章 系統(tǒng)流程圖及軟件設(shè)計(jì) 23 系統(tǒng)流程圖 23 CAN總線(xiàn)控制流程圖 25 PID控制系統(tǒng) 25 PID控制框圖設(shè)計(jì) 26 齒條位移閉環(huán)增量式PID控制 26 PID流程圖 28 PID控制參數(shù)整定 28總 結(jié) 30致 謝 31參 考 文 獻(xiàn) 32IV第一章 緒論 論文選題背景及研究柴油機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，就以其高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而在車(chē)用動(dòng)力中占有非常重要的地位，特別是近些年來(lái)，柴油機(jī)的應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。柴油機(jī)電控噴油器共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的面市，該表了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模式，實(shí)現(xiàn)了精確控制，使排放物更加清潔，減小了柴油機(jī)做功粗暴所產(chǎn)生的噪音，提高了車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性和舒適性。第一代位置控制式電控噴油系統(tǒng)在不改變改變傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用電控調(diào)速器來(lái)代替原有的機(jī)械式調(diào)速器，對(duì)齒條或滑套位置予以控制，從而對(duì)油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)電控液壓提前器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械或液壓式提前器來(lái)實(shí)現(xiàn)噴油正時(shí)的控制，提高控制精度和響應(yīng)速度，是電控柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的早期產(chǎn)品。在傳統(tǒng)的機(jī)械分配泵、單體泵、泵噴嘴等基礎(chǔ)上都可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間式控制系統(tǒng)。因此排放達(dá)標(biāo)、性能優(yōu)異、安全可靠已經(jīng)成為柴油機(jī)現(xiàn)階段發(fā)展的主要目標(biāo)，中國(guó)已經(jīng)同世界聯(lián)系越發(fā)緊密，汽車(chē)屬于國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，大力提高汽車(chē)生產(chǎn)水平，對(duì)提高國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有現(xiàn)實(shí)的意義。目前歐美國(guó)家中100%重型車(chē)、90%輕型車(chē)采用柴油機(jī)，歐美的柴油轎車(chē)在轎車(chē)保有量中比例超過(guò)40%新車(chē)產(chǎn)量比例超過(guò)50%。電控柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU（電子控制單元）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會(huì)發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)不僅噴油不均勻，而且會(huì)發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。高壓共軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，其優(yōu)點(diǎn)有：a．共軌系統(tǒng)中的噴有壓力柔性可調(diào)，對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。在開(kāi)發(fā)高壓共軌系統(tǒng)及其與柴油機(jī)匹配技術(shù)方面目前正處于研制開(kāi)發(fā)階段，目前主要研究工作是柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。柴油機(jī)電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是柴油噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜，二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。而且PID調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用十分廣泛而且成熟的工程控制方法。采用電子控制式當(dāng)前柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。圖 21 單片機(jī)引腳圖1． 電源。（2） PSEN：外ROM讀選通信號(hào)。 傳感器選擇論證車(chē)用柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)噴油泵的電控，其中噴油量的準(zhǔn)確控制是核心問(wèn)題，而噴油量的準(zhǔn)確控制又是通過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油控制系統(tǒng)的齒條位移傳感器電控單元（ECU）和齒條位移執(zhí)行器等構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，要進(jìn)行有效的控制，就要求傳感器檢測(cè)的當(dāng)前齒條的位置信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，因此對(duì)于齒條位移檢測(cè)所應(yīng)用的傳感器的選擇尤為重要。具有精度高、重復(fù)性穩(wěn)定可靠、非接觸式測(cè)量、壽命長(zhǎng)、安裝方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。線(xiàn)性范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、抗干擾能力強(qiáng)。全球的傳感器市場(chǎng)在不斷創(chuàng)新的變化中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)柱塞向上移動(dòng)蓋過(guò)吸油腔的進(jìn)油孔時(shí)，噴油泵即開(kāi)始供油；當(dāng)柱塞的斜坡形控制邊緣與進(jìn)油孔相遇時(shí)，更停止供油。 圖 32 噴油泵齒條位移示意圖 圖 33 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵電控單元整體框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系統(tǒng)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、按鍵輸入、顯示輸出等[10] [M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。AT89C51使用12MHz的晶體振蕩器作為震蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。 傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在解決魯棒性難題上除了采用傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)和選用最優(yōu)化控制算法外，硬件性也是至關(guān)重要的。當(dāng)t=0時(shí)，電流為零，電阻電壓也等于零；當(dāng)時(shí)，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，電阻電壓趨近于，此時(shí) (36) (37) 如果 ，（，均為時(shí)間常數(shù)） 則有 ，分別為A、由公式38，39得 (310) (311)由于可變端的電感值隨短路環(huán)的移動(dòng)（即齒條位移）變化，所以有38可知，隨齒條位移變化，所以時(shí)間值也隨之變化；而固定補(bǔ)償段的電感值在齒條運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終不變，所以不變，時(shí)間也不便曲線(xiàn)B固定不動(dòng)。在本系統(tǒng)中，每個(gè)1mm轉(zhuǎn)化一次頻率，達(dá)到齒條位移微調(diào)的目的。AT89C51是CAN總線(xiàn)接口電路的核心，其承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)[14] Buckley J，Hayashi Y. Can fuzzy neural nets approximate continuous fuzzy function[J].Fuzzy sets and systems，1994,6I：43—51。PID控制算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量少，具有較強(qiáng)的魯棒性及較高的控制精度，特別是穩(wěn)態(tài)精度高，具有很廣泛地適應(yīng)性。一旦新節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，它就會(huì)開(kāi)始接受信息，判別識(shí)別標(biāo)識(shí)，然后確定是否做處理或直接丟棄。離散的位置式PID表達(dá)式為 （41） （42）式中k采樣序號(hào)，k=0，1，2，3……；第k次采樣時(shí)刻的輸出值；第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；第k1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；采樣周期；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)；積分常數(shù)；微分常數(shù)。，由于輸出通道和執(zhí)行器裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍能保持原值。各段參數(shù)采用試湊法調(diào)整，應(yīng)用公式（6）進(jìn)行增量式控制，所以在試驗(yàn)中針對(duì)、進(jìn)行多次試湊發(fā)調(diào)整，初步確立了PID分段查詢(xún)表，本系統(tǒng)采樣周期為10ms，當(dāng)測(cè)得、后，可可根據(jù)公式（7）計(jì)算出、參數(shù)值。對(duì)已知的定常性受控對(duì)象，只要確定好相應(yīng)的參數(shù)，便可以很好地發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，使受控對(duì)象輸出在期望值上。我還要感謝在一起愉快的度過(guò)畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是有你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)又一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。采用位移傳感器信號(hào)激勵(lì)電路和AD轉(zhuǎn)換電路，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油控制系統(tǒng)反饋的位移信號(hào)準(zhǔn)確度高，為整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供了有效的偏移量，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該電路工作穩(wěn)定、可靠。由于電磁執(zhí)行器推動(dòng)噴油泵齒條運(yùn)動(dòng)在各個(gè)階段差異較大，非線(xiàn)性嚴(yán)重，采用一組參數(shù)控制整個(gè)齒條位移過(guò)程，控制效果不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。對(duì)應(yīng)齒條實(shí)際位移的控制量，控制增量的積累需要采用一定的方法來(lái)解決。 PID控制框圖設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器框圖如圖44所示。至于該報(bào)文是否要做進(jìn)一步的處理或被丟棄將完全取決于接收節(jié)點(diǎn)本身，同一個(gè)報(bào)文可以發(fā)送給特定的站點(diǎn)，只取決于我們?cè)趺丛O(shè)計(jì)我們的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。 圖 314 電源驅(qū)動(dòng)電路第四章 系統(tǒng)流程圖及軟件設(shè)計(jì)采油機(jī)噴油泵電控系統(tǒng)的關(guān)鍵是齒條位置控制，其閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。其通信模塊如圖312所示。 位移執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本論文中所采用的執(zhí)行器為德國(guó)BOSCH公司的電磁執(zhí)行器，也就是一個(gè)直流發(fā)動(dòng)機(jī)，只要改變電磁執(zhí)行器激磁線(xiàn)圈中電流的大小就可以控制執(zhí)行器輸出軸的位移，在實(shí)際設(shè)計(jì)中從提高執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、驅(qū)動(dòng)電路功率控制器件的工作模式、熱負(fù)載功耗、電路成本、工作可靠性等因素，確定采用PWM波（脈寬調(diào)制信號(hào)）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[13] 王福瑞等.《單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全》[M].北京航空航天大學(xué)出版社。圖 38 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路示意圖首先，可列出電路的微分方程 改寫(xiě)成： (32) 此方程的特解；對(duì)應(yīng)的齊次方程解，故式32中的全解為 (33) 在零初始條件下， 代入式33中得： (34)電感的端電壓為： (35)畫(huà)出它們隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程是在電感中產(chǎn)生電流過(guò)程。原線(xiàn)圈和副線(xiàn)圈之間沒(méi)有電路相聯(lián)系，而是通過(guò)磁耦合把能量從電源傳送到負(fù)載。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。圖 35 復(fù)位電路 振蕩電路每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全稱(chēng)是晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。 系統(tǒng)采用圖33所示的電控系統(tǒng)整體框圖。圖32為齒條位移示意圖，噴油泵體內(nèi)的泵油元件是噴油泵、柱塞和套筒組成。前置器根據(jù)探頭線(xiàn)圈的阻抗變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓[8] 李慧，張德江，[J].儀表技術(shù)與傳感器，2005年05期。由于