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1、 直流CDI式摩托车点火器设计方案目录第一章 摩托车点火器概述21.1前言21.2点火系统组成21.3点火系统的发展及分类21.3.1点火系统的发展31.3.2点火系统分类31.3.3小结5第二章原理设计62.1电源部分设计62.1.1单片机电源设计62.1.1逆变振荡电路设计72.2可控硅控制放电电路设计82.3触发信号处理部分电路设计82.3.1触发PC简介92.3.2触发信号转换电路92.4 MCU控制电路102.4.1 P89LPC915简介112.4.2 复位电路112.4.3 模拟电压比较器输入电路122.4.4 PTC功能电路12第三章软件设计123.1 简介内容133.1.1
2、点火正时133.1.2 提前角延时原理133.2点火程序软件设计153.2.1 设计功能及I/O口设定153.2.2 程序主体结构介绍153.2.3 连续点火模式16第四章总结254.1 测试结果介绍254.1.1 提前角延时点火方式264.1.2 固定点火方式284.2 总结294.3 声明29第一章 摩托车点火器概述1.1前言我们知道，燃油摩托车的动力来自于汽油机气缸内可燃混合气的燃烧，而燃烧的完善与否直接影响到汽油机输出的驱动动力。良好的燃烧必须具备以下三个条件，即： 良好的混合气 充分的压缩 最佳的点火其中，点火包括点火时刻和点火能量。点火时刻和点火能量的控制则由点火系统来完成。点火系
3、统在汽油机中有着十分重要的作用。点火能量必须要足够大，否则则不能点燃缸内的混合气，汽油机也无法正常运行。点火时刻或点火提前角则更为关键，因为它是影响汽油机性能的最重要参数之一，点火的过早或过迟都会直接影响到汽油机的经济性和动力性。所以，对应于给定的汽油机运行工况都存在着一个最佳点火提前角。1.2点火系统组成 磁电机：提供发动机曲轴位置信息；提供点火能量（对于部分点火器） 点火器：暂时存储点火能量；在适当的时候向点火线圈输出点火能量 点火线圈：将点火器输出转换为高压，传输点火能量 火花塞：将点火能量从电能转换为热能，点燃油气混合物1.3点火系统的发展及分类有触点点火系统无触点点火系统CDI电容放
4、电式TLI电感储能式可控硅控制点火晶体管控制点火图1.1 点火系统的发展1.3.1点火系统的发展如图1.1所示，近几十年来，摩托车点火系统的发展很快。首先它经历了从有触点点火系统到目前普遍使用的无触点点火系统的历史性技术革新。因为在有触点点火系统中，其触点因机油污损或磨损等原因常引起触点接触不良和导电困难等故障，可靠性差，所以需要进行经常性的检查和保养，到了使用周期后应该更换新品，十分不便。这无疑也制约着摩托车无故障里程数的提高。无触点点火系统是通过触发线圈获取的触发电流来控制晶体管或可控硅的动作，从而切断点火线圈的初级电流。无触点点火系统无需保养，成本不高，技术上也不复杂，所以很快被推广使用
5、。现在的摩托车几乎全部都使用这种无触点点火系统。1.3.2点火系统分类摩托车点火系统的分类方法很多，这里主要介绍以下两种： 按放电方式可分为电容放电式点火系统和电感放电式点火系统 按点火时刻控制方式可分为模拟式点火系统和数字式点火系统1、 电容放电式点火系统(CDI)该系统采用磁电机发出的电流为电容充电，由于电容放电能产生强大的电火花，而且次级电流上升快，对高速汽油机十分有利，而且也有利于防止火花塞污损。这些特点与二冲程汽油机的特殊要求极其吻合，所以高性能二冲程汽油机大多使用这种点火方式。由于这类点火系统结构简单、工作可靠，我国又能自己生产，所以，我国生产的摩托车(不管是二冲程还是四冲程)绝大
6、部分都采用了这类点火系统。电容放电点火系统中火花强，但放电时间短，这样，在汽油机低速或混合气较稀时就不易点燃混合气。另外，磁电机方式的固有缺点是低速时电流弱、点火能量小。所以，高性能大排量的四冲程汽油机大多采用无触点蓄电池式晶体管点火系统(TLI)。 2、 晶体管点火系统（TLI）无触点蓄电池式晶体管点火系统采用蓄电池供电，利用晶体管的导通和截止特性，在需要点火时瞬间切断点火线圈的初级电流，从而在次线线圈上感应产生出高电压，由此在火花塞得到很强的电火花。晶体管点火器的点火性能稳定，火花强，放电时间相对较长，而且在发动机转速较低时也能保证可靠点火。在该系统中，磁电机发出的三相交流电经过整流调压器
7、向蓄电池充电，这样可以充分利用磁电机产生的电能。国外的中大排量四冲程汽油机基本上采用这类点火系统。我国生产的一些高性能四冲程汽油机也采用了这种点火系统，如轻骑集团生产的GS125摩托车。表1.1 CDI和TLI点火系统特性比较 3、模拟式点火器上述两大类点火系统的技术发展主要体现在点火器上，而点火器的技术进步又主要体现在点火提前角的控制上。简单的点火器主要依靠触发线圈发出的触发信号随磁电机转速的升高而迅速提前的特性来控制点火提前角。这种点火器被称为第一代点火器。尽管这种提前特性可以通这调整电路和和元件参数略作改变，但可改变的X围及灵活性都有很有限，其点火特性与汽油机的最佳点火提前角规律相差甚远
8、。为了使实际的点火提前角尽量接近其最佳值，四冲程汽油机点火器的点火特性一般被设计成拥有二台阶的折线，即低速段和高速段各对应一个近于固定的点火提前角，中间过度段用斜线连接。高低转速段之间的点火提前角差由磁电机上触发块所占的弧度决定，其具体的控制过程一般由专用芯片来完成。这种点火器被称为第二代产品，其点火特性可更接近汽油机的最佳值。尽管第二代点火器的点火特性是以拥用二台折线来逼近形状复杂的最佳点火提前角规律，比第一代点火器的点火特性更接近最佳值，但与实际的最佳点火提前角规律还有一定的差距。这是因为在第一代和第二带点火器的点火控制电路中采用了模拟电路，很难实现形状复杂的最佳点火特性。这类点火器就是模
9、拟式点火器。 4、数字式点火器如前所述，由于在点火控制电路中采用模拟电路，模拟式点火器所控制的点火特性只能大致接近而很难达到最佳值。要实现摩托车汽油机在整个运行X围内的最佳点火就必须采用数字控制电路，这种数字式点火器被称为第三代点火器。由于数字式点火器采用了单片机控制电路，故能按照任意给定的点火提前角曲线控制点火。因此，只要获取汽油机的最佳点火提前角规律，数字式点火器即可保证其最佳点火。在汽车工业发达的国里，基于对最佳性能的追求，点火提前角的数字式(微机)控制在轿车汽油机上的应用已有二十多年的历史。在豪华大排量运动型摩托车汽油机上多年来同样也应用了微机控制技术，以最大限度地发掘发动机的性能潜力
10、。如著名的美国哈利戴维森公司、德国宝马公司和日本本田、川崎、铃木公司等都有这类产品。最近几年一些公司又把这种数字式点火技术应用到普通家庭型的摩托车汽油机上，如日本雅马哈的JOGAPRIO踏板车就采用了数字式点火器，使其经济性和动力性得到了进一步的改善。所以，越来越多的摩托车制造商也将会很快地把数字式点火器应用到普通家庭型摩托车汽油机上。1.3.3小结 综上所述，数字化也是点火系统未来必然的发展趋势。再充分考虑性价比因素，所以本方案的设计目标确定为：直流CDI(DC-CDI)点火器。特选择NXP半导体的89LPC915单片机作为控制设计。第二章 原理设计图2.1 DC-CDI点火器原理图 如图2
11、.1所示为本方案DC-CDI点火器原理图。以下将按各个功能模块进行介绍。2.1电源部分设计 本次方案设计目标为直流CDI点火器。使用的工作电源为12V蓄电池，即输入电源为直流12V电压。2.1.1单片机电源设计因使用输入电源为12V，而选择的MCU：P89LPC915操作电压X围为（2.43.6）V。所以需要添加电源转换器件。本方案选用SPX1117M3。SPX1117为Sipex公司生产的LDO芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1%以内，还具有电流限制和热保护功能。它是一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一
12、些高效率，小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。SPX1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117可调节，以选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。这里选择3.3V输出电压的SPX1117M3-3.3。一个10uF的输出电容可有效地保证该芯片的稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF电容。在本方案中，考虑较高的可靠性设计，特在SPX1117的输入及输出端均加上一个10uF的电容，如图2.2所示。图2.2 电源电路其中D1二极管为防止外部
13、电源反接，R21电阻为限流电阻。2.1.1逆变振荡电路设计图2.3 逆变振荡电路 CDI点火器的典型特点就是通过给电容的充电和放电过程来实现点火的。而逆变振荡电路就是保证系统给电容器正常充电的设计。VDD电源输入直流12V到逆变线圈T1的初级的一端，当三极管Q1（TIP41C）处于放大状态时，其集电极将线圈T1初级的另一端拉低，从而使逆变线圈起振，进行升压转换。这时。T1的次级产生250V左右的交流经过续流二极管D3完成给电容C3的充电过程。其中，D4稳压管起稳定充电后C3电容电压的作用。如图中OSC端为单片机的输出端控制端。当OSC输出为高电平时（3.3V）使能三极管Q2，于是Q2的集电极将
14、Q1的基极拉低，使Q1进入截止状态。这样Q1的集电极被拉高从而可使T1停振，停止对电容C3的充电过程。这样，就可以通过单片机OSC端输出高低电平以完成对振荡电路停振和起振的转换控制。2.2可控硅控制放电电路设计如图2.4所示，OUT为单片机的输出I/O口。当OUT被单片机置高后，三极管Q3被使能，其射极被拉高后通过两个电阻R9，R10分压将高电平（1.5V左右）加到可控硅的控制极上，便可将可控硅Q4导通，这样Q4和C3便构成了一个放电回路。在点火器IGN输出端接点火线圈时，电容器的电能便通过可控硅进入点火线圈。而当OUT脚被单片机拉低后，Q3截止关断可控硅。点火线圈的电流被断开，这时点火线圈就
15、会立即产生自耦高压电，使火花塞迸发火花点火。如此反复循环，就能保证点火系统正常工作。图2.4 可控硅控制放电电路另外需要注意的是，因为是CDI式点火，即电容充放电点火。该方式存在一个“充电放电充电”的循环过程，而由前面2.1.2部分介绍可知，电容的充电过程也是由单片机通过另一个输出脚OSC控制逆变电路的起振来实现的。因此，需要满足在逆变电路起振时（即给电容充电过程中），可控硅必须截止（此时不能形成放电回路，不然将无法给电容充电）；同时，必须保证在振荡电路停振后才开可控硅（不然将损坏点火器）。所以，单片机程序设计时，必须充分考虑OSC和OUT两个输出控制信号之间的时序关系，以避免系统运行不正常甚至毁坏系统。2.3触发信号处理部分电路设计（a）转动方向磁电机飞轮触发凸台触发线圈（b）AB图2.5 摩托车点火系统实物及信号图2.3.1触发PC简介在分析触发信号转换电路之前，这里先简单介绍一下摩托车点火系统的PC触发信号。如图2.5（a）所示，在磁电机飞轮的外表面上，存在一个凸台（很多复杂磁电机甚至具有多个长短不一，间隔不等的凸台）。摩托
