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NXP P89LPC901單片機汽車起動保護控制器設計

時間：2009-03-12 11:06:04

關鍵字： NXP 單片機汽車控制器設計

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[導讀]1引言汽車發(fā)動機的起動是通過起動機驅(qū)動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。由蓄電池驅(qū)動的起動機驅(qū)動齒輪產(chǎn)生機械運動；傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能在發(fā)動機起動后自動脫開；起動機直流電動機的通斷由電磁開關控制

1引言

汽車發(fā)動機的起動是通過起動機驅(qū)動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。由蓄電池驅(qū)動的起動機驅(qū)動齒輪產(chǎn)生機械運動；傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能在發(fā)動機起動后自動脫開；起動機直流電動機的通斷由電磁開關控制。汽車起動機屬于汽車中的貴重部件，輕易不會損壞。但是，為了延長起動機的使用壽命，須有恰當?shù)氖褂梅椒āＳ捎谡`操作等原因，在汽車發(fā)動機起動時，若發(fā)動機起動后起動機不能及時斷電．將燒毀起動機或損壞飛輪齒環(huán)；若起動時變速器不在空檔，則會引發(fā)交通事故和人身安全。在起動發(fā)動機的過程中，起動機要從蓄電池引人300～400 Ah的電量，為了防止蓄電池出現(xiàn)過流或損壞現(xiàn)象，起動時間一般不應超過5 s；冬季容易出現(xiàn)起動困難的現(xiàn)象，多次起動時每次起動時間不宜過長，每次起動應留有適當間隔。

為了實現(xiàn)發(fā)動機的正常起動和安全保護，需從汽車電氣控制系統(tǒng)予以考慮。在汽車發(fā)動機的起動電路系統(tǒng)中，汽車起動機的供電電源來自電瓶，發(fā)動機起動時起動機線圈電流非常大，達上百安培。為了保證汽車發(fā)動機能正常起動，通常在發(fā)動機起動時，要求切斷汽車燈光等車身電器電源，只保證為汽車起動機提供電源。為了防止汽車起動時出現(xiàn)安全事故，只有當汽車變速器檔位處于空檔狀態(tài)下，汽車發(fā)動機才能點火啟動，否則因起動機瞬間的強力轉(zhuǎn)動，將使汽車位移，前方一旦有障礙物，將會損壞汽車或危害人身安全。為了保護起動機，每次起動不得超過一定的時間，若汽車起動機帶負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)時間超過5～8 s，發(fā)動機起動后起動開關不斷開，起動機繼續(xù)工作，則飛輪齒輪會帶動起動機驅(qū)動齒輪高速旋轉(zhuǎn)，加速損壞起動機單向離合器。若發(fā)動機起動后，又誤將起動開關接通，則起動機驅(qū)動齒輪將與高速旋轉(zhuǎn)的飛輪相碰撞而損壞起動機，因此，在發(fā)動機起動狀況下不可再次起動。在此，介紹了一種基于NXP P89LPC901單片機的汽車起動保護控制器。該控制器對汽車發(fā)動機起動過程進行了檢測控制，通過采用逐個關閉或打開負載電源系統(tǒng)，解決了起動電流大對汽車電源的沖擊影響，通過對發(fā)動機起動過程中變速箱檔位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的檢測，實現(xiàn)對汽車起動機的保護。

2起動保護器工作過程及功能

2.1工作過程

圖1給出汽車起動保護器原理框圖。其工作過程是：起動保護控制器對起動開關進行檢測，當起動開關接通時，若變速箱檔位開關處于空檔位置，汽車發(fā)動機未在工作狀態(tài)時，接通車身電器電源繼電器，切斷車身電器負載電源，延時0.5 s后，接通起動控制繼電器，起動機通電起動。當起動開關斷開或者發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到300 r／min后，控制器釋放起動控制繼電器，起動機斷電停止工作，延時0.5 s后。釋放車身電器電源繼電器，接通車身電器負載電源，起動完成。

2.2主要功能
2.2.1正常起動

鑰匙開關從ON檔打到(起動檔)START檔起動發(fā)動機時，當變速箱檔位在空檔位置時，起動保護控制器先切斷車身電器負載電源，延時0.5 s。再接通起動繼電器，起動機起動，當起動機帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于300 r／min后，或者鑰匙開關由START檔回到ON檔時，控制器控制起動繼電器斷開，起動機斷電，延時0.5 s，再接通車身電器負載電源，起動過程完成。

2.2.2非空檔起動保護

起動保護器要求變速箱只有在空檔位置時，才能起動發(fā)動機。但若空檔開關損壞或者駕駛員知道變速箱不在空檔位置但必須起動發(fā)動機時，可采取非空檔位置保護起動，其起動條件是要求鑰匙從ON檔打到START檔，并在START檔位持續(xù)3 s后方可起動。起動過程與正常起動相同。

2.2.3鑰匙開關不能回位保護

在汽車起動過程中，若鑰匙開關在START檔位且時間大于5 s，或者因鑰匙開關故障，在5 s內(nèi)不能從START檔回到ON檔，則為了保護起動機和電瓶，控制器可以切斷起動機電源，接通車身電器負載電源。

2.2.4重復起動保護

若發(fā)動機已處于工作狀態(tài)，而且轉(zhuǎn)速大于300 r／min，當鑰匙開關從ON檔打到START檔時，則控制器保證起動機不再起動。

3 P89LPC901單片機的主要特性

根據(jù)工作條件和可靠性要求，經(jīng)過對比，選用NXP公司生產(chǎn)的單片封裝微控制器，即NXP P89LPC901單片機。該單片機的工作溫度范圍在-45～85℃，因此，可以滿足汽車起動保護器的應用要求。該單片機的主要性能是：由于采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)和增強型8051內(nèi)核．其指令執(zhí)行速度6倍于標準80C51器件，因此，集成了許多系統(tǒng)級的功能。圖2給出了結(jié)構(gòu)及功能框圖。芯片集成了1 KBFlash程序存儲器，128 B數(shù)據(jù)存儲器，2個16位定時／計數(shù)器及PWM，23位的系統(tǒng)定時器，以及增強型UART，具有高精度的內(nèi)部RC振蕩器和片內(nèi)復位、8引腳SO-8封裝，最大有6個可編程的I／O端口，內(nèi)部一個可編程的模擬比較器，可編程Watchdog定時器及電源監(jiān)控器等，該單片機具有較高的性能價格比，能夠滿足汽車起動保護器的控制功能要求。

4起動保護器電路原理
根據(jù)汽車起動保護器的功能及工作過程要求，應用NXPP90LPC901單片機的汽車起動保護器電路由電源電路、單片機電路、開關信號輸入電路、發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸入電路，電源繼電器及起動繼電器控制電路等組成(見圖3)。P89LPC901采用內(nèi)部復位電路和片內(nèi)RC振蕩器(7.373 MHz)，可以提供6個可編程I／O接口，分別用于輸入檢測和輸出控制。

4.1電源電路

用于客車的起動保護控制器。其供電電源采用+24 V的汽車電瓶電源，經(jīng)壓敏電阻和防止電源極性接反的保護二極管VD1后，得到+12 V電壓，該電壓為比較器LM2903電源，同時將該電壓濾波限流后，再經(jīng)HA7355穩(wěn)壓管穩(wěn)壓和濾波，然后向P89LPC901提供+3.3 V電壓。

4.2開關輸入檢測電路

起動保護控制器的輸入開關有：起動開關(START-SW)、空檔開關(NULL-SW)；2個開關量輸入信號，它們分別接正電源(+24 V)有效。

起動機的電源來自汽車電瓶。在起動機起動時，電流很大，可達上百安培，可能會造成電瓶虧電，電壓降低。為了保證當起動開關接通時，電瓶電壓大于12 V，能夠正常起動，使START-SW信號通過比較器LM2903轉(zhuǎn)換，接入單片機的P04引腳。當START-SW信號電壓大于12 V，則LM2903的第7引腳輸出+33 V；當START-SW信號電壓大于+12 V，則LM2903的7引腳輸出0 V。

空檔開關NULL-SW信號經(jīng)晶體管轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機要求的電平信號，接人單片機的P15引腳，當空檔開關接通時，單片機的P15引腳為高電平；當空檔開關斷開時，單片機的P15引腳為低電平。

4.3發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸入檢測電路
發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是正弦信號，其電壓幅值范圍為3～6 V。發(fā)動機輸出信號為173個脈沖／轉(zhuǎn)。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于300 r／min后，完成起動時。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦信號經(jīng)比較器LM2903轉(zhuǎn)換為方波信號接人單片機的P12引腳，即P89LPC901的計數(shù)器輸入引腳，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號大于2 V時為高電平；低于2 V時為低電平。

4.4繼電器控制電路

在控制電路中，車身電器電源通過繼電器RLY1控制，使負載接入常閉觸點；起動機起動控制通過繼電器RLY2，使負載接入常開觸點。電路中繼電器由89LPC901的P30和P31輸出，并經(jīng)BTS612放大驅(qū)動。

5起動保護控制器控制程序

起動保護控制器控制程序采用匯編語言編寫。圖4示出根據(jù)發(fā)動機的起動過程和功能要求設計的控制程序框圖。

6結(jié)語
設計的汽車起動保護控制器電路考慮了汽車的環(huán)境和可靠性。采用NXP 89LPC901單片機控制，具有控制電路設計簡單，控制靈活、可靠性高、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)在宇通客車上裝車五萬余輛，使用證明，工作穩(wěn)定可靠，運行良好。

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