摘 要

为更好地控制汽车发动机的能耗，稀薄燃烧技术在其中的应用越来越广泛。传统的氧传感器的空燃比测量范围限制了其在稀薄燃烧领域的应用，所以测量范围更宽、精度更高的宽域氧传感器UEGO得以崭露头角，并逐渐成为主流。取决于其原理，UEGO需要有专用的控制器配合使用才能发挥最大作用。

但由于国内自主生产的UEGO很少，我国各大科研机构基本都是围绕国外产品（比如Bosch LSU4.2等）进行的研究。而随着国内陶瓷技术的发展，国内有些厂家已经可以自主生产宽域氧传感器，但还没有相应的控制器与其匹配。为了弥补这一空白，本设计基于常州联德电子有限公司开发的4.2型宽域氧传感器开发了一款UEGO控制器，论文完成了以下主要内容：

1. UEGO的工作原理分析，具体为内部结构剖析和工作原理的理解；

2. UEGO控制器的硬件设计。即采用STM32F103VET6型单片机作为主控芯片、Bosch 公司开发的 CJ125 控制芯片作为核心控制模块进行UEGO控制器硬件部分的开发；

3. UEGO控制器的软件设计。利用MDK4 软件作为开发平台，采用C 语言编程；

4. UEGO控制器的测试。静态和动态环境下测试控制器性能。

关键词：宽域氧传感器；CJ125；数字PID控制；标定测试

Abstract

To better control the energy consumption of automobile engines, the application of lean-burn technology becomes wider and deeper. Due to the narrow measurement range in fuel ratio, the conventional oxygen sensor cannot be applied to lean combustion. Therefore universal exhaust gas oxygen sensors which have wider measurement range as well as higher precision have emerged, and gradually become the mainstream. Depending on their principle, UEGO sensors need a specific controller to achieve maximum effect.

Because there is few domestic company can produce UEGO independently, the internal major researches on controllers are basically based on foreign products (such as Bosch LSU4.2 etc.). However, with the development of the domestic ceramic technology, some manufacturers are able to produce the UEGO sensor which has no corresponding controller to match with. To fill this gap, this design developed a wide range oxygen sensor controller based on 4.2-type wide-range oxygen sensor produced by Changzhou Lambda Electronic Co., Ltd. The main contents are as followed:

1. Analysis on the principle of UEGO sensor, including the internal structure and working principle.

2. The hardware design of wide-range oxygen sensor controller, which uses STM32F103VET6 MCU as the master chip and CJ125 control chip developed by Bosch Company as the core control.

3. The software design of wide-range oxygen sensor controller, which uses MDK4 as the development platform and C language as programming language.

4. Testing the wide-range oxygen sensor controller, including performances under both static and dynamic conditions.

Keywords: UEGO; CJ125; Digital PID control; Calibration tests

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研发背景和意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 5

1.3课题来源与主要研究内容 6

第2章 宽域氧传感器的工作原理 7

2.1能斯特原则 7

2.2极限电流型传感器 8

2.3宽域氧传感器 9

2.4本章小结 11

第3章 宽域氧传感器控制器硬件设计 12

3.1总体方案 12

3.2主控芯片 13

3.2.1 STM32F103VET6单片机 13

3.2.2 STM32F103VET6单片机最小系统 14

3.3集成控制芯片CJ125 16

3.3.1 CJ125控制芯片 16

3.3.2 CJ125的外部连接 20

3.4 ADC采样模块 21

3.5加热模块 21

3.6电压转换模块 21

3.7本章小结 22

第4章 宽域氧传感器控制器软件设计 23

4.1开发环境简介 23

4.2主程序 23

4.3 A/D转换及数据处理 24

4.3.1 A/D转换及滤波处理 24

4.3.2数据处理 25

4.4温度控制模块 26

4.5本章小结 27

第5章 宽域氧传感器控制器测试实验 28

5.1静态实验 28

5.1.1泵电流、过量空气系数λ的转换模型 28

5.1.2静态温度控制曲线 30

5.1.3静态气氛变化测试 31

5.2动态实验 34

5.2.1温度抗干扰测试 34

5.2.2高温冲击测试 35

5.2.3工况模拟动态响应测试 36

5.3本章小结 37

总结与展望 38

参考文献 40

附录A 宽域氧传感器控制器硬件原理图 42

附录B 宽域氧传感器控制器PCB图 43

致 谢 44

第1章 绪论

1.1研发背景和意义

据统计，近年来中国汽车保有量保持在10%以上的增幅，截至2015年上半年，中国汽车保有量已经突破1.6亿辆^[1]。并且2015年国务院发布的关于1.6升及以下乘用车购置税减半的政策将极大促进汽车总销量的增长^[2]。

虽然汽车保有量的增加，在一定程度上带动经济发展、提高了人们的生活质量，但与此同时，汽车尾气造成的污染也愈加严重。其缘由是燃油在发动机中不充分燃烧产生了一些不完全燃烧产物，比如一氧化碳CO、碳氢化合物HC和氮氧化物NOx等。而这些产物除了会造成雾霾、酸雨、光化学烟雾等重大环境问题外，更会直接影响人体的健康。所以我国的国家阶段机动车污染物排放标准也应运而生^[3]，如表1.1所示。

表1.1 中国国家阶段机动车污染物排放标准（单位：g/KW·h）

从表1.1看出排放要求变得越来越来严格，而为了控制CO、NOx和HC这三种有害气体的排放，达到排放法规的要求，绝大多数汽车厂商都会在发动机系统中加入三元催化转换器（TWC）对尾气进行净化。然而，TWC的使用条件相当严苛，一是要求较高工作温度，二是在空燃比接近理论空燃比14.7:1的情况下才会达到最大的净化效果。