基于单片机与传感器技术的汽车起动线路设计
摘 要：在以发动机为动力源的汽车中，起动系统承担起使发动机由非工作状态进入工作状态的重要作用，属于发动机的附属系统。在传统汽车起动系统的基础上提出将单片机与传感器技术运用到起动控制线路中，通过传感器采集发动机工作状态信号，实现当发动机处于正常运转时无法接通起动控制线路从而保护起动机，对车辆的起动安全稳定性起到进一步优化的作用。
关键词：起动控制；单片机；传感器
随着汽车制造技术不断提升，现大部分中高端轿车的起动系统实现了无钥匙起动，也是平时俗称的一键起动，但无钥匙起动系统制造成本较高，故现在仍有大部分营运用车和一些低端小轿车依然采用传统起动系统，也就是需要驾驶员旋转钥匙进行起动发动机。传统起动系统控制线路主要由点火开关、起动继电器、起动机等部件组成。有结构简单，制造成本低、工作性能好、维修成本低的优点。虽然系统可以满足日常的生产需求，但也存在安全隐患，第一，对于手动档汽车来说，传统起动系统无法识别变速器是否处于空挡的位置，当车辆档位不是空挡时，驾驶员也没踩下离合器踏板就起动发动机，这时车辆会突然向前或向后快速移动，俗称“窜车”，会发生不可预知的危险。第二，当发动机正处于正常工作时，如果驾驶员再次转动钥匙至ST 档，起动机电路被接通，起动机驱动齿轮转动并弹出与正在转动的飞轮发生碰撞，由于此时飞轮转速较快，可能会造成起动机的驱动齿轮、单向传动离合器、直流电机等零件损坏，引起不必要的维修。对于上述的系统工作特点，本文提出”单片机 +传感器”的汽车起动线路设计，旨在进一步优化系统的安全稳定性。
1 传统起动系统的工作过程
传统起动系统现大多数用于营运用车或低端轿车，系统构 造简单，使用便捷，是一键起动系统的雏形，没有运用电子控制 单元、传感器等具有较高技术含量的电子元件。主要由控制线 路与起动机两大部分组成，控制线路包括蓄电池、点火开关、常 开式起动继电器，电磁开关，导线组成；起动机由直流电动机、动 力传动机构、控制机构三部分组成。系统的工作过程如图 1 所 示，当点火开关旋转至 ST 档，接通起动继电器的线圈电路使之 工作。电流便可以通过端子 50 流入起动机电磁开关，电磁开关 内的线圈产生磁场力，吸引电磁开关内的活动铁芯移动，铁芯端的接触盘被推出与端子 30、端子 C 结合，便接通了直流电动机 的驱动电路，电动机开始运转。活动铁芯同时也拉动拨叉把驱动齿轮撬出与飞轮啮合，起动机便能顺利带动发动机。当发动机开始自行运转后，驾驶员松开钥匙，断开 ST 档，起动继电器电路被断开，端子 50 无电流输入，电磁开关磁场消失，活动铁芯在回位弹簧的作用下回到原来的位置，便断开了直流电动机的电流，起动机停止工作，系统完成一次完整的工作过程。在系统工作过程中起动继电器和起动电磁开关起到小电流控制大电流的作用，避免了在起动车辆瞬间因电流过大而烧毁系统导线与开关。另外，系统在动力传递路线上设置有单向传动离合器，主要作用是：在发动机起动后防止发动机动力通过驱动齿轮反向传递给起动机，从而保护了起动机。但如果此时起动机控制电路迟迟没有断开，或断开后又再次接通，起动机驱动齿轮还是会弹出与正在转动的飞轮强行啮合而导致起动机发生机械损坏。
2 传统起动系统的改进设计
2.1 基于“单片机 + 传感器”的起动线路改进设计
通过上述对传统起动系统工作过程分析知道，对于“窜车” 的安全隐患与误起动引起的系统损坏可以通过改进来避免。对 于因驾驶员不按正常起动程序起动车辆引起的“窜车”事故，主 要是手动挡的车辆才会出现，原因是变速器档位不为空档，驾驶 员起动时也不踩下离合器踏板就起动车辆，发动机动力通过传 动系统传递到车轮而引发“窜车”事故。可以将常开式开关串接 到起动控制线路中，串接位置如图 2 所示。开关的导通与关闭通 过离合器踏板来控制，踩下踏板便导通，松开踏板就断开，这样 便可实现在起动车辆前必须踩下离合器踏板，防止了驾驶员不 按正常起动程序起动车辆引起的“窜车”事故。另外，为了防止因 驾驶员疏忽，在发动机处于正常工作状态时再次起动发动机引起起动机的机械损毁，带来不必要的维修，可通过将“单片机 + 传感器”技术串接到起动控制线路中，利用发动机在正常运转时进气歧管内有负压，停止工作时进气歧管内负压消失的特点，
可以将进气歧管的压力参数通过传感器转换成电压信号，作为 断开或接通起动机电路的控制依据。改进设计电路如图 2 所示， 在起动机控制回路的点火开关与起动继电器间串联一个常闭 继电器，在起动控制回路外附加“单片机 + 传感器”控制线路， 传感器为半导体压敏电阻式压力传感器，传感器安装在进气歧 管上，用于检测发动机进气歧管内的压力参数。继电器的控制 回路接入到单片机中，单片机根据进气压力传感器的信号控制继电器工作，进气压力传感器信号电压随着发动机进气歧管内 的压力变化而变化。通过改进过后的起动控制线路，发动机的进气歧管内的压力参数就成为了起动控制电路能否正常接通 的因素之一。当发动机正常工作时，点火开关处于 ON 挡，单片机工作电路处于接通状态，同时发动机进气歧管内存在负压， 附加安装在进气歧管上的进气压力传感器检测到压力后产生信号电压，将信号电压输送给单片机，单片机接收传感器的信号电压后通过输出端控制常闭式继电器工作，常闭触点在磁场力吸引下断开，把起动机控制回路切断，此时起动发动机，起动机的控制电路在常闭式继电器处中断，无法控制起动机工作。
当发动机停止工作后，进气歧管内的负压消失，安装在进气歧管上的压力传感器检测不到负压，传感器的信号电压消失，停止向单片机输入信号电压，单片机也停止向继电器供电，常闭式继电器停止工作，继电器触点恢复常闭合状态，起动机控制电路恢复正常连接，在下一次起动发动机时，驾驶员踩下离合踏板，转动钥匙至 ST 档便能够顺利接通控制电路使起动机工作。经过使用“单片机 + 传感器”改进过的起动控制线路，可以有效防止在发动机处于正常工作状态时误起动发动机所引起的机械损毁，降低了汽车的维护保养费用。
2.2 起动系统改进后优势分析
一个成熟的设计方案，需做到不用大范围改变原有系统的 基础上实现工作性能稳定，安装方便，改进费用合理等特点。 “单片机 + 传感器”起动控制线路主要优点有以下几个。优点 一：单片机与传感器控制线路属于附加安装，不改变原车系统， 且工作性能稳定。附加安装的单片机与传感器有独立的电源控 制线路，进气压力传感器并不是运用原车上的进气压力传感 器，这一特点有效保护了发动机电路与控制参数。原发动机的 进气压力传感器信号作为发动机 ECU 控制喷油量的重要依据 信号，如果信号电压受到外加电路分压，可能会引起发动机工 作不稳定或无法起动等故障。为不改变发动机原控制线路，保 证发动机工作的稳定，本改进设计所用的压力传感器属于另外 附加安装在进气歧管中，控制线路也是单独运行，与发动机原 来的控制线路互不干扰。优点二，附加的压力传感器安装方便， 信号稳定，通过一根三通管将进气歧管的负压接通到压力传感 器感应腔内即可，这种安装方法不需要大范围改变汽车起动系 统与进气歧管原有的结构，附加安装的半导体压敏电阻式进气 压力传感器，内部用一硅膜片感应压力参数，能在发动机正常 运转时，持续检测进气歧管内的压力并输出信号电压给到单片 机。优点三，“单片机 + 传感器”的设计方案所用材料不多，改进 费用不贵，对传统起动线路改造并不需要太高的成本，适用于 从事营运类车辆使用。
3 结论
本文根据传统起动机控制系统的技术特性与结构，提出了 基于单片机与传感器技术的汽车起动线路改进设计，对传统起 动系起到进一步优化的作用，有效防止了起动时的意外“窜车” 现象与在发动机正常运转时误起动发动机所引起的机械损毁， 确保汽车起动系统使用的安全，提高了交通运输的经济效益。