基于單片機與傳感器技術的汽車起動線路設計

梁光松 張志杰 許 麗

（北海職業學院，廣西 北海536000）

隨著汽車制造技術不斷提升，現大部分中高端轎車的起動系統實現了無鑰匙起動，也是平時俗稱的一鍵起動，但無鑰匙起動系統制造成本較高，故現在仍有大部分營運用車和一些低端小轎車依然采用傳統起動系統，也就是需要駕駛員旋轉鑰匙進行起動發動機。傳統起動系統控制線路主要由點火開關、起動繼電器、起動機等部件組成。有結構簡單，制造成本低、工作性能好、維修成本低的優點。雖然系統可以滿足日常的生產需求，但也存在安全隱患，第一，對于手動檔汽車來說，傳統起動系統無法識別變速器是否處于空擋的位置，當車輛檔位不是空擋時，駕駛員也沒踩下離合器踏板就起動發動機，這時車輛會突然向前或向后快速移動，俗稱“竄車”，會發生不可預知的危險。第二，當發動機正處于正常工作時，如果駕駛員再次轉動鑰匙至ST 檔，起動機電路被接通，起動機驅動齒輪轉動并彈出與正在轉動的飛輪發生碰撞，由于此時飛輪轉速較快，可能會造成起動機的驅動齒輪、單向傳動離合器、直流電機等零件損壞，引起不必要的維修。對于上述的系統工作特點，本文提出”單片機+傳感器”的汽車起動線路設計，旨在進一步優化系統的安全穩定性。

1 傳統起動系統的工作過程

圖1 傳統起動系統簡圖

傳統起動系統現大多數用于營運用車或低端轎車，系統構造簡單，使用便捷，是一鍵起動系統的雛形，沒有運用電子控制單元、傳感器等具有較高技術含量的電子元件。主要由控制線路與起動機兩大部分組成，控制線路包括蓄電池、點火開關、常開式起動繼電器，電磁開關，導線組成；起動機由直流電動機、動力傳動機構、控制機構三部分組成。系統的工作過程如圖1 所示，當點火開關旋轉至ST 檔，接通起動繼電器的線圈電路使之工作。電流便可以通過端子50 流入起動機電磁開關，電磁開關內的線圈產生磁場力，吸引電磁開關內的活動鐵芯移動，鐵芯端的接觸盤被推出與端子30、端子C 結合，便接通了直流電動機的驅動電路，電動機開始運轉。活動鐵芯同時也拉動撥叉把驅動齒輪撬出與飛輪嚙合，起動機便能順利帶動發動機。當發動機開始自行運轉后，駕駛員松開鑰匙，斷開ST 檔，起動繼電器電路被斷開，端子50 無電流輸入，電磁開關磁場消失，活動鐵芯在回位彈簧的作用下回到原來的位置，便斷開了直流電動機的電流，起動機停止工作，系統完成一次完整的工作過程。在系統工作過程中起動繼電器和起動電磁開關起到小電流控制大電流的作用，避免了在起動車輛瞬間因電流過大而燒毀系統導線與開關。另外，系統在動力傳遞路線上設置有單向傳動離合器，主要作用是：在發動機起動后防止發動機動力通過驅動齒輪反向傳遞給起動機，從而保護了起動機。但如果此時起動機控制電路遲遲沒有斷開，或斷開后又再次接通，起動機驅動齒輪還是會彈出與正在轉動的飛輪強行嚙合而導致起動機發生機械損壞。

2 傳統起動系統的改進設計

2.1 基于“單片機+傳感器”的起動線路改進設計

通過上述對傳統起動系統工作過程分析知道，對于“竄車”的安全隱患與誤起動引起的系統損壞可以通過改進來避免。對于因駕駛員不按正常起動程序起動車輛引起的“竄車”事故，主要是手動擋的車輛才會出現，原因是變速器檔位不為空檔，駕駛員起動時也不踩下離合器踏板就起動車輛，發動機動力通過傳動系統傳遞到車輪而引發“竄車”事故。可以將常開式開關串接到起動控制線路中，串接位置如圖2 所示。開關的導通與關閉通過離合器踏板來控制，踩下踏板便導通，松開踏板就斷開，這樣便可實現在起動車輛前必須踩下離合器踏板，防止了駕駛員不按正常起動程序起動車輛引起的“竄車”事故。另外，為了防止因駕駛員疏忽，在發動機處于正常工作狀態時再次起動發動機引起起動機的機械損毀，帶來不必要的維修，可通過將“單片機+傳感器”技術串接到起動控制線路中，利用發動機在正常運轉時進氣歧管內有負壓，停止工作時進氣歧管內負壓消失的特點，可以將進氣歧管的壓力參數通過傳感器轉換成電壓信號，作為斷開或接通起動機電路的控制依據。改進設計電路如圖2 所示，在起動機控制回路的點火開關與起動繼電器間串聯一個常閉繼電器，在起動控制回路外附加“單片機+傳感器”控制線路，傳感器為半導體壓敏電阻式壓力傳感器，傳感器安裝在進氣歧管上，用于檢測發動機進氣歧管內的壓力參數。繼電器的控制回路接入到單片機中，單片機根據進氣壓力傳感器的信號控制繼電器工作，進氣壓力傳感器信號電壓隨著發動機進氣歧管內的壓力變化而變化。通過改進過后的起動控制線路，發動機的進氣歧管內的壓力參數就成為了起動控制電路能否正常接通的因素之一。當發動機正常工作時，點火開關處于ON 擋，單片機工作電路處于接通狀態，同時發動機進氣歧管內存在負壓，附加安裝在進氣歧管上的進氣壓力傳感器檢測到壓力后產生信號電壓，將信號電壓輸送給單片機，單片機接收傳感器的信號電壓后通過輸出端控制常閉式繼電器工作，常閉觸點在磁場力吸引下斷開，把起動機控制回路切斷，此時起動發動機，起動機的控制電路在常閉式繼電器處中斷，無法控制起動機工作。當發動機停止工作后，進氣歧管內的負壓消失，安裝在進氣歧管上的壓力傳感器檢測不到負壓，傳感器的信號電壓消失，停止向單片機輸入信號電壓，單片機也停止向繼電器供電，常閉式繼電器停止工作，繼電器觸點恢復常閉合狀態，起動機控制電路恢復正常連接，在下一次起動發動機時，駕駛員踩下離合踏板，轉動鑰匙至ST 檔便能夠順利接通控制電路使起動機工作。經過使用“單片機+傳感器”改進過的起動控制線路，可以有效防止在發動機處于正常工作狀態時誤起動發動機所引起的機械損毀，降低了汽車的維護保養費用。

圖2“單片機+傳感器”汽車起動控制電路

2.2 起動系統改進后優勢分析

一個成熟的設計方案，需做到不用大范圍改變原有系統的基礎上實現工作性能穩定，安裝方便，改進費用合理等特點。“單片機+傳感器”起動控制線路主要優點有以下幾個。優點一：單片機與傳感器控制線路屬于附加安裝，不改變原車系統，且工作性能穩定。附加安裝的單片機與傳感器有獨立的電源控制線路，進氣壓力傳感器并不是運用原車上的進氣壓力傳感器，這一特點有效保護了發動機電路與控制參數。原發動機的進氣壓力傳感器信號作為發動機ECU 控制噴油量的重要依據信號，如果信號電壓受到外加電路分壓，可能會引起發動機工作不穩定或無法起動等故障。為不改變發動機原控制線路，保證發動機工作的穩定，本改進設計所用的壓力傳感器屬于另外附加安裝在進氣歧管中，控制線路也是單獨運行，與發動機原來的控制線路互不干擾。優點二，附加的壓力傳感器安裝方便，信號穩定，通過一根三通管將進氣歧管的負壓接通到壓力傳感器感應腔內即可，這種安裝方法不需要大范圍改變汽車起動系統與進氣歧管原有的結構，附加安裝的半導體壓敏電阻式進氣壓力傳感器，內部用一硅膜片感應壓力參數，能在發動機正常運轉時，持續檢測進氣歧管內的壓力并輸出信號電壓給到單片機。優點三，“單片機+傳感器”的設計方案所用材料不多，改進費用不貴，對傳統起動線路改造并不需要太高的成本，適用于從事營運類車輛使用。

3 結論

本文根據傳統起動機控制系統的技術特性與結構，提出了基于單片機與傳感器技術的汽車起動線路改進設計，對傳統起動系起到進一步優化的作用，有效防止了起動時的意外“竄車”現象與在發動機正常運轉時誤起動發動機所引起的機械損毀，確保汽車起動系統使用的安全，提高了交通運輸的經濟效益。