單片機技術在新型汽車領域的應用研究*

周 杰，張礦偉

（1.周口技師學院機械工程系，河南 周口 466000；2.周口職業技術學院信息工程學院，河南 周口 466000）

單片機技術的發展經歷了幾代版本的更新，現在已發展到數字化和智能化，在汽車領域的應用非常廣泛。現代新型汽車的發展更多考慮安全性、舒適性和智能性，因此汽車制造商引入智能控制技術來提高汽車的安全性和智能性，其中控制核心使用的是單片機。單片機控制能很好地提高汽車的各項性能，例如電路系統、制動系統、報警系統、防盜系統及遙控系統等[1]。單片機技術在汽車控制系統中的應用大大提高了操控性能，極大地降低了對駕駛員的駕駛技術要求，例如倒車雷達技術、倒車影像技術、自動泊車技術、自動駕駛技術等。為了使單片機更好地應用于汽車領域，本文闡述了我國汽車領域應用單片機技術的現狀及存在的問題，梳理和分析了單片機在汽車領域中應用的相關技術。

1 汽車單片機的特點和組成

單片機是一個小微型控制器，以集成電路為控制芯片，是一個完整的控制系統，主要包括三大模塊：電源模塊、復位模塊和時鐘模塊[2]。它具有體積小、易于布置和安裝、可靠性高、維護方便、處理信息能力強、速度快且成本低等特點[3]。此外，它具有較高的性價比，控制能力強、接口簡單、開發較容易，有利于推廣普及，尤其善于實時檢測和控制，能適應汽車工作狀況復雜多變的特點。單片機在國外已經被廣泛地應用于汽車產品。

汽車單片機的控制通道主要包括兩類，分別是轉發通道和后向通道。轉發通道主要作為系統的信號采集通道，信號調控電路主要處理車載的所有傳感器信息，包括溫度、壓力、電流、電壓等信號，將采集到的模擬變量通過轉換通道傳送到單片機，通過接收來自傳感器的信息，可以準確實時地掌握車輛的狀態[4]。后向通道的主要作用是根據接收到的車載傳感器信號，由單片機的控制單元對照標準值分析采集到的信息，從而作出判斷，并將分析判斷結果以控制量發送給執行機構，控制執行機構按照各項指標完成控制要求。汽車控制系統的執行機構主要包括液壓閥、電磁閥等。汽車單片機控制系統的控制結構原理見圖1。

圖1 控制結構原理圖

在控制系統實施控制的過程中，操作人員可以根據標準參數進行變量的設置，改變汽車運行的實際效果，汽車控制系統人機交互界面的設置是其中的一部分，操作人員可以使用人機交互系統來設置相關變量。汽車的人機交互界面比較簡單，類似于嵌入式系統，主要是通過觸摸屏與單片機進行通信，上位設置參數，控制器分析執行控制信號。

2 單片機技術在汽車領域的具體應用

2.1 單片機在提升汽車安全性能方面的應用

單片機在提升汽車安全性能方面的應用主要包括制動防抱死系統 （Antilock Brake System，ABS）、安全氣囊、汽車自診斷系統和防盜報警系統等。

ABS主要是由單個微控制器實現。汽車在行駛過程中遇到突發緊急事件時，根據操作人員使用緊急剎車的情況，車輪轉速突然降低直至抱死，車輪轉速傳感器檢測信息出現突變，會將檢測信息通過轉發通道迅速傳遞給單片機控制單元；單片機控制單元快速作出分析判斷，對比傳感器接收的信息與設定值是否一致，從而確定車輪抱死的情況。接著，汽車按照單片機控制單元編寫好的控制程序來控制執行機構，以有效防止制動系統對車輛的沖擊，從而減少了因車輪抱死導致車輛側滑的現象。ABS大大減輕了車輪制動力，有效減少了輪胎與地面之間的摩擦力，使駕駛過程更加安全。

汽車安全氣囊控制的核心是單片機。安全氣囊是汽車安全保障的重要組成部分，它能在汽車發生緊急碰撞時起到保護乘客和司機的作用。安全氣囊的控制主要表現在汽車快速行駛過程中突然劇烈碰撞、車速驟減，安全氣囊彈出。單片機的控制單元是控制安全氣囊彈出的核心，通過碰撞氣囊傳感器檢測汽車行駛過程中的車速驟減，然后傳感器將檢測信號發送給控制單元，控制單元根據檢測信號作出判斷，單片機分析碰撞程度，根據碰撞程度決定是否彈出安全氣囊。如果需要打開，燃氣發生器發出點火指令，瞬間產生大量氣體，充入氣囊，使安全氣囊瞬間彈出，彈出時間約為幾十毫秒。這樣可以有效減少車上人員的人身傷亡。

隨著我國汽車企業技術的不斷創新發展，汽車的結構設計變得更加復雜[5]，使得汽車診斷和維修的難度加大，有效利用單片機系統實現對汽車自動進行診斷而排除汽車故障的方法孕育而生。通過存儲在微控制器內的汽車信息，操作人員可以在不拆解汽車的情況下使用自我診斷系統測試汽車的性能，并且可以自動分析和判斷汽車的其他方面。

汽車防盜系統的核心由兩個微控制器控制模塊組成，車主使用完汽車后自動啟動防盜模式。一旦受到外界干擾，防盜系統便被觸發，同時利用單片機內部模塊對接收到的信號進行比較和判斷并作出響應，通過信息發送模塊將報警信息發送至車主手機，車主能夠通過手機實時了解車輛的安全情況。單片機技術的使用大大提高了汽車的安全性。

2.2 單片機在汽車動力方面的應用

單片機在汽車動力方面的應用主要是提高燃油利用率和高密度金屬氧化物半導體工藝[6]。

當前全球汽車工業企業面臨的重要研究課題是如何不斷地降低汽車油耗，減少排放，進一步提高汽車性能，要做到這些就需要運算能力越來越強大的單片機。電子控制燃油噴射系統已經成為國內外廣泛使用的機電一體化產品。單片機通過接收傳感器反映的發動機負荷、轉速、冷卻水及機油溫度和大氣壓力等有關參量的電脈沖信號，再進行綜合處理，與存儲器存儲的發動機各工況下的理想可燃混合氣成分的電脈沖寬度進行比較，進而算出相應發動機工況和條件下的最佳混合氣所需噴油量和噴油時間；然后向噴油器發出相應電脈沖指令，使之適時噴射適量燃油，使發動機在最經濟工況下工作。

傳統的MCS-51系列單片機的8031產品功耗達630 mV，而目前許多單片機的功耗僅為100 mV左右[2]，因此人們越來越關注市場上功耗較低的單片機。如今很多單片機制造商在開發產品時常采用高密度金屬氧化物半導體工藝。密度較高的金屬氧化物半導體材料在使用時有比較明顯的兩個特點，即傳輸速度快和能耗較低，所以根據單片機低功耗的特點分析可以將其用到對電源要求不高的領域。

單片機可以提升系統的可靠性，采用單片機能有效減少外圍電路與機械部件。一些機械部件在生產時很難調整參數，并且會隨著時間的推移而發生變化。例如電器是由多個機械部件組成的，在生產過程中需要由多名工作人員來調整參數，導致產品出現單一性，生產程序也較為復雜。而采用單片機的形式能實現數字控制，在一定程度上能減少機械與電子控制器件，提升系統的穩定性。

3 單片機技術在汽車領域應用存在的主要問題

3.1 適應能力差

由于駕駛環境因區域的不同而不同，單片機系統的適應環境也不同。當溫度過高時，電子信息元件的可操作性和穩定性會逐漸下降，尤其是在熱帶地區，溫度過高會造成電子信息元件使用功能失效，引發一系列的故障。汽車在行駛過程中會遇到不同的道路狀況，單片機在使用過程中也會受特殊路況的影響導致不能正常工作。但隨著單片機技術的不斷發展，汽車行駛中產生的震動已不再影響單片機的正常工作，極大地提高了系統的穩定性。此外，單片機在使用過程中會受到外界電磁信號的干擾，比如車載高壓點火器、電源、繼電器和傳感器，這些干擾可能會影響到單片機在使用過程中的穩定性。因此要考慮到單片機的防干擾性，在單片機選型時應盡量選擇抗干擾能力強的產品，要以穩定、可靠作為標準，選擇能夠在高溫下保持穩定且抗干擾性、抗震能力強的芯片。

3.2 維修困難

單片機控制系統具有自診斷功能，從而使維護變得容易，并能自動診斷故障位置、故障原因并給出代碼，提高系統的可維護性。但本系統所使用的單片機大多是專用單片機，且存在程序掩碼，因此維護困難，只能借助專用開發工具進行調試。

4 結束語

隨著汽車技術的發展和生產方式的統一，供應鏈管理技術在汽車工程領域的地位將變得越來越重要。我國的汽車制造商已經使用智能控制技術來提高汽車的安全性、智能性和舒適性。單片機技術的引入彌補了傳統汽車生產中的不足，很大程度上改善了汽車的市場競爭力。但我國在汽車領域的發展起步較晚，相比發達國家汽車技術略有落后。隨著新技術的引入，我國的汽車品牌得到了世界認可，汽車的全球銷量也有了很大提高。汽車技術的發展離不開單片機技術的支撐，汽車企業只有不斷改進和引入新技術，才能真正提升效益和影響力。