防汽车误起动齿轮碰撞线路的设计
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【摘 要】人们在驾驶汽车的过程中，误打起动机，当起动机小齿轮将要接触飞轮齿圈时，传感器感应将信号传给控制元件，控制元件又把信号传给执行元件，执行元件产生动作，将电磁开关电源线断开，就可以切断起动机小齿轮与飞轮齿圈的啮合。可以防止汽车起动发动机飞轮和起动机小齿轮不正常啮合，保护发动机飞轮和起动机，保证汽车的安全。所以研究“防汽车误起动齿轮碰撞线路的设计”切断起动机小齿轮与动态飞轮齿圈的啮合，起到保护齿轮的作用，延长零件使用寿命具有重要的意义。
【关键词】起动机;线路;单片机;设计
中图分类号： U462.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0012-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.005
0 引言
从世界上第一汽车的诞生到现在，汽车的发展仅有133年，在城市、乡村、大街小巷，无处不看到汽车的身影。人们生活水平的提高、汽车拥有量在不断增加和汽车市场的不断扩大，如今我们的出行都离不开汽车，根据中国长远发展研究的报告显示，进入21世纪以来，我国汽车销量和保有量均呈高速增长趋势，2018年中国汽车保有量已突破2亿数量，随着汽车工业的迅速发展、电子技术在汽车上的应用比比皆是，传感器的应用更加广泛，如氧传感器、曲轴位置传感器、水温传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、爆震传感器等，期待起动机传感器的诞生拭目以待。单片机的研制也是热门的话题，汽车发动机控制单元、ABS控制单元等都有单片机，因此研究汽车“传感器+单片机+继电器”应用领域，用于汽车起动线路显得尤为重要。
1 起动线路分析
1.1 传统起动线路
1.1.1 起动方式类型
传统的汽车起动方式很多，归纳如下：
（1）手动变速器，置空档，拉驻车制动器杆，起动发动机;
（2）手动变速器，置空档，踩离合器踏板，起动发动机;
（3）自动变速器，置N档，起动发动机;
（4）自动变速器，置N档，踩制动踏板，起动发动机。
1.1.2 起动线路简图
不带起动继电器的起动电路。
图1
1.1.3 起动线路工作原理
目前，现有的起动控制线路和工作原理如下：
回路一：蓄电池+→点火开关→起动机电磁开关S→电磁开关中的保持线圈和吸引线圈→直流电动机M→蓄电池-。
此时，电磁开关中的铁芯在通电的状态下产生吸力，T型接触盘往右移动，接触盘分别与主触头1、2接触。T型接触盘往右移动的同时，通过拨叉将起动机小齿轮往外推，使小齿轮与飞轮齿圈啮合。
回路二：蓄电池+→触头1→触头2→直流电动机M→蓄电池-。
此时，蓄电池放电，产生200-400A的电流，电流通过转子线圈，受磁场力的作用，使获得很大的转矩，带动起动机转子旋转，使起动机小齿轮有足够的转矩带动飞轮齿圈转动，飞轮慢速旋转，发动机工作，松开点火开关，回到点火开关一档，起动档断开，起动机电磁开关无电，起动机小齿轮在弹簧力的作用自动回位，起动机齿与飞轮齿圈分离。
可见以上起动线路都没有考虑发动机在工作状态下，人为地误打起动机的情况。从而使起动机小齿轮与飞轮齿圈不同步啮合，产生撞击声，使得齿轮易崩齿。
1.2 新型起动线路
为解决上述问题，下面提供一种汽车新型起动线路，可以防止汽车起动发动机飞轮和起动机不正常啮合，保护发动机飞轮和起动机，保证汽车的安全。
为实现上述目的，本实用新型起动线路采取的技术方案为：
1.2.1 新型起动线路的机理
图2
新型起動线路，包括传感器、控制元件和执行元件。传感器为发动机内部的氧传感器和转速传感器，安装在汽车飞轮上，用于进行马达齿与飞轮之间距离的检测，并将检测到的数据发送至控制元件;控制元件为单片机，采用51系列的AT89S51或者STC89C52单片机，控制元件负责接收传感信号，并将信号传递给执行元件;执行元件为特制的继电器，安装在起动机电磁开关之前，执行元件产生动作，将电磁开关电源线断开，从而切断起动机小齿轮与飞轮齿圈的啮合。
1.2.2 传感器分析
（1）发动机氧传感器。
氧传感器主要是检测汽车尾气排放含氧气量的多少，将这一数据反馈给ECU，氧气多说明可燃混合气体稀，氧气少说明可燃混合气体浓，控制单元根据氧传感器的信号合理调整喷油的大小，使混合气体达到最佳的空燃比，使燃料完全燃烧，发动机功率增大，节能。通过试验，根据汽车传感器功能分析，该传感器不适合运用于本项目设计，由于该传感器检测的是尾气，汽车尾气的浓与稀程度存在不确定因素，不能明确的表达汽车发动机是否正常转动。
（2）发动机转速传感器。
发动机转速传感器即曲轴或凸轮轴位置传感器，它是将曲轴或凸轮轴的转速转换为电量输出的一种仪器。按信号形式的不同可分为模拟式和数字式两种。曲轴或凸轮轴位置传感器用于检测发动机转速和活塞上止点位置。只有活塞在不同的位置，曲轴才旋转，发动机就工作。该传感器适合运用于本项目的设计，不论是模拟式或数字式信号，经过整流滤波后，都变成一个稳定的直流信号。汽车发动机工作后，该传感器会返回一个3V以上的直流电压信号。
1.2.3 控制电路的设计
1）电路的组成框图
图3
（1）最小系统由复位电路和晶振电路组成，主要是稳定和控制起动的时间，起动3-5秒后指示灯亮，发动机工作后误钮点火开关起动挡，指示灯灭。 （2）电源由汽车蓄电池提供，它的作用是使起动机有足够的转矩带动曲轴转动，另提供传感器信号及单片机、限时器电源的电压。
（3）传感器信号采集由曲轴位置传感器或凸轮轴位置传感器完成，它的作用是获取发动机转速和曲轴或凸轮轴准确角度位置，提供给主控MCU输入系统，MCU通过数据处理，控制喷油器最佳喷油时间。
（4）信号处理可由整流桥、稳压管等元件组成，它的作用是把记录在汽车传感器上的信号进行处理，以便抽取出3V以上的高平直流电压的过程。
（5）控制电路由单片机组成，它的作用是负责接收传感信号，并将信号传递给继电器。
2）电路原理图
图4
总体电路工作原理：首先构成单片机的最小系统，使单片机能正常工作，在程序中一直对发动机曲轴位置传感器信号进行判断，曲轴位置传感器返回一个低电平信号，说明发动机还没起动，则继电器打开（闭合），允许起动机通电，从而带动发动机起动;如果曲轴位置传感器返回一个大于3V的高电平信号，则表明发动机已正常起动，控制继电器关闭（断开），起动机不通电，起动机小齿轮和飞轮齿圈不能进入啮合状态，起动机小齿轮就不会跟发动机齿轮碰撞而造成熄火。
1.2.4 元器选择
图5
反复实验，元件选择10uF电解电容2个;30pF瓷片电容2个;0.1uF电解电容2个;33uF电解电容1个;220uF/16V电解电容1个;104瓷片电容2个;47uF/16V电解电容1个;电源转换器1个;Head 4H触发器1个;小功率LED 3个;10千欧电阻2个;120欧电阻1个;延时速短开关1个;普通开关1个;AT89C52单片机1个;KBP310整流桥1个;LM317T可调稳压管1个;7805稳压管1个;IN4007整流二极管3个;11.0592MHZ晶振管1个等元件。
1.2.5 AT89C52单片机设计
本项目通过AT89C52单片机不断检测发动机转速传感器是否返回电压信号，来控制继电器，从而间接控制汽车起动机，防止驾驶员误点火，导致汽车发动机熄火事件。
（1）主程序
图6
（2）单片机
设计的电路，默认状态下，继电器是打开的，由单片机通过检测到霍尔传感器的信号，判断发动机是否起动，使继电器执行动作。当发动机曲轴位置传感器检测有1信号，说明发动机曲轴已转动，关闭继电器;当曲轴位置传感器检测为0信号，说明发动机曲轴未转动，打开继电器。另外，还可以控制起動的时间长短，发动机正常起动3-5秒，发动机起动后扭动的钥匙还不回位，继电器也可延迟3秒钟断开与起动机电磁开关连接的电路，从而使得驾驶人即使再扭动钥匙到起动位置也不会起动发动机，从而很好地避免了人为误打起动机或打起动机时间过久情况的发生。
2 结论
通过利用“传感器+单片机+继电器”对汽车起动线路的改进，不仅能控制打起动机时间长的缺陷，而且能控制发动机工作时误打起动机引起的不良后果，防止汽车起动齿轮长期啮合导致不必要的磨损，提高汽车零件的使用寿命。在不同汽车上加装改进后的起动控制线路，起动驾驶将随心所欲。
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