单片机技术在新型汽车领域的应用研究*

周 杰，张矿伟

（1.周口技师学院机械工程系，河南 周口 466000；2.周口职业技术学院信息工程学院，河南 周口 466000）

单片机技术的发展经历了几代版本的更新，现在已发展到数字化和智能化，在汽车领域的应用非常广泛。现代新型汽车的发展更多考虑安全性、舒适性和智能性，因此汽车制造商引入智能控制技术来提高汽车的安全性和智能性，其中控制核心使用的是单片机。单片机控制能很好地提高汽车的各项性能，例如电路系统、制动系统、报警系统、防盗系统及遥控系统等[1]。单片机技术在汽车控制系统中的应用大大提高了操控性能，极大地降低了对驾驶员的驾驶技术要求，例如倒车雷达技术、倒车影像技术、自动泊车技术、自动驾驶技术等。为了使单片机更好地应用于汽车领域，本文阐述了我国汽车领域应用单片机技术的现状及存在的问题，梳理和分析了单片机在汽车领域中应用的相关技术。

1 汽车单片机的特点和组成

单片机是一个小微型控制器，以集成电路为控制芯片，是一个完整的控制系统，主要包括三大模块：电源模块、复位模块和时钟模块[2]。它具有体积小、易于布置和安装、可靠性高、维护方便、处理信息能力强、速度快且成本低等特点[3]。此外，它具有较高的性价比，控制能力强、接口简单、开发较容易，有利于推广普及，尤其善于实时检测和控制，能适应汽车工作状况复杂多变的特点。单片机在国外已经被广泛地应用于汽车产品。

汽车单片机的控制通道主要包括两类，分别是转发通道和后向通道。转发通道主要作为系统的信号采集通道，信号调控电路主要处理车载的所有传感器信息，包括温度、压力、电流、电压等信号，将采集到的模拟变量通过转换通道传送到单片机，通过接收来自传感器的信息，可以准确实时地掌握车辆的状态[4]。后向通道的主要作用是根据接收到的车载传感器信号，由单片机的控制单元对照标准值分析采集到的信息，从而作出判断，并将分析判断结果以控制量发送给执行机构，控制执行机构按照各项指标完成控制要求。汽车控制系统的执行机构主要包括液压阀、电磁阀等。汽车单片机控制系统的控制结构原理见图1。

图1 控制结构原理图

在控制系统实施控制的过程中，操作人员可以根据标准参数进行变量的设置，改变汽车运行的实际效果，汽车控制系统人机交互界面的设置是其中的一部分，操作人员可以使用人机交互系统来设置相关变量。汽车的人机交互界面比较简单，类似于嵌入式系统，主要是通过触摸屏与单片机进行通信，上位设置参数，控制器分析执行控制信号。

2 单片机技术在汽车领域的具体应用

2.1 单片机在提升汽车安全性能方面的应用

单片机在提升汽车安全性能方面的应用主要包括制动防抱死系统 （Antilock Brake System，ABS）、安全气囊、汽车自诊断系统和防盗报警系统等。

ABS主要是由单个微控制器实现。汽车在行驶过程中遇到突发紧急事件时，根据操作人员使用紧急刹车的情况，车轮转速突然降低直至抱死，车轮转速传感器检测信息出现突变，会将检测信息通过转发通道迅速传递给单片机控制单元；单片机控制单元快速作出分析判断，对比传感器接收的信息与设定值是否一致，从而确定车轮抱死的情况。接着，汽车按照单片机控制单元编写好的控制程序来控制执行机构，以有效防止制动系统对车辆的冲击，从而减少了因车轮抱死导致车辆侧滑的现象。ABS大大减轻了车轮制动力，有效减少了轮胎与地面之间的摩擦力，使驾驶过程更加安全。

汽车安全气囊控制的核心是单片机。安全气囊是汽车安全保障的重要组成部分，它能在汽车发生紧急碰撞时起到保护乘客和司机的作用。安全气囊的控制主要表现在汽车快速行驶过程中突然剧烈碰撞、车速骤减，安全气囊弹出。单片机的控制单元是控制安全气囊弹出的核心，通过碰撞气囊传感器检测汽车行驶过程中的车速骤减，然后传感器将检测信号发送给控制单元，控制单元根据检测信号作出判断，单片机分析碰撞程度，根据碰撞程度决定是否弹出安全气囊。如果需要打开，燃气发生器发出点火指令，瞬间产生大量气体，充入气囊，使安全气囊瞬间弹出，弹出时间约为几十毫秒。这样可以有效减少车上人员的人身伤亡。

随着我国汽车企业技术的不断创新发展，汽车的结构设计变得更加复杂[5]，使得汽车诊断和维修的难度加大，有效利用单片机系统实现对汽车自动进行诊断而排除汽车故障的方法孕育而生。通过存储在微控制器内的汽车信息，操作人员可以在不拆解汽车的情况下使用自我诊断系统测试汽车的性能，并且可以自动分析和判断汽车的其他方面。

汽车防盗系统的核心由两个微控制器控制模块组成，车主使用完汽车后自动启动防盗模式。一旦受到外界干扰，防盗系统便被触发，同时利用单片机内部模块对接收到的信号进行比较和判断并作出响应，通过信息发送模块将报警信息发送至车主手机，车主能够通过手机实时了解车辆的安全情况。单片机技术的使用大大提高了汽车的安全性。

2.2 单片机在汽车动力方面的应用

单片机在汽车动力方面的应用主要是提高燃油利用率和高密度金属氧化物半导体工艺[6]。

当前全球汽车工业企业面临的重要研究课题是如何不断地降低汽车油耗，减少排放，进一步提高汽车性能，要做到这些就需要运算能力越来越强大的单片机。电子控制燃油喷射系统已经成为国内外广泛使用的机电一体化产品。单片机通过接收传感器反映的发动机负荷、转速、冷却水及机油温度和大气压力等有关参量的电脉冲信号，再进行综合处理，与存储器存储的发动机各工况下的理想可燃混合气成分的电脉冲宽度进行比较，进而算出相应发动机工况和条件下的最佳混合气所需喷油量和喷油时间；然后向喷油器发出相应电脉冲指令，使之适时喷射适量燃油，使发动机在最经济工况下工作。

传统的MCS-51系列单片机的8031产品功耗达630 mV，而目前许多单片机的功耗仅为100 mV左右[2]，因此人们越来越关注市场上功耗较低的单片机。如今很多单片机制造商在开发产品时常采用高密度金属氧化物半导体工艺。密度较高的金属氧化物半导体材料在使用时有比较明显的两个特点，即传输速度快和能耗较低，所以根据单片机低功耗的特点分析可以将其用到对电源要求不高的领域。

单片机可以提升系统的可靠性，采用单片机能有效减少外围电路与机械部件。一些机械部件在生产时很难调整参数，并且会随着时间的推移而发生变化。例如电器是由多个机械部件组成的，在生产过程中需要由多名工作人员来调整参数，导致产品出现单一性，生产程序也较为复杂。而采用单片机的形式能实现数字控制，在一定程度上能减少机械与电子控制器件，提升系统的稳定性。

3 单片机技术在汽车领域应用存在的主要问题

3.1 适应能力差

由于驾驶环境因区域的不同而不同，单片机系统的适应环境也不同。当温度过高时，电子信息元件的可操作性和稳定性会逐渐下降，尤其是在热带地区，温度过高会造成电子信息元件使用功能失效，引发一系列的故障。汽车在行驶过程中会遇到不同的道路状况，单片机在使用过程中也会受特殊路况的影响导致不能正常工作。但随着单片机技术的不断发展，汽车行驶中产生的震动已不再影响单片机的正常工作，极大地提高了系统的稳定性。此外，单片机在使用过程中会受到外界电磁信号的干扰，比如车载高压点火器、电源、继电器和传感器，这些干扰可能会影响到单片机在使用过程中的稳定性。因此要考虑到单片机的防干扰性，在单片机选型时应尽量选择抗干扰能力强的产品，要以稳定、可靠作为标准，选择能够在高温下保持稳定且抗干扰性、抗震能力强的芯片。

3.2 维修困难

单片机控制系统具有自诊断功能，从而使维护变得容易，并能自动诊断故障位置、故障原因并给出代码，提高系统的可维护性。但本系统所使用的单片机大多是专用单片机，且存在程序掩码，因此维护困难，只能借助专用开发工具进行调试。

4 结束语

随着汽车技术的发展和生产方式的统一，供应链管理技术在汽车工程领域的地位将变得越来越重要。我国的汽车制造商已经使用智能控制技术来提高汽车的安全性、智能性和舒适性。单片机技术的引入弥补了传统汽车生产中的不足，很大程度上改善了汽车的市场竞争力。但我国在汽车领域的发展起步较晚，相比发达国家汽车技术略有落后。随着新技术的引入，我国的汽车品牌得到了世界认可，汽车的全球销量也有了很大提高。汽车技术的发展离不开单片机技术的支撑，汽车企业只有不断改进和引入新技术，才能真正提升效益和影响力。