汽车一键启动的设计与实现电子信息.docx

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汽车一键启动的设计与实现电子信息

毕业设计（论文）

题目汽车一键启动的设计与实现

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年月日

摘要

进入到21世纪，我国汽车的发展速度十分惊人，目前我国的汽车的年产量位居世界第一。

随着科技的发展，各项技术也都逐渐提升完善，人们对汽车的要求也逐渐提高，特别在安全性和便捷性方面。

而汽车一键启动作为一种能有效提高汽车便捷性的技术，也在不断地更新进步。

本课题所设计的产品主要是针对一些原本不带一键启动功能的汽车的改装，加装此产品之后老式汽车也能像现在的汽车一样拥有新型的技术。

汽车一键启动技术凭借其成本低、功率低、低复杂度等特点被广泛应用到汽车领域。

在智能汽车的领域中，汽车一键启动是其中最基础的部分，一键启动代替传统钥匙启动的方式大大的减少了汽车启动时的复杂性，更加便捷且获得更大成效,也节省了更多资源。

在本课题研究项目中，就是设计并制作一种一键启动的实体。

本文介绍了汽车一键启动技术的发展以及应用。

关键词：

智能汽车一键启动单片机

ABSTRACT

Enteringthe21stcentury,thedevelopmentspeedofChina'sautomobilesisveryalarming.Atpresent,theannualoutputofChina'sautomobilesranksfirstintheworld.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,varioustechnologieshavegraduallyimprovedandimproved,andpeople'srequirementsforautomobileshavegraduallyincreased,especiallyintermsofsafetyandconvenience.Theone-buttonstart-upofthecar,asatechnologythatcaneffectivelyimprovetheconvenienceofthecar,isconstantlyupdatingandimproving.ThistopicusesSTMicroelectronics'STM8S003F3P6chipasthemaincontrolleroftheone-buttonstart-upsystem.Thesoftwarepartofthisprojectisdesignedbasedonautomaticcodetechnology.

    Theone-buttonstart-uptechnologyofautomobilesiswidelyusedintheautomotivefieldduetoitslowcost,lowpowerandlowcomplexity.Inthefieldofsmartcars,theone-keystartofthecaristhemostbasicpart.One-buttonstart-upinsteadofthetraditionalkeystart-upmethodgreatlyreducesthecomplexityofthecarstart-up,ismoreconvenientandmoreeffective,andsavesmore.Moreresources.Inthisresearchproject,wedesignandmakeaone-clickentity.Thisarticledescribesthedevelopmentandapplicationoftheone-buttonstart-uptechnologyforautomobiles.

Keywords:

Smartcar；One-buttonstart；MCU

1绪论

本课题主要介绍了汽车一键启动系统的研究背景及研究一键启动系统的意义，分析和总结了汽车一键启动系统在智能汽车领域的国内外研究现状，并对本文的主要研究内容和章节安排都作了明确的说明[1]。

1.1研究背景及意义

近年以来汽车已经逐渐走进普通家庭。

根据国家统计局的数据2018年我国汽车总产为2781.90万辆位居世界第一；而2017年我国乘用车的总产量是2481.01万辆，同样位居世界第一，第二名则是日本，2017年乘用车年产量前十的国家如图1.1所示，2017年我国的乘用车产量几乎占据了全球乘用车产量的三分之一。

即使现在每年的汽车年产量都占据全球汽车产量的三分之一，但是在一键启动的配备上还是不够多。

本项目的目的是用新型的一键启动系统来取代传统的机械钥匙，因为很多老款车型都没有配备一键启动系统，而好多人又想体验一键启动，但是换车的代价比较大就没法体验一键启动，因此就有了该课题，设计一个一键启动系统来改装原有的启动系统。

该项目首先解决了机械钥匙容易被复制，从而使汽车的安全性受到一定威胁，而一键启动系统的钥匙是电子的且有加密不易被复制从而大大减少了车辆或车内财物被盗的可能性；其次一键启动系统还给人们带来了极大的便利性，人们上车后不用再找出钥匙插入钥匙孔来启动汽车，有了一键启动你只需按下按键汽车就能自动启动。

1.2一键启动系统的国内外发展现状

目前国内外都有生产一键启动系统的厂家，国内外的发展情况和现状有一些区别，下面就是具体分析国内外的发展以及现状。

1.2.1一键启动系统国外研究现状

一键启动系统的主控芯片最早是由恩智浦半导体公司研制出来的，在本世纪的初期恩智浦半导体公司推出了一款能够实现汽车一键启动的芯片。

但是最开始恩智浦半导体公司并没有设计一键启动系统，在恩智浦推出该芯片之后，其他的半导体公司也开始研究起了能实现汽车一键启动的芯片，并推出各种各样的一键启动模块。

截止到去年，恩智浦、意法半导体公司、Atmel和微芯等半导体公司几乎全部掌握了一键启动系统的核心技术。

这些公司在近几年开发出了很多用于设计汽车一键启动的主控芯片。

但是他们几乎都是开发芯片而不是设计一个完整的一键启动系统，国外的设计一键启动系统的公司大多都是针对某一特定车型设计的不能与其他品牌的车型通用。

1.2.2一键启动系统的国内发展现状

汽车一键启动系统在欧洲发达国家及地区起步较早,在德国、日本等国家汽车一键启动普及率已达60%以上;国内汽车一键启动系统正在步入高速发展的快车道,国内主流汽车厂商生产的汽车中高配置以上的汽车几乎都配备了一键启动功能。

在未来,随着新能源汽车的不断发展一键启动系统的普及率将进一步扩大。

目前国内大约有100家左右的厂家在生产汽车一键启动系统。

在生产汽车一键启动系统之前这些厂家很大一部分都是生产防盗器的随着时代的变迁逐渐转型成生产智能化产品，随着科技的不断发展，一键启动系统逐渐成为汽车电子系统中最普通的一员。

随着需求量的不断增加，产品价格也越来越低，一键启动系统也就逐渐成为平民化的电子产品而不是特别富有的人才能拥有的产品。

所以一键启动系统有着很好的市场，我们通过不断的更新功能和稳定性能，一定能得到更多人的认可。

目前，我国一些国产品牌的部分车型已经开始标配一键启动系统，甚至部分汽车厂商直接给汽车标配无钥匙进入和启动系统。

1.3项目来源及介绍

对于普通家庭来说，购买一辆汽车往往会用上5到10年或者10年以上，而5年到10年前的汽车几乎都没有配备一键启动系统。

因为自己家的汽车是6年前购买的，当时那一款汽车全系都没有一键启动系统，而后来的汽车有很多都配备了一键启动系统，我就很好奇希望自己家的汽车也能用上一键启动。

为了让老式的没有配备一键启动系统的汽车也能用上一键启动系统，本汽车一键启动的设计就能解决这个问题，让老式汽车重新“新”起来。

一键启动汽车能给人们的用车生活带来极大的便利性，比如当驾驶员在夜间进入车内之后不需要开灯找钥匙孔来启动汽车，冬天的启动汽车的时候不需要拿着冰凉的钥匙，只需按下一个塑料按键就能将汽车启动。

1.4汽车一键启动系统的设计特性

本文介绍了汽车一键启动系统，该设计给生活增添了便利，具有以下特性：

相对于传统机械钥匙启动汽车,一键启动更加安全不易被复制从而大大减少了车辆或车内财物被盗的可能性;

一键启动相对于传统的机械钥匙启动汽车更加方便,安装一键启动之后只需按下一键启动按键汽车就能启动,省去了传统机械钥匙启动汽车的繁琐的步骤。

1.5本文章节安排

本文提出了汽车一键启动的设计方案，根据本设计的方案过程可将本文分为七章，每一章的安排如下:

第一章主要介绍了该设计的研究背景意义以及国内外的发展现状，并分析了过去几年世界汽车自动化的发展。

然后说明该设计的研究意义和本文的研究内容。

第二章主要说明了本设计主要元器件类型和主要特征参数的解析及计算方法，包括电参数计算的主要公式。

第三章主要介绍了本课题所研究的系统的设计要求、方案设计、硬件设计要求，包括检测平台和各种硬件模块的设计与实现。

第四章介绍了本设计的功能实现，它包括两部分，即硬件模块的组成软件设计。

展示了本设计的核心元器件和软件流程图，从而实现汽车一键启动的设计与实现。

第五章主要说明了本设计硬件和软件两个部分的调试过程。

第六章为全文的总结和展望，这一章主要对本课题的设计产品进行了深刻的分析和总结，同时根据实际情况指出了存在的问题与缺陷。

最后一部分为致谢部分，主要是对完成这个毕业设计过程中为我提供帮助的人以及参考文献中所涉及到的人表示感谢。

2一键启动系统方案概述

目前市面上也有一键启动的改装配件，但是这些改装配件几乎都是专车专用的，一些冷门车型就很难买到这样的改装配件。

而那些热门车型的一键启动改装件的价格又往往会比较高。

而本课题所设计的一键启动是通用的，无论是什么品牌的车都可以安装。

而且本设计的成本较低，所以价格也不会很高。

本设计的目的是设计一款能够装在任何车型上的一键启动系统。

所以在各种元器件选型的时候会比较耗时。

2.1传统钥匙启动汽车

传统机械钥匙启动汽车有如下几点缺陷：

①必须掏出钥匙并找到钥匙孔，插入钥匙拧钥匙，启动完成后放开钥匙，钥匙回到ON档。

②机械钥匙比较容易复制，可能发生车内财物甚至汽车被盗。

③传统机械钥匙一般是长条形的很多人喜欢把钥匙挂在腰间在坐下的时候有可能把钥匙坐弯导致钥匙无法插入钥匙孔最终也就无法启动汽车。

因为有了传统机械钥匙启动汽车的这一些缺陷，所以现在生产的汽车配备一键启动系统的也越来越多。

2.2一键启动系统启动汽车

一键启动系统汽车，车主只需随身携带钥匙就可以无论你把钥匙放到哪儿都可以启动汽车，启动的步骤也非常简单，只需按下一键启动按钮，发动机启动之后放开按钮就可以了。

汽车一键启动系统的优点如下：

①启动汽车时无需将钥匙拿在手上，也不需要在光线不好的时候打开车内的灯来寻找钥匙孔。

有了一键启动系统，在黑暗的环境下启动汽车时你只需找到启动按键即可。

②因为是一键启动系统所以钥匙也跟普通钥匙不一样，一键启动的钥匙在钥匙内部集成了防盗芯片，电子钥匙加密系统无法复制。

想复制钥匙必须提供相应的证明，证明你是车辆的所有人才能给你复制钥匙，没有合法证明专卖店不会为你配制钥匙。

③如果加装了一键启动系统那么你的汽车的整车防盗性将大大增强，如果你的汽车被小偷把整辆车拖走了，你也不需要太担心，因为一键启动系统，通过对电路、油路、启动三点锁定让汽车无法启动，即使防盗器被非法拆除，车辆照样无法启动[2]。

2.3汽车一键启动系统的结构

汽车一键启动系统主要由具有一键启动功能的主控芯片、来自泰科电子的继电器和一键启动按键这三大部分组成。

在汽车一键启动系统中，12V的电源模块将输入的电流经过稳压芯片和调理电路后，为一键启动系统的单片机供电[3]；一键启动系统的按键中集成了防盗线圈、启动按钮和状态指示灯。

本课题中最核心的部分是来自意法半导体公司研发的能实现一键启动系统的主控芯片STM8S003F3P6，该芯片拥有：

8KB闪存程序单电压闪存，128字节的E2PROM，1KB的RAM，全功能UART：

同步模式，SPI主模式，智能卡模式，IrDA模式，单线模式LIN2.1主控能力[4]。

这款芯片一共有20个引脚，通过对芯片使用手册的阅读，我了解到该芯片所拥有的串口和各种特性符合一键启动系统的要求，要求包括：

ID存储，控制计算，交互通信等。

图2.1是STM8S003F3P6芯片的引脚图。

2.4一键启动系统的工作流程

当驾驶员进入车内后，将汽车挂入N挡或P挡，按下一键启动按钮即可开始一键启动流程[5]。

当驾驶员踩下刹车短按启动按键1秒汽车就可以启动。

熄火的操作也一样，踩下刹车，然后短按启动按键1秒就能熄火，熄火之后启动按键的指示灯会熄灭。

一键启动系统的控制器会进行身份验证，验证的方法是对原车钥匙进行验证，在汽车使用的机械钥匙启动时，机械钥匙插入钥匙孔之后会接触到钥匙孔内部的线圈，钥匙内的芯片会跟线圈进行通讯，来确认该钥匙是不是这辆车的钥匙。

而一键启动的验证方式也是类似的，将原车的机械钥匙取下放在汽车遥控器内部，当驾驶员进入汽车之后把遥控器放到仪表台附近，将原来的线圈的信号增强这样钥匙放在仪表台线圈也能感应到。

通过认证之后就能通过启动按键启动汽车。

如果你没有原车的机械钥匙，那么你就无法解除防盗也就无法启动汽车。

一键启动过程如下图2.2所示：

图2.2一键启动过程

图2.3一键启动状态机图

汽车一键启动的状态机图如下图2.3所示，在确认该钥匙是该汽车的钥匙之后，驾驶员就能启动汽车当驾驶员按下启动按键后，一键启动系统将快速的在启动汽车时的几个不同挡位（OFF->ACC->ON->START->OFF）之间进行状态的切换直到汽车成功启动。

2.4.1汽车的启动流程

当所有防盗状态解除且认证通过之后，汽车的启动流程如下：

首先当驾驶员进入汽车内部之后，将遥控钥匙放到仪表台上，汽车将会跟钥匙进行通讯以确认该钥匙是否合法；

然后驾驶员，将汽车的挡位挂在N挡或P挡（手动挡踩下刹车和离合器将挡位挂入空挡），然后踩住刹车按下一键启动按钮；；

第三若果通过线圈与钥匙之间的验证通过之后，汽车就能够顺利启动。

如果通过认证发现该钥匙不是该车的钥匙，这时按下启动按键汽车并不能启动，这时启动按键只能当做一个电源按键，按下一键启动按键之后能给汽车供电，但是不会给点火线圈和启动机供电。

第四当车辆的所有验证都通过之后，汽车就能够顺利的启动了，按下启动按键之后启动汽车的信号就能发送到主控芯片；

最后当主控芯片收到发动机的启动信号后，发动机的控制系统将会执行操作指令这时启动机和点火线圈都能通电汽车就能够启动，通过观察转速表上发动机的转速，当转速达到700转每分钟左右时就可以松开启动按键，这时汽车就启动成功了。

通常情况下按下一键启动按键后1秒之内就能成功启动汽车。

如果没能启动，间隔15秒之后再次尝试启动汽车，这样做是为了保护蓄电池，防止蓄电池过放电。

2.5本章小结

本章首先介绍了传统机械钥匙启动汽车的不足之处和一键启动的优势，然后介绍该项目所使用的主要的控制芯片，最后介绍了一键启动的系统构造和一键启动系统的工作流程。

3开发平台搭建

课题开始之后就需要用到很多种不同的软件：

绘制原理图和PCB板的AD16和用于仿真的MATLAB等软件。

安装完软件之后就需要对设计的系统有所了解并作出系统的框架。

除了软件的安装还有各种元器件的选择，因为要设计的是一款通用的一键启动系统，所以元器件的选型也得根据大多数汽车的要求来进行选择。

3.1软件安装

步骤一：

在XX上XX搜索软件

在XX搜寻所需软件，一般到软件官网下载，正版比较好更安全。

步骤二：

找到并打开下载文件

在下载的文件夹里找到安装包，下载下来的大概率是压缩文件（.rar或者.zip文件），解压之后找到应用程序文件。

如图3.1所示。

步骤三：

安装软件

图3.2软件安装完成

在找到.exe文件后双击这个文件，就可以进行安装了，在安装过程中有很多步骤，每一步都要仔细看好，不要装错或者让其他软件随便安装在电脑上了。

安装完成之后如图3.2所示。

点击完成（Finish）就可以了，软件安装完成之后有一些软件会自动在桌面创建快捷方式，一些软件不会创建快捷方式，没有自动创建快捷方式的软件我们可以在菜单栏里的最近添加栏里面找到刚刚安装的软件，找到之后将软件拉到桌面上就有快捷方式了。

步骤四：

安装驱动

一些软件在安装好上述软件主体之后，还需要安装一些元器件库，安装过程就是按照安装提示点击下一步即可。

元器件库就不用创建快捷方式了，打开软件直接使用就可以了。

3.2系统框架

该系统硬件组成方案如图3.3所示。

当驾驶员按下启动按键时数据采集器就开始采集信号，并根据信号的强弱来判断驾驶员是否有踩刹车，当数据采集完成之后，数据采集器就将采集到的信号发送给单片机进行处理并执行相应的任务（汽车启动或电源模式在OFF,ACC,ON之间来回切换。

当驾驶员踩下刹车时，刹车踏板的位置发生改变，刹车踏板位置传感器的电流也随之改变。

刹车踏板位置信号传入单片机，单片机对传入的信号跟设定的信号进行比对，如果超过设定值就能启动汽车，如果输入信号不是设定值则汽车的电源模式就在OFF,ON,ACC三档之间切换（每按一次启动按键切换一次）。

电源状态切换原理图如图3.4所示。

要想启动发动机必须同时满足两个条件，即挡位在P档或者N档，制动踏板要踩下，之所以要同时满足这两个条件是为了保证安全性。

如果只满足一个条件就能启动会很危险，如果挡位正确而驾驶员没有踩刹车这时发动机启动之后汽车可能会滑动，而此时我们并不希望汽车前进；如果踩了刹车而档位不正确这时发动机启动之后会有力矩输出而此时驾驶员踩着刹车，汽车不能前进此时刹车卡钳和变速器前的涡轮跟泵轮都受着极大的力，这样会加速汽车零部件的损耗。

3.2.1一键启动按键

本系统的一键启动开关是一个按压式的触点开关，该开关有四个触点，当任意一个触点有效的时候，就可以判定是已经按下启动按键。

该按键的四周还分布着6颗贴片LED，这6颗贴片LED的作用就是给启动按键进行照明。

当汽车启动之后LED灯将会常亮，并以此来提示驾驶员汽车已启动。

一键启动按键的直径为4厘米，所以在安装按键的时候需要在合适的位置上开一个直径4厘米的孔。

一键启动按键的工作电压为12V工作温度为-45℃到80℃，一键启动按键的稳定性要很好才行否则可能导致汽车无法正常启动。

发动机的启动是由启动机的转动带动发动机飞轮的转动而启动的，所以一键启动系统所控制的就是启动机电源的通断。

发动机启动时，启动机的拨叉将单向离合器沿花键推出，驱动齿轮啮入发动机飞轮的齿圈，然后启动机带着发动机一起转，直到发动机启动成功。

当发动机启动成功之后启动机将会收回拨叉，单向离合器与发动机飞轮分开发动机正常运转。

4功能实现

随着汽车的智能化程度越来越高，汽车的电控单元的复杂性也就随着智能化程度的增加而增加，所以汽车一键启动系统的开发难度将非常大。

控制程序越复杂系统出错的概率越大，而控制系统越简单系统出错的情况就会少很多。

所以本次设计的一键启动系统的结构相对比较简单，能一定程度上降低因系统复杂而导致的错误。

4.1硬件设计

汽车一键启动系统结构以STM8S003F3P6单片机为控制核心，加上一键启动按键，来自泰科电子的继电器以及各种电容跟电阻组成。

4.1.1主控芯片STM8S003F3P6

本设计采用的主控芯片一共有20个引脚，8位CMOS闪存单片机。

此芯片功能强大，是汽车一键启动的核心元器件。

STM8S003F3P6的工作温度为：

-40℃至75℃；额定电压为+5V；额定功率为500mW。

图4.1STM8S003F3P6芯片

图4.2引脚说明

图4.3STM8S003F3P6框图

该芯片的原理图如图4.4所示。

图4.4STM8S003F3P6的原理图

图4.5ULN2003A芯片

ULA2003A是驱动电路的主要元器件。

ULA2003A内部有7个NPN三极管。

该芯片可以直接用来驱动继电器。

该芯片的特性：

工作温度为-40℃至85℃；最大输出电流500毫安；击穿电压50V；最大输出电压为50V。

图4.6ULN2003A引脚图

4.1.2汽车一键启动电路的设计

因为汽车启动时启动机的工作电流很大，大约有200A，而一般的电路无法承受200A的大电流，所以需要用低电压弱电流控制高电压强电流。

这时就需要设计一个电路来控制[6]，该电路中的主要元器件是来之泰科的继电器，因为继电器的一个作用就是利用低电压弱电流控制高电压强电流[7]。

图4.7驱动电路

通过启动按键的控制，我们可以实现电路的不同模式的切换。

当踩下刹车，按下一键启动按键时设置为1，即汽车正常启动。

当不踩刹车，按下一键启动按键时我们可以设置为0，即汽车的电源模式在OFF,ACC和ON三个状态之间来回切换。

通过学习我们了解到STM8S003F3P6芯片，它有多个端口引脚，每一个引脚有不同的功能，其中就有采样端，将采样到的电流信号转为电压信号然后输入给单片机。

单片机通过检测该电压信号来判断下一步该执行什么操作。

将电压进行A/D转换然后再进行一些计算之后就能得到负载的实际电流。

因此，监测输入到单片机端口的电压[8]实际上就是在确认是否有踩下刹车。

当踩下刹车后输入到单片机端口的电压会比没踩下时大很多，而当这个电压信号输入到单片机之后，经过单片机的处理后再进行下一步的操作。

4.1.312V转5V的电压转换电路

一般汽车供电系统中只有一种规格的电源，即12V的蓄电池，而12V的电源主要是给汽车内部一些大功率电器如：

雨刷器的伺服电机、汽车大灯以及多媒体系统等供电。

然而很多芯片的额定电压都是5V所以我们需要将12V的直流电转为5V的直流电。

为了将12V的电压转为5V我们采用了HT7550-1稳压电路，电路简单且输出稳定。

比外加一个蓄电池更可靠，因为蓄电池体积大而且还可能发热。

稳压芯片LM2904是按照开关电源的工作原理集成的电源芯片，因此其工作效率高，输出电压稳定，最大输出电流能达到3A，在稳压芯片HT7550瞬间停止输出时，由电感的电磁感应效应形成的电压给电路供电，此时快恢复型肖特基二极管IN5822作为回路的一部分[8]，其工作电流的大小直接影响电源实际输出电流的大小。

图中的电容C2和C3选用电解电容，可以有效滤除高低频干扰。

4.1.4单片机晶振电路

单片机要正常工作必须要有一个统一的时钟信号，以协调系统中各部分的工作频率。

所以晶振电路是单片机正常工作的必备条件。

简单来说就是如果系统中如果没有晶振电路提供一个统一的时钟周期，系统就无法正常工作，没有时钟周期的协调单片机就无法运行实现植入其中的特定程序，这样就会导致单片机就无法正常运行，即出现死机情况。

下面就以一个简单的晶振电路