手動檔車輛換檔提示的控制系統設計研究

劉云哲，方希康，楊家武

(東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

我國擁有的大量機動車中手動檔車輛占有很大比重，因此進一步規范手動檔車輛換檔對于交通安全以及車輛的維護與保養是十分重要的。除此之外，根據美國和歐洲的調查研究，駕駛員不同的換檔習慣對車輛的燃油經濟性有著巨大的影響，對于駕駛經驗相對較少的駕駛員而言，在汽車提速時，容易出現低檔位高轉速，給油過度的工況；在減速時，易出現高檔位低轉速的工況?；谝陨戏治?，本文設計了一款以Arduino單片機為核心，利用傳感器構建相關的檢測電路，實現實時監測車速和智能提示換檔的控制系統。

1 換檔提示功能的整體設計

手動檔汽車的換檔提示功能在第一時間檢測當前車速，通過當前車速與選定的升降檔參數對比做出邏輯判斷，推薦最佳換檔，并進行語音提示。換檔提示功能的實現由顯示部分、邏輯控制、語音提示與剎車離合器位置判斷開關等部分組成。為了便于對該裝置的管理和車輛改裝，以及質量問題排查與定位，將換檔提示系統單獨做成一個模塊。

1.1 換檔提示功能原理框架

換檔提示系統從CAN總線上獲取實時車速的總線信號，根據預設邏輯關系進行運算，通過對比理想車速和實際車速單片機控制語音模塊提示，并控制LCD液晶顯示屏上顯示最佳檔位；如果剎車踏板被踩到最底端的極限位置，單片機控制藍色LED亮起；如果離合器踏板被踩到最底端的極限位置，單片機控制綠色LED亮起。換檔提示功能原理框架如圖1所示。

1.2 升降檔參數選擇

為使換入新檔后不會因為車速稍有變化而回到先前推薦檔位，保證換檔過程的穩定性，減少換檔循環，防止控制元件加速磨損，提高乘坐舒適性，發揮車輛的動力性能，各檔位下升降檔車速選擇如表1所示。

圖1 換檔提示功能原理框架

推薦檔位升檔車速(km/h)降檔車速(km/h)18～1510～12218～2215～17328～3222～26435～4028～325≥6040～45

1.3 邏輯控制部分

邏輯控制由兩部分組成：①通過光電開關判斷離合器是否已經到達極限位置，以及剎車是否已經到達極限位置，其邏輯控制圖如圖2所示；②對比實際車速和理想車速，并判斷是否在液晶屏上顯示推薦檔位以及語音提示，其邏輯控制圖如圖3所示。

2 硬件電路基本構成

換檔提示裝置的硬件系統主要由邏輯控制模塊、語音模塊、光電傳感器、LCD1602液晶屏、藍色LED、綠色LED組成。硬件系統各模塊部分的連接如圖4所示。

2.1 邏輯控制模塊

Arduino是一款開源電子原型平臺，開發環境簡單，編程環境為Arduino IDE，程序燒錄方便,采用Arduino 2560作為邏輯控制模塊的芯片。邏輯控制模塊的外圍電路包括時鐘電路和復位電路，時鐘電路可以看做是整個系統的“心臟”，它為單片機提供穩定的時鐘脈沖，將該電路的兩端接入單片機的XTAL1(簡稱 X1)和XTAL2(簡稱 X2)，即單片機內部自帶的用于構成振蕩器的高增益反向放大器的輸入、輸出端。本設計選擇晶振頻率為 12 MHz的電路元件來形成需要的時鐘脈沖，時鐘電路如圖5所示。

圖2 第一部分邏輯控制圖

圖3 第二部分邏輯控制圖

圖4 硬件系統各模塊部分的連接

在系統遇到故障或無法運轉時，復位電路可以起到初始化系統的作用，初始化后系統依然可以繼續工作。根據實際情況，采用人工按鍵復位的電路，如圖6所示。在12 MHz 的頻率下，復位電路工作2 μs，即兩個時鐘周期以上的時候就能夠復位。因此在實際使用過程中，只需要按下復位鍵，即可繼續使用該系統進行測速。

2.2 語音模塊

為了能將邏輯控制模塊做出的判斷及時通過語音傳遞給駕駛人員，選用ISD1820語音模塊。將ISD1820模塊PLAYL端口接入Arduino的數字輸出接口，此端口電平從低變高時芯片開始放音，播放內容為‘請您更換檔位’。放音持續至此端回到低電平或遇到EOM標志或內存結束，放音結束后芯片自動進入節電狀態。也可以按下REC鍵進行個性化錄音，但錄音期間REC按鍵必須一直按下。ISD1820語音模塊如圖7所示。

圖5時鐘電路圖6復位電路

圖7 ISD1820語音模塊

2.3 光電傳感器

將光電傳感器1固定在剎車踏板之上，當離合器踏板達到底端極限位置時，光電傳感器1輸出信號為高電平；將光電傳感器2固定在離合器踏板之上，當剎車踏板達到底端極限位置時，光電傳感器2輸出信號為高電平。為了準確判斷出剎車踏板與離合器踏板是否已經到達底端極限位置，光電傳感器1與2均采用E18-D80NK光電傳感器。E18-D80NK光電傳感器是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，具有探測遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優點。

3 結語

經實際應用證明：換檔提示系統能夠準確檢測車輛的速度，且可靠性高； 能夠根據預先設置的參數進行自動提示，且成本不高，能夠滿足車輛換檔的使用要求。