劉云哲，方?？?，楊家武

(東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)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(guī)范手動檔車輛換檔對于交通安全以及車輛的維護與保養(yǎng)是十分重要的。除此之外，根據(jù)美國和歐洲的調(diào)查研究，駕駛員不同的換檔習(xí)慣對車輛的燃油經(jīng)濟性有著巨大的影響，對于駕駛經(jīng)驗相對較少的駕駛員而言，在汽車提速時，容易出現(xiàn)低檔位高轉(zhuǎn)速，給油過度的工況；在減速時，易出現(xiàn)高檔位低轉(zhuǎn)速的工況?；谝陨戏治?，本文設(shè)計了一款以Arduino單片機為核心，利用傳感器構(gòu)建相關(guān)的檢測電路，實現(xiàn)實時監(jiān)測車速和智能提示換檔的控制系統(tǒng)。

1 換檔提示功能的整體設(shè)計

手動檔汽車的換檔提示功能在第一時間檢測當(dāng)前車速，通過當(dāng)前車速與選定的升降檔參數(shù)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(xiàn)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(guān)等部分組成。為了便于對該裝置的管理和車輛改裝，以及質(zhì)量問題排查與定位，將換檔提示系統(tǒng)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(tǒng)從CAN總線上獲取實時車速的總線信號，根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯關(guān)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(shù)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(wěn)定性，減少換檔循環(huán)，防止控制元件加速磨損，提高乘坐舒適性，發(fā)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(guān)判斷離合器是否已經(jīng)到達極限位置，以及剎車是否已經(jīng)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(gòu)成

換檔提示裝置的硬件系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)環(huán)境簡單，編程環(huán)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(fù)位電路，時鐘電路可以看做是整個系統(tǒng)的“心臟”，它為單片機提供穩(wěn)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(nèi)部自帶的用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器的輸入、輸出端。本設(shè)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(tǒng)各模塊部分的連接

在系統(tǒng)遇到故障或無法運轉(zhuǎn)時，復(fù)位電路可以起到初始化系統(tǒng)的作用，初始化后系統(tǒng)依然可以繼續(xù)工作。根據(jù)實際情況，采用人工按鍵復(fù)位的電路，如圖6所示。在12 MHz 的頻率下，復(fù)位電路工作2 μs，即兩個時鐘周期以上的時候就能夠復(fù)位。因此在實際使用過程中，只需要按下復(fù)位鍵，即可繼續(xù)使用該系統(tǒng)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?cè)藛T，選用ISD1820語音模塊。將ISD1820模塊PLAYL端口接入Arduino的數(shù)字輸出接口，此端口電平從低變高時芯片開始放音，播放內(nèi)容為‘請您更換檔位’。放音持續(xù)至此端回到低電平或遇到EOM標志或內(nèi)存結(jié)束，放音結(jié)束后芯片自動進入節(jié)電狀態(tài)。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(fù)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(dāng)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(dāng)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(jīng)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(fā)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(yōu)點。

3 結(jié)語

經(jīng)實際應(yīng)用證明：換檔提示系統(tǒng)能夠準確檢測車輛的速度，且可靠性高； 能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進行自動提示，且成本不高，能夠滿足車輛換檔的使用要求。