手动档车辆换档提示的控制系统设计研究

刘云哲，方希康，杨家武

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

我国拥有的大量机动车中手动档车辆占有很大比重，因此进一步规范手动档车辆换档对于交通安全以及车辆的维护与保养是十分重要的。除此之外，根据美国和欧洲的调查研究，驾驶员不同的换档习惯对车辆的燃油经济性有着巨大的影响，对于驾驶经验相对较少的驾驶员而言，在汽车提速时，容易出现低档位高转速，给油过度的工况；在减速时，易出现高档位低转速的工况。基于以上分析，本文设计了一款以Arduino单片机为核心，利用传感器构建相关的检测电路，实现实时监测车速和智能提示换档的控制系统。

1 换档提示功能的整体设计

手动档汽车的换档提示功能在第一时间检测当前车速，通过当前车速与选定的升降档参数对比做出逻辑判断，推荐最佳换档，并进行语音提示。换档提示功能的实现由显示部分、逻辑控制、语音提示与刹车离合器位置判断开关等部分组成。为了便于对该装置的管理和车辆改装，以及质量问题排查与定位，将换档提示系统单独做成一个模块。

1.1 换档提示功能原理框架

换档提示系统从CAN总线上获取实时车速的总线信号，根据预设逻辑关系进行运算，通过对比理想车速和实际车速单片机控制语音模块提示，并控制LCD液晶显示屏上显示最佳档位；如果刹车踏板被踩到最底端的极限位置，单片机控制蓝色LED亮起；如果离合器踏板被踩到最底端的极限位置，单片机控制绿色LED亮起。换档提示功能原理框架如图1所示。

1.2 升降档参数选择

为使换入新档后不会因为车速稍有变化而回到先前推荐档位，保证换档过程的稳定性，减少换档循环，防止控制元件加速磨损，提高乘坐舒适性，发挥车辆的动力性能，各档位下升降档车速选择如表1所示。

图1 换档提示功能原理框架

推荐档位升档车速(km/h)降档车速(km/h)18～1510～12218～2215～17328～3222～26435～4028～325≥6040～45

1.3 逻辑控制部分

逻辑控制由两部分组成：①通过光电开关判断离合器是否已经到达极限位置，以及刹车是否已经到达极限位置，其逻辑控制图如图2所示；②对比实际车速和理想车速，并判断是否在液晶屏上显示推荐档位以及语音提示，其逻辑控制图如图3所示。

2 硬件电路基本构成

换档提示装置的硬件系统主要由逻辑控制模块、语音模块、光电传感器、LCD1602液晶屏、蓝色LED、绿色LED组成。硬件系统各模块部分的连接如图4所示。

2.1 逻辑控制模块

Arduino是一款开源电子原型平台，开发环境简单，编程环境为Arduino IDE，程序烧录方便,采用Arduino 2560作为逻辑控制模块的芯片。逻辑控制模块的外围电路包括时钟电路和复位电路，时钟电路可以看做是整个系统的“心脏”，它为单片机提供稳定的时钟脉冲，将该电路的两端接入单片机的XTAL1(简称 X1)和XTAL2(简称 X2)，即单片机内部自带的用于构成振荡器的高增益反向放大器的输入、输出端。本设计选择晶振频率为 12 MHz的电路元件来形成需要的时钟脉冲，时钟电路如图5所示。

图2 第一部分逻辑控制图

图3 第二部分逻辑控制图

图4 硬件系统各模块部分的连接

在系统遇到故障或无法运转时，复位电路可以起到初始化系统的作用，初始化后系统依然可以继续工作。根据实际情况，采用人工按键复位的电路，如图6所示。在12 MHz 的频率下，复位电路工作2 μs，即两个时钟周期以上的时候就能够复位。因此在实际使用过程中，只需要按下复位键，即可继续使用该系统进行测速。

2.2 语音模块

为了能将逻辑控制模块做出的判断及时通过语音传递给驾驶人员，选用ISD1820语音模块。将ISD1820模块PLAYL端口接入Arduino的数字输出接口，此端口电平从低变高时芯片开始放音，播放内容为‘请您更换档位’。放音持续至此端回到低电平或遇到EOM标志或内存结束，放音结束后芯片自动进入节电状态。也可以按下REC键进行个性化录音，但录音期间REC按键必须一直按下。ISD1820语音模块如图7所示。

图5时钟电路图6复位电路

图7 ISD1820语音模块

2.3 光电传感器

将光电传感器1固定在刹车踏板之上，当离合器踏板达到底端极限位置时，光电传感器1输出信号为高电平；将光电传感器2固定在离合器踏板之上，当刹车踏板达到底端极限位置时，光电传感器2输出信号为高电平。为了准确判断出刹车踏板与离合器踏板是否已经到达底端极限位置，光电传感器1与2均采用E18-D80NK光电传感器。E18-D80NK光电传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，具有探测远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等优点。

3 结语

经实际应用证明：换档提示系统能够准确检测车辆的速度，且可靠性高； 能够根据预先设置的参数进行自动提示，且成本不高，能够满足车辆换档的使用要求。