以單片機為核心的電子汽車(chē)限速器的設計方案

我國每年有數十萬(wàn)起交通事故發(fā)生，如果汽車(chē)限速器能夠普及，將會(huì )降低交通事故發(fā)生率，從而挽回不必要的財產(chǎn)和生命損失。
與近期在市場(chǎng)上熱銷(xiāo)的電子狗產(chǎn)品相比，汽車(chē)限速器更具有主動(dòng)規避事故的優(yōu)勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時(shí)才提醒駕駛者控制車(chē)速。汽車(chē)限速器通常分為兩大類(lèi)：一種是在車(chē)輛超速時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報，提醒駕駛者減速；另一種是在車(chē)輛超過(guò)限定速度后，通過(guò)車(chē)載電腦發(fā)出指令，強制控制車(chē)輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用，而第2種汽車(chē)限速器將更為有效地降低交通事故。因此，本文著(zhù)重介紹了第2種限速器的實(shí)現原理及設計方法。
1 限速器實(shí)現原理
由于早期的汽車(chē)是沒(méi)有限速功能的，所以在設計時(shí)要同時(shí)考慮到汽車(chē)出廠(chǎng)前安裝與售出后安裝兩個(gè)不同層面的需求，限速器應具備靈活的安裝方式，不破壞汽車(chē)的完整性和可靠性。為了設計出這樣的限速器，首先需要了解汽車(chē)油門(mén)系統的工作原理。
一般的電子汽車(chē)油門(mén)系統包括：油門(mén)踏板、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、電機、節氣門(mén)機構，如圖1所示。駕駛員根據駕駛所需的功率踩踏油門(mén)踏板，油門(mén)踏板位置傳感器將采集到的油門(mén)踏板位置信號轉化為電信號，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過(guò)電動(dòng)機實(shí)現對節氣門(mén)的調節，實(shí)現節氣門(mén)的完全電子控制。

分析組成汽車(chē)電子油門(mén)系統的幾個(gè)環(huán)節后，在踏板傳感器與ECU這兩個(gè)環(huán)節之間插入限速控制是最易實(shí)現的，同時(shí)也具備了出廠(chǎng)前安裝與售出后安裝的條件，因此本文的限速控制設計方案就在踏板傳感器和ECU這兩個(gè)環(huán)節之間實(shí)現。插入限速器的電子油門(mén)系統模型如圖2所示，圖中虛線(xiàn)框所示的部分即是所設計的限速器。

限速器可通過(guò)鍵盤(pán)和顯示等人機界面預置速度上限值Vm。當啟動(dòng)限速器工作后，圖2中的1和3通路連通。限速器檢測踏板傳感器傳遞給它的電信號經(jīng)IIR濾波后得Ux。由于本限速器盡可能地不破壞汽車(chē)原有的結構，因此采用油門(mén)的開(kāi)度來(lái)判斷汽車(chē)行駛速度，但是速度的變化滯后于油門(mén)的變化，即油門(mén)的變化量并不能直接地表征行駛速度變化量。所以本限速器采用自學(xué)習算法，通過(guò)較長(cháng)時(shí)間段監測油門(mén)的前后變化情況以及前一時(shí)間段油門(mén)所處的穩定狀態(tài)（如勻速或停止），判斷駕駛者的操作意圖，得出相應的行駛速度值Vx。將Vx與預置的速度上限值Vm比較，如果計算所得的速度值VxVm，則沒(méi)有在超速狀態(tài)，此時(shí)踏板傳感器電信號Ux直接提供給ECU，即限速器輸出信號Uy=Ux。如果計算所得的速度值Vx≥Vm，處于超速狀態(tài)，則限速器恒定輸出預置的速度上限值Vm所對應的電信號Um，即Uy=Um,并傳遞給ECU，實(shí)現限速功能。
圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線(xiàn)圖。假設Vx由0開(kāi)始逐漸增大，在未達到Vm時(shí)，Vy曲線(xiàn)和Vx曲線(xiàn)完全重合。當Vx >Vm時(shí)，Vy的值不隨著(zhù)Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。當Vx下降，VxVm時(shí)，并在Vm附近振蕩，但未降至Vm-Δ，此種情況下，Vy仍保持等于Vm不變，起到了優(yōu)化油門(mén)控制的作用，以避免人為操作不穩定因素的影響。當Vx下降到VxVm-Δ時(shí)，Vy曲線(xiàn)和Vx曲線(xiàn)完全重合。

插入限速器后的電子油門(mén)系統，駕駛員可以根據需要選擇是否需要限速功能。當駕駛員選擇了限速功能后，在不超速情況下，與原有的電子油門(mén)系統工作方式是相同的,最大程度地保證了原有系統的完整性。在設計中，限速器中的觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)2為常閉開(kāi)關(guān),使限速器在不能正常工作的情況下，能保證電子油門(mén)系統仍能正常工作，保證系統工作的可靠性。
2 限速器的硬件設計
從限速器的實(shí)現原理分析，限速器必須具備以下功能：
(1)模擬信號采集、信號處理和信號輸出
限速器需要采集油門(mén)踏板傳感器的電信號，故需具備模擬信號采集功能，并對采集的信號進(jìn)行濾波、計算等處理；同時(shí)，限速器根據采集信號處理后的結果，輸出相應的電信號提供給ECU，故需具備模擬信號輸出功能。
(2)控制電路
限速器根據用戶(hù)的指令或在某些不正常的狀態(tài)下，需要實(shí)現限速器工作模式、報警器工作模式和關(guān)閉模式的功能。限速器在工作模式時(shí)，不但需要監測油門(mén)踏板傳感器信號，同時(shí)要根據踏板傳感器信號和預置的速度上限值Vm，實(shí)現限速控制；處于報警工作模式時(shí)，只需監測油門(mén)踏板傳感器信號，結合預置的速度上限值Vm，實(shí)現超速時(shí)報警。
(3)人機交互功能
限速器需具備顯示、鍵盤(pán)、語(yǔ)音報警輸出等人機交互方式功能。
根據上述功能需求，限速器的功能框圖如圖4所示。