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GDGM-QR-03-074-B/

Guangdong College of Industry & Commerce

毕业综合实践报告
Graduation synthesis practice report

新型智能汽车油门防误踩系统的研究

系 别: 电气自动化系
班 级: 12新能源汽修( 1) 班
学生姓名: 蔡马腾
学 号: 1202135
指导老师: 刘小平
完成日期: —4—28

毕业综合实践( 设计) 课题
新型智能汽车油门防误踩系统的研究

一、 课题背景( 包括目的、 意义、 专业知识的应用和职业岗位能力需要)
随政策的推进以及能源的枯竭, 新能源汽车是大趋所势, 可是在起步的初级阶段, 在控制技术方面存在的很多的缺陷。
汽车电子技术已是汽车最核心的技术, 做为高职高专汽车新能源专业的学生, 就应该把电子技术的硬件与软件技术相结合, 进行系统化的开发与运用, 此次对”新能源加速踏板的开发与设计”是结合发动机各种控制工况, 实现与传动、 安全相结合的控制模式, 使电子技术能形成局域网的控制模式。
对于此项的设计, 需要有有扎实的电子技术以及发动机、 底盘、 电器相关知识的运用, 需要学生有查询相关的控制数据的能力, 建立在以实践为主的应用型设计。

二、 课题工作内容与预期结果( 具体工作内容, 主要解决的问题、 解决方案, 预期结果) :
1、 加速踏板的控制原理分析: 主要解决加速踏板与功率的控制关系;
2、 新能源各种工况的分析: 解决电动汽车的实际工况与操作工况的特性;
3、 加速踏板误操作后的保护分析: 解决ECU内部程序的控制关系;
4、 控制系统的硬件、 软件的制做与设计;

三、 毕业综合实践( 设计) 工作计划
时间段
工 作 内 容
1月份至2月份

3月份至4月份

4月份至5月份

5月份至6月份

分配相关的课研任务, 查询准备相关资料。

按照工作任务单, 到企业完成课题的研讨, 掌握硬件的设计方安案。

电子油门控制程序硬件设计、 软件程序的写入

整理、 修改毕业设计, 准备设计答辩。
起止工作时间
．1至 .5
预计答辩时间
.5
指导教师意见:

签名: 年 月 日

新型智能汽车油门防误踩系统的研究
目录
摘要·····················································1
研究背景与意义···········································1
一、 油门防误踩系统研究现状·······························1
二、 设计思路和方法·······································2
2.１　实现低成本高可靠···································2
２．2　实现低功耗高速度··································2
三、 　硬件设计···········································3
３．１　ＭＳＰ４３０单片机·······························3
３． ２　触底开关·········································3四　、 软件设计···········································6
总结·····················································7
谢辞·····················································7
参考文献·················································7

新型智能汽车油门防误踩系统的研究
摘要
分析了当前汽车交通安全以及同类油门防误踩系统的状况, 依据”低成本高可靠, 低功耗高速度”的宗旨, 采用ＭＳＰ４３０超低功耗单片机, ＭＭＡ１２２０Ｄ型传感器和触底开关设计了一种新型汽车油门防误踩系统; 详细的阐述了本系统的设计思想, 硬件工作原理和软件设计特点, 对于究竟何时判断为油门误踩提出了新的看法和方案, 该方案在保证准确性的前提下简化了系统部件也降低了成本, 达到了防止驾驶员误踩油门发生交通事故的目的。
关键词: 油门防误踩; 单片机; 加速度传感器; 触底开关
研究背景与意义
随着社会经济的发展, 人们的生活水平越来越高, 道路上汽车的数量也越来越多, 随之而来的交通事故也越来越多。在这些交通事故中由于紧张把油门当刹车踩造成的事故占到相当比例, 因此在汽车上安装油门防误踩装置是十分必要的, 设计的一种油门防误踩系统针对绝大多数车辆设计, 具备安装简单, 价格低廉, 可靠性强等优点油门防误踩装置,, 减少交通事故的发生, 提高了汽车行驶的安全性。
１　油门防误踩系统研究现状
当前市面上已经有数种油门防误踩装置推出, 总结起来能够大致分为两类
( 1 )机械式: 这一类防误踩装置是按照机械原理研发的, 但它们共同的缺点是只要驾驶员快速踩油门都会产生制动, 如果驾驶汽车快踩油门进行超车也会产生制动, 这样有可能会给驾驶人员带来损伤而且机械式连接时间长了故障率也会上升。
( 2 )电子式: 该类装置绝大数多数采用单片机作为微控制器, 经过速度传感器, 加速度传感器等来采集踩油门的速度, 在汽车前方加装多个倒车雷达探头来探测是否有障碍物, 经过速度和障碍物有无二者结合来判定是否为误踩油门。

这类装置的优点是弥补了机械式装置的不足, 即单独快踩油门也不会发生制动, 可是也有缺点: 在车前方安装多个倒车雷达探头无论是安装成本还是器材成本都会较高, 而且倒车雷达主要用于低速近距离探测其探测距离一般不超过３ｍ, 在高速行驶的汽车上只能探测几米内是否存在障碍物是远远不够的, 其探测性能还不如肉眼观测, 可靠性自然会降低。而且当前使用的单片机种类功耗都较大, 传感器的精度和速度都欠佳。
本文所设计的油门防误踩系统也属于电子式, 是在前辈们设计基础之上做的改进。
２　设计思路和方法
２.１　实现低成本高可靠
经过上一段落叙述, 能够知道单一的经过踩油门速度来判断是否误踩是不够的, 对于有驾驶经验的人来说快踩油门在超车或爬坡时是经常出现的, 但即便是在这些情况下我们也不会把油门踏板用力猛踩到触底。经过调查发现, 在正常行驶情况下甚至在急速飙车油门踩到最大值时人们对油门踏板底部的压力也在几十牛以下, 而当遇到突发状况需要立即踩刹车时油门踏板底部压力能够达到几百牛, 因此在油门踏板底部安装压力传感器经过触底压力值结合踩踏加速度就能够判断是否为误踩油门。可是如果靠单片机对加速度传感器和压力传感器都采集它必然要有一个先后序列, 在时序上并非同步采集给判别带来误差, 而且也使系统的采集处理速度降低。
针对监测踏板触底压力设计了一种新型装置——触底开关, 这个装置并非简单的机械开关, 而是一个设定作用力阀值的压力传感器开关。当正常踩油门时无压力或压力较小, 开关不会闭合( 输出高电平) ; 当猛踩油门用力超过设定阀值时, 开关闭合, 将改变所连接单片机管脚的电平( 输出低电平) , 单片机将结合所踩油门加速度判定是否误踩。
这种设计方法经过硬件电路实现了判别功能并将模拟信号转变成数字信号, 能够使单片机ＡＤ只采集加速度传感器值而不需要实时采集压力模拟量, 更不需加装昂贵繁琐的倒车雷达探头, 既降低了成本也提高了可靠性。
２.２　实现低功耗高速度
使用ＭＳＰ４３０超低功耗单片机经过软件设计降低功耗, 防止程序跑飞提高稳定性; 应用ＭＭＡ１２２０Ｄ型传感器, 该传感器是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司针对测量机械振动和冲击而设计生产的, 其转换速度快, 抗震, 坚固耐用。为实现上述功能特点本系统的设计主要分为３个部分: 信息采集模块, 控制模块和执行模块。系统基本结构图如下图１所示

图１　系统结构图

３　硬件设计
３．１　ＭＳＰ４３０单片机
ＭＳＰ４３０单片机是美国ＴＩ公司推出的一种１６位超低功耗混合信号处理器, 它内部集成了丰富的外设包括ＡＤＣ, ＤＡＣ, ＦＬＡＳＨ, 看门狗( ＷＤＴ) , 捕获比较定时器, 可编程ＩＯ 等, 这些外设大大简化了片外器件的数量, 其处理速度也远比以往应用的８位处理器快。另外它还支持ＪＴＡＧ调试, 这使软件开发调试更加便利。
４． ２　触底开关
触底开关主要是由单片硅压力传感器和比较电路两部分组成:
１） ＭＰＸ４１００Ａ单片硅压力传感器:
它的内部原理框图如图２所示。

图２　内部原理框图
其中的核心部件传感器单元是由半导体应变片构成。它是利用硅的压阻效应和集成工艺而制成的。当力作用在单晶硅时, 硅晶体的电阻率就发生显著变化, 被称为压阻效应。半导体应变片具有灵敏度高( 比金属丝式应变片大约高５０～１００倍) 、 动态响应快、 稳定性好、 工作温度范围宽等优点, 由它所制成的传感器非常适合测量压力、 压差或绝对压力。
经过实验室里的检测, 该单片硅压力传感器线性测量范围在２０～１０５ｋＰａ, 在此范围内输出电压和绝对压力成正比。超出此范围输出电压基本上不随压力变化了。其输出电压表示式为:
Ｕ０ ＝ＶＣ( ０．０１０５９Ｐ－０．１５１８＋ａｐ)
式中, ＶＣ 为电源电压, Ｐ为被测压力, ａ为温度误差系数, ｐ为压力误差, 那么经过这个式子就能够反过来推出压力值计算公式:
Ｐ ＝９４．４＊( Ｕ０／ＶＣ＋０．１５１８＋ａｐ)
　本传感器内部集成了薄膜温度补偿器因而在常温下压力误差很小, 能够忽略不计。为了寻找一个最为合适的压力阀值作为判断是否误踩油门的依据, 现专门邀请了若干人员进行了测
试, 这里为了节约时间直接测量的传感器输出电压值, ＶＣ 电压为５Ｖ。测试结果如下表１。

从上表能够看出误踩压力是正常压力的十几倍, 为了保证安全性和准确性, 本系统选择２Ｖ为压力阀值。
２） 比较电路:
如图３系统整体电路原理图所示。

图３　系统整体电路原理图
图３的左上半部分即为触底开关的比较电路, 经过调节Ｕ２输入正端的滑动变阻器来设置压阀值。为了达到精确调节电压, 本系统在滑动变阻器上下端串联了分压电阻先进行粗调, 然后再经过滑动变阻器精调。
比较电路输出端接至４３０单片机Ｐ１．０端, 经过检测端口电平高低就能够判断油门触底压力是否过大。
３． ３　ＭＭＡ１２２０Ｄ型单片加速度传感器该传感器是一种微型硅半导体电容式加速度传感器, 芯片除传感器之外, 还集成了温度补偿电路, 自检电路, 故障检测电路, ＣＭＯＳ信号调理器和贝塞尔滤波器, 这使得它的稳定性, 可靠性和抗干扰性都很高。另外它还非常坚固抗震耐用, 有实验证明即使从１．２ｍ 高度跌落至硬地面也不会损坏。
工作温度范围是—４０～＋８５度, 测量范围是０～８ｇ, 外形尺寸为１０．３０ｍｍ＊７．５０ｍｍ＊３．４２ｍｍ。
传感器与单片机的接口电路如图２所示
如图４所示, 当ＵＤＤ＝＋５Ｖ, 相对静止时( ０ｇ) 输出

图４　传感器与单片机的接口电路
电压Ｕ０＝＋２．５Ｖ, 假定被测加速度为ａ ( 矢量) , 则输出电压表示式为Ｕ０＝２．５＋ａＳ
其中ａ的单位是ｇ, Ｓ为灵敏度: ２５０ｍＶ／ｇ, 经过计算可知输出电压Ｕ０最大波动范围为０．５～４．５Ｖ。因此相应要配置单片机内部ＡＤ满量程为５Ｖ档, 如图２所示ＡＤ选择外部参考电压ＵＲＥＦ＝５Ｖ。
利用ＭＭＡ１２２０Ｄ加速度传感器进行重复实验测定正常踩油门时油门踏板加速度和误踩油门时加速度相差很大, 前者最大不会超过０．５ｇ, 而后者最大能够达到３ｇ ( ｇ为重力加速度) 经过对比测试, 本系统采用１ｇ为加速度阀值Ａ, 换算成电压为２．７５Ｖ。单片机内部ＡＤＣ为１２位, 选择满量程５Ｖ档, 从而其分辨力可达０．００１Ｖ。可见本系统完全能达到精确测量加速度的要求。
３． ４　步进电机
步进电机１经过钢丝连接到汽车刹车系统, 当发生误踩油门时, 单片机启动步进电机１拉动钢丝进行刹车制动。
步进电机２连接的是一个节流阀, 这个节流阀用于控制油路的通断, 单片机在启动步进电机１时同步启动步进电机２, 阻断发动机油路达到减速的目的。
４　软件设计
软件设计方框图如图５所示。

图５　软件设计方框图
这里看门狗定时器时钟源选择为约１ＭＨｚ内部ＤＣＯ, 时间间隔为５１２个时钟周期, 因此采样频率约为２ｋＨｚ ( 间隔０．５ｍｓ采样判断一次) , 经过实际测试完全能达到防油门误踩的功能, 在保证可靠性的前提下降低了功耗。另外软件中大多操作片内外设, 外围电路器件很少, 做到了体积小成本低。
　结论
针对当前汽车油门防误踩装置成本高, 误判率高, 可靠性差, 功耗高等不足之处做了改进, 提出了新型防误踩系统方案, 在采样驾驶员踩油门加速度的同时分析是否用很大的力将油门踩到底二者结合来判断驾驶员是加速还是误踩油门, 在信号处理方面应用硬件电路实现ＡＤ转换功能缩短了系统响应时间进一步提高了驾驶汽车的安全性。下一阶段将进一步对系统的软件和硬件结构进行优化, 尽快进行全方位的检测, 将它早日推广到市场。
致谢
感谢刘老师在百忙之中抽空, 阅读和对我论文提出建设性建议, 感谢各位同学在我写论文时对我的帮助, 感谢公司的各位同事指导, 论文还有很多不完善的地方, 请大家多多指教, 谢谢大家, 祝毕业快乐。
参考文献:
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