15级本科机械电子工程陈增林Word格式文档下载.docx

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【关键词】

单片机；

转速测量；

换挡；

语音输出

Abstract

Withthedevelopmentoflife,moreandmorepeoplehaveprivatecarsastransport,Fornovicedriversbecauseofthedrivingunskilledmayleadtocannotdrivethecarwell.Theycannotsolvetheproblemswellintheunexpectedsituation.especiallywhenyouderivemanualcar.Shiftisaheadachetomanynewdrivers.Ifthedrivecannotshiftontime.itmaywastealotoffuel.Itisagreatdamagetocarandevenmayleadtoextinction.Ifthereisadevicecangivethedrivervoicepromptstoshiftaccordingtotheshiftschedule.Thedrivecanknowtheworkingconditionoftheengineandthenmakethecorrectshiftoperation.Itisgoodfordriverstocorrectthebaddrivinghabitsandwrongoperation.Itisalsogoodforcartomaximizethecar’seconomyanddynamic.Forimprovingdrivingcomfortandsaftyhasalotofhelp.

Theworkdonebythispaperistodevelopadeviceaccordingtothebestoftheshiftruletoreminddrivetoshiftbytheprompts.Itcombinesthesignalacquisitionmodule,signalprocessingmoduleandthespeechoutputmodule.

Thebesttimetoshiftcarisbasedonvehiclespeedandthevehicleenginespeed.Socollectingaccuratevehiclespeedsignalandenginespeedsignalofthesystemisveryimportant.Therefore,thissystemusesHallsensorstogathervehiclespeedsignal,andrun-timeenginespeedsignal.throughtheSCMprocessthecollectedsignalandthendeterminethevehicleshouldbeinthestallandcomparewiththestallsignalToremindthedrivertoshiftoperationsInthedesignofspeedandenginespeedmeasurementmethodbymeasuringthelinefrequencymeasurements,compiledlanguageusingClanguagecompiler.

Thesubjectcompletedasoftwaresystemdesign,implementationofvehiclespeedsignalacquisition,enginespeedsignalacquisitionandusevoicechipforvoiceoutput,completedthedesignrequirements.

Keywords:

SCM;

Speedmeasurement;

Shift;

Voiceexport

一、绪论

（一）选题的背景及意义

安全是汽车驾驶的永恒主题。

随着公路交通特别是高速公路的交通的飞速发展，交通事故特别是恶性交通事故呈现不断上升的趋势，交通安全越来越受到广泛关注。

因此世界各国在研究车辆的驾驶辅助系统，投入大量的人力、物力，致力于提高车辆的驾驶安全性。

全世界每年应为车辆碰撞所造成的财产损失以千亿计算，人员死亡约百万人，而70%——90%的交通事故是人为因素造成的，期中56%是司机识别错误引起的。

配备安全辅助驾驶系统的智能车辆的引入，可以提高交通的安全性。

信息技术是21世纪最具生命力技术。

它所涵盖的领域越来越广，新的信息技术层出不穷。

信息技术的应用与发展将推动智能车进入一个全新的时代。

人类自发明第一辆汽车至今，已经走过100多年，在汽车的第二个世纪中，汽车将不仅在高速公路上行驶，而且将在信息高速公路上奔驰。

作为智能交通系统的一个重要组成部分，智能车辆系统利用传感器技术、信号处理技术、通讯技术、计算机技术等，辨识车辆所处的环境和状态，并根据各种传感器所得到的信息作出分析和判断，或者给司机发出劝告和报警信息提醒驾驶员注意规避危险；

或者在紧急情况下么，帮助司机操作车辆，防止事故的发生使车辆进入一个安全的状态。

汽车在行驶过程中，其自身状况（车速、车况、驾驶人员的状态等）和环境因素（天气状况、道路状况、行人和公路上的车辆情况）构成一种驾驶状态，这种状态体现出了瞬息万变、不确定、无法精确描述的特点，长期以来一直困扰着对自动驾驶和提高驾驶安全性的研究。

智能车辆可以自动检测周围情况应该做出何种快速反应以及车辆应该多快减速等，然后根据情况发出各种警示信号。

这些工作都能在瞬间完成，以使驾驶员有足够的时间做出反应。

本课题研究的内容是新手驾驶辅助系统。

该系统包括了信号采集、信号处理、语言输出等子系统的综合模块。

它以51单片机为基础，运用霍尔元件对车速信号、发动机转速信号以及档位信号进行采集，通过模糊控制运算将信号进行处理传给语音电路进行语音输出。

该系统的目的主要是为了对汽车驾驶新手进行换挡提醒，降低由于驾驶员的错误的换挡操作而造成对车辆发动机的损害。

（二）国内外研究的现状

1、发达国家安全辅助驾驶研究动态

安全辅助驾驶研究在近几年世界各国都对其非常重视，而且各个国家都根据本国的实际情况对安全辅助驾驶研究的内容及目标也做了不同的规定。

日本人认为，司机的人为局限性及操作失误是造成交通事故的主要原因，只有安全排除司机的人为因素，才能彻底根除交通事故的隐患，所以日本人研究安全辅助驾驶的最终目的是实现无人驾驶。

日本于1989年开始定位研究安全辅助驾驶。

他们的研究方向有两个：

自动高速公路系统和高级安全汽车。

日本于1992年即开发出第一个可使一辆车在其上自动行走的系统。

1995年，自动高速公路和高级安全汽车系统的全自动无人驾驶车队在时速60KM，车距15M的条件下可以连续运行了。

德国人认为，在高速公路上开车很有乐趣，他们研究安全辅助驾驶的目的仅仅是增加司机驾车的有效性和可靠性，从而减轻司机的工作负担，减少因司机的失误而造成交通事故，所以他们将安全辅助驾驶系统仅看作是司机的一个有效及可靠的工具，德国安全辅助研究包括5个方面的内容：

自适应巡航控制系统、向前行进控制系统、导航系统、交通信息通道系统和紧急呼救系统。

到1997年10月底为止，德国的安全辅助驾驶研究实施方案报告已经通过国家的系统评估和论证，有的产品比如导航系统和紧急呼救系统，已经完成实验论证，正在走向市场；

有的产品比如覆盖全德国的无线电信号数据系统和交通信号通道系统，有望近期能够问世。

现在他们正在逐步完善各个子系统的功能，并且准备把各个子系统的功能机构集成化。

美国人的想法与日本人相似。

他们认为，美国90%的交通事故是因为司机的认为因素引发的，同时交通拥挤是造成交通事故的另一个致命因素，所以他们决定以全自动高速公路上的无人驾驶车队来解决交通安全的问题。

1991年12月，美国政府通过提高陆路交通功能的法案，接着又播出66000万美元来资助全美智能运输交通6年的研究工作。

在美国的6个智能运输系统研究子系统中就有5个是围绕着交通安全的问题而进行的。

美国国家自动高速系统协会受国会的委托，于1997年8月7—10日再SanDiego向世人举办了他们的自动高速公路系统研究成果展示会。

展示会期间，自动高速公路系统以全自动的模式，105KM的时速615M的车距，使1350人在无人驾驶的车队里行走了16000KM。

日本人的最新研究成果表明：

安全辅助驾驶系统的信息技术和控制技术，可以使在交通事故中死亡人数减少40%，可以使由司机引发的认为交通事故明显减少，可以使车流更加通畅，由此而带来的经济效益是每一年挽回115亿美元的经济损失；

美国人的最新研究成果表明：

安全辅助驾驶系统的控制技术和自适应巡航技术，可以使美国的交通事故减少90%，可以在现有的道路上2倍甚至3倍地增加车流量，还可以大大地降低空气的拖拽力，可以增加20%到25%的燃油经济性，减少20%到25%的废气排放，从而大大地减缓了交通拥挤，并且被动地保护了我们的环境。

2、中国安全辅助驾驶研究现状

中国是一个发展中国家，其机动车拥有量远远不如美国和日本，但每年造成的交通事故伤亡人数及经济损失却远远超过两个国家。

因此，为了更好地发挥我国交通设施的效能，有效地利用我国有限的财力资源，在我国开展安全辅助驾驶研究，就显得尤为重要。

中国的安全辅助驾驶研究工作现在才刚刚起步。

调查研究我国高速公路及车辆整体发展水平，制定适合我国国情的安全辅助驾驶研究实现目标；

跟踪和分析国外安全辅助驾驶研究的研究方法和发展方向，使得我国在此领域中能够符合国际上的主流。

我国的相关研究已经展开。

清华大学汽车研究院是国内最早成立的主要从事智能汽车及智能交通的研究单位之一。

在汽车导航、主动避撞、车载微机等方面进行了广泛而深入的研究。

清华智能车THMR-V是用三星SXZ6510七座箱式车改装的。

配置规划计算机、监控计算机、视觉计算机和多台测控计算机，它们是按照分层递阶的结构，分为智能级（规划计算机），协调级（监控计算机）和执行级（视觉计算机和多台测控计算机）。

各台计算机之间通过10M以太网实现数据通信。

清华智能车THMR-V在公路上，车道线自动跟踪时平均时速100KM，最高时速达到150KM。

（三）论文的主要工作及结构安排

本次研究工作主要是基于51单片机的换挡语言提醒装置的软件设计。

采用了STC12C5628AD系列单片机，采用了以霍尔元件为基础的速度采集、汽车发动机转速采集技术。

论文的主要内容可以概括为以下几个方面：

1）研究汽车换挡原理，了解汽车换挡与车速及发动机转速之间的关系

2）对汽车发动机各种工作曲线进行分析获得最佳的发动机工作曲线

3）系统进行整体方案设计

4）对系统进行测速模块软件设计包括：

发动机转速模块，汽车测速模块

5）对系统进行语音模块软件设计

二、汽车换挡理论基础

（一）汽车换挡原理

我们知道，汽车发动机在一定的转速下能够达到最好的状态，此时发出的功率比较大，燃油经济性也比较好。

因此，我们希望发动机总是在最好的状态下工作。

但是，汽车在使用的时候需要有不同的速度，这样就产生了矛盾。

这个矛盾要通过变速器来解决。

汽车变速器的作用用一句话概括，就叫做变速变扭，即增速减扭或减速增扭。

为什么减速可以增扭，而增速又要减扭呢？

设发动机输出的功率不变，功率可以表示为N=wT，其中w是转动的角速度，T是扭距。

当N固定的时候，w与T是成反比的。

所以增速必减扭，减速必增扭。

汽车变速器齿轮传动就根据变速变扭的原理，分成各个档位对应不同的传动比，以适应不同的运行状况。

一般的手动变速器内设置输入轴、中间轴和输出轴，又称三轴式，另外还有倒档轴。

三轴式是变速器的主体结构，输入轴的转速也就是发动机的转速，输出轴转速则是中间轴与输出轴之间不同齿轮啮合所产生的转速。

不同的齿轮啮合就有不同的传动比，也就有了不同的转速。

例如郑州曰产ZN6481W2G型SUV车手动变速器，它的传动比分别是：

1档3.704:

1；

2档2.202:

3档1.414:

4档1:

5档（超速档）0.802:

1。

当汽车启动司机选择1档时，拨叉将1/2档同步器向后接合1档齿轮并将它锁定输出轴上，动力经输入轴、中间轴和输出轴上的1档齿轮，1档齿轮带动输出轴，输出轴将动力传递到传动轴上（红色箭头）。

典型1档变速齿轮传动比是3:

1,也就是说输入轴转3圈，输出轴转1圈。

当汽车增速司机选择2档时，拨叉将1/2档同步器与1档分离后接合2档齿轮并锁定输出轴上，动力传递路线相似，所不同的是输出轴上的1档齿轮换成2档齿轮带动输出轴。

典型2档变速齿轮传动比是2.2:

1，输入轴转2.2圈，输出轴转1圈，比1档转速增加，扭矩降低。

当汽车加油增速司机选择3档时，拨叉使1/2档同步器回到空档位置，又使3/4档同步器移动直至将3档齿轮锁定在输出轴上，使动力可以从轴入轴—中间轴—输出轴上的3档变速齿轮，通过3档变速齿轮带动输出轴。

典型3档传动比是1.7:

1，输入轴转1.7圈，输出轴转1圈，是进一步的增速。

当汽车加油增速司机选择4档时，拨叉将3/4档同步器脱离3档齿轮直接与输入轴主动齿轮接合，动力直接从输入轴传递到输出轴，此时传动比1:

1，即输出轴与输入轴转速一样。

由于动力不经中间轴，又称直接档，该档传动比的传动效率最高。

汽车多数运行时间都用直接档以达到最好的燃油经济性。

换档时要先进入空档，变速器处于空档时变速齿轮没有锁定在输出轴上，它们不能带动输出轴转动，没有动力输出。

一般汽车手动变速器传动比主要分上述1－4档，通常设计者首先确定最低（1档）与最高（4档）传动比后，中间各档传动比一般按等比级数分配。

另外，还有倒档和超速档，超速档又称为5档。

当汽车要加速超过同向汽车时司机选择5档，典型5档传动比是0.87:

1，也就是用大齿轮带动小齿轮，当主动齿轮转0.87圈时，被动齿轮已经转完1圈了。

倒档时输出轴要向相反方向旋转。

如果一对齿轮啮合时大家反向旋转，中间加上一个齿轮就会变成同向旋转。

利用这个原理，倒档就要添加一个齿轮做“媒介”，将轴的转动方向调转，因此就有了一根倒档轴。

倒档轴独立装在变速器壳内，与中间轴平行，当轴上齿轮分别与中间轴齿轮和输出轴齿轮啮合时，输出轴转向会相反。

倒档用的同步器也控制5档的接合，所以5档与倒档位置是在同一侧的。

由于有中间齿轮，一般变速器倒档传动比大于1档传动比，增扭大，有些汽车遇到陡坡用前进档上不去就用倒档开上去从驾驶平顺性考虑，变速器档位越多越好，档位多相邻档间的传动比的比值变化小，换档容易而且平顺。

但档位多的缺点就是变速器构造复杂，体积大，现在轻型汽车变速器一般是4－5档。

同时，变速器传动比都不是整数，而是都带小数点的，这是因为啮合齿轮的齿数不是整倍数所致，两齿轮齿数是整倍数就会导致两齿轮啮合面磨损不均匀，使得轮齿表面质量产生较大的差异。

（二）发动机换挡最佳工作曲线的计算

图1某发动机工作曲线

如图1某一只发动机，它的特性曲线基本是一定的，不跟挂挡不同而变化，换挡只是为了保证发动机在某一合适的转速内运转。

基本上同类型发动机（自然吸气跟涡轮增加是不同类）的曲线都相似，主要是平缓、弧度、最高点、最低点位置不同。

发动机的曲线，我们这次只看两条线：

扭矩曲线：

发动机输出的扭力，即发动机的力量，越大证明此时的加速性越好油耗曲线：

发动机的油耗，但不是指每百公里用多少油，而是指在该转速下，每小时喷多少油（虽然不是指每百公里耗油，但对于我们了解车辆是否耗油怎样省油有很大的指导意义，如一个很省油的车，但你着车停着一整天，在跑几公里，算出来的油耗绝对高，然后就说这车很耗油，这是不正确的。

一般我们行驶时保持发动机在油耗最低的转速是最省油的。

现在我们来看看M2发动机的扭矩曲线，最有力的时候是在4000多转，但此时发动机应该很响，并且油耗较高，所以不可能作为换挡点，只能做爬坡、越野、拉重货时的用啦，真正越野车的发动机一般会将此点往前调校2000转以前，这个图没有标出来，但实际上会是一条比较陡的线，即转速降一点，力气已经小了很多，如果挂高档，要切断动力（如踩离合，挂空挡），挂档后慢放离合（此时离合在半离合状态，传输到轮的动力必然减少），到完全放完离合，如果在此期间没有稍微加油，发动机转速必然有所下降，即动力下降更大，没力怎么加速，所以感觉到肉就在这里了。

此时换挡还有另外一个缺点就是相对耗油，为什么呢，上面的油耗曲线没有标到2000转以前的，其实这条曲线是一条碗型的曲线，最低值约在2000转左右（大家可以参考其他车型的曲线），即随转速降低油耗也有所增加，具体增加多少要看前面曲线的弯曲度才知道，但一般来说不会很多

在2200-2500转时，可以看到曲线比较平缓，即转速下降一些但动力下降不大，解决了换挡时转速下降动力损失的问题，并且在该转速期间，扭矩也不小，在2500转的时候就可输出最大扭矩的90%。

另外有个好处就是在换完档后，只要保持油门，转速刚好落在2000转这个经济转速上，可以保证燃油的消耗水平低。

（三）汽车档位、发动机转速和汽车车速之间的关系

精确计算发动机转速与车速的关系，首先需要要知道轮胎的规格，其次还要知道变速箱各档位的传动比（包括最终传动比）,条件是离合器完全结合。

轮胎规格：

轮胎宽度/高宽比R轮毂直径，例如规格为195/55R15的轮胎，其宽度是195mm，高宽比是0.55，轮毂直径是15吋（英寸）。

车速（km/h）＝[轮胎宽度（mm）×

（高宽比/100）×

2＋轮毂直径（吋）×

25.4]×

3.14159×

60/1000000/最终传动比/对应档位传动比×

发动机转速（rpm）其中：

“×

60”是将每分钟的发动机转速（rpm），转换为每小时的转速（rph），“/1000000”则是将以毫米（mm）为单位的轮胎圆周长，转换成以公里（km）为单位。

在上式中，对于一辆特定的汽车，轮胎规格、最终传动比是固定的参数，而且，对于某一档位，其传动比也是固定的，因此，只要已知档位和发动机的转速，即可求出对应的车速。

例如，对于凯越五档手动变速箱（1.6 

DOHC），各档的传动比、发动机转速与车速关系如下（表1）：

[最终传动比：

3.722，轮胎195/55R15，车速（公里/小时）＝0.03/对应档位传动比×

发动机转速（rpm）]

表1各档的传动比、发动机转速与车速

档位（传动比）

1500rpm

2000rpm

2500rpm

3000rpm

3500rpm

一档（3.545）

12.761

17.016

21.268

25.522

29.755

二档（2.158）

20.963

27.950

34.938

41.925

48.913

三档（1.478）

30.607

40.81

51.012

61.214

71.417

四档（1.129）

40.069

53.425

66.781

80.137

93.493

五档（0.886）

51.058

68.077

85.097

102.116

119.135

倒档（3.333）

13.573

18.097

22.621

27.145

31.669

4000rpm

4500rpm

5000rpm

5500rpm

6000rpm

34.029

38.283

42.536

46.79

51.044

55.90

62.888

69.876

76.863

83.851

81.619

91.823

102.024

112.226

122.429

106.85

120.206

133.562

146.918

160.274

136.155

153.174

170.193

187.213

204.232

36.194

40.718

45.242

49.766

54.290

三、系统的硬件设计

（一）控制系统整体方案设计

该系统包括车速信号采集系统、汽车发动机信号采集系统、中央控制器、语音输出装置组成。

该系统的主要功能是通过车速传感器和汽车发动机转速传感器来采集车速信号以及发动机转速信号，进过信号的处理整形输送给中央处理器，然后通过运算对信号进行处理，最后将信号给语音电路进行语音输出。

本系统中所需要的中央处理器为单片机，单片机的工作电压为3—5V，而一般的车载电压为12V，所以需要电源电路给单片机供电。

其控制方案如下图所示：

图2控制系统方案

在本系统中选用的中央处理器为单片机，由发动机转速传感器、汽车车速传感器采集发动机的转速信号以及车速信号。

发动机传感器和车速传感器都是采用霍尔元件采集的信号。

由于汽车发动机对霍尔元件采集的信号有干扰作用，所以需要电源隔离，使得采集到得车速信号以及发动机转速信号更加精确可靠。

此外，由于本系统采用的语音芯片需要存储一