以單片機為核心的電子汽車限速器的設計方案

我國每年有數十萬起交通事故發生，如果汽車限速器能夠普及，將會降低交通事故發生率，從而挽回不必要的財產和生命損失。
與近期在市場上熱銷的電子狗產品相比，汽車限速器更具有主動規避事故的優勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時才提醒駕駛者控制車速。汽車限速器通常分為兩大類：一種是在車輛超速時發出語音警報，提醒駕駛者減速；另一種是在車輛超過限定速度后，通過車載電腦發出指令，強制控制車輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用，而第2種汽車限速器將更為有效地降低交通事故。因此，本文著重介紹了第2種限速器的實現原理及設計方法。
1 限速器實現原理
由于早期的汽車是沒有限速功能的，所以在設計時要同時考慮到汽車出廠前安裝與售出后安裝兩個不同層面的需求，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，首先需要了解汽車油門系統的工作原理。
一般的電子汽車油門系統包括：油門踏板、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、電機、節氣門機構，如圖1所示。駕駛員根據駕駛所需的功率踩踏油門踏板，油門踏板位置傳感器將采集到的油門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電動機實現對節氣門的調節，實現節氣門的完全電子控制。

分析組成汽車電子油門系統的幾個環節后，在踏板傳感器與ECU這兩個環節之間插入限速控制是最易實現的，同時也具備了出廠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這兩個環節之間實現。插入限速器的電子油門系統模型如圖2所示，圖中虛線框所示的部分即是所設計的限速器。

限速器可通過鍵盤和顯示等人機界面預置速度上限值Vm。當啟動限速器工作后，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IIR濾波后得Ux。由于本限速器盡可能地不破壞汽車原有的結構，因此采用油門的開度來判斷汽車行駛速度，但是速度的變化滯后于油門的變化，即油門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習算法，通過較長時間段監測油門的前后變化情況以及前一時間段油門所處的穩定狀態（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，則沒有在超速狀態，此時踏板傳感器電信號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，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，實現限速功能。
圖3所示為速度控制狀態曲線圖。假設Vx由0開始逐漸增大，在未達到Vm時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當Vx >Vm時，Vy的值不隨著Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。當Vx下降，VxVm時，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，起到了優化油門控制的作用，以避免人為操作不穩定因素的影響。當Vx下降到VxVm-Δ時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。

插入限速器后的電子油門系統，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1和觸點2為常閉開關,使限速器在不能正常工作的情況下，能保證電子油門系統仍能正常工作，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，并對采集的信號進行濾波、計算等處理；同時，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
限速器根據用戶的指令或在某些不正常的狀態下，需要實現限速器工作模式、報警器工作模式和關閉模式的功能。限速器在工作模式時，不但需要監測油門踏板傳感器信號，同時要根據踏板傳感器信號和預置的速度上限值Vm，實現限速控制；處于報警工作模式時，只需監測油門踏板傳感器信號，結合預置的速度上限值Vm，實現超速時報警。
(3)人機交互功能
限速器需具備顯示、鍵盤、語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。