一种油门刹车装置的设计

赵彩虹,朱荣根（南京航空航天大学金城学院机电工程系，江苏南京,211156）



一种油门刹车装置的设计

赵彩虹,朱荣根
（南京航空航天大学金城学院机电工程系，江苏南京,211156）

摘要：以家用汽车中的电子油门和刹车为控制对象，以AT89s51单片机为主要控制芯片，继电器为执行元件，应变片为传感器，研究出一套能合理解决误把油门当刹车时的方案，制作出可以装配在绝大部分车辆中的“油门刹车装置”。经实物制作后，在比亚迪系列车型上装车实验，结果表明本设计能完美兼容原有汽车刹车系统，达到误把油门当刹车也能刹车的目的，验证了系统的可行性。

关键词：油门刹车装置;AT89s51单片机;误踩;交通安全

0 引言

汽车的价格越来越低，越来越多的人能够买得起汽车，从而学习驾驶汽车的人也越来越多，许多人刚刚拿到驾驶执照就开车上路了。由于新手驾驶人技能不熟练，容易发生将油门当刹车的情况，发生车辆碰撞，人员伤亡等交通事故。针对这样的问题笔者设计研究出一套能完美解决该问题的系统。

该系统能在误把油门当刹车时触发，实现刹车和最小化油门的目的。最终形成一系列可以装在绝大部分车辆中的“油门刹车装置”。

本设计由AT89s51单片机为主要控制芯片，通过获取并处理应变片输出的信号，由继电器切换油门和刹车电路。油门刹车装置共由三大模块组成：传感器模块、数据处理模块、刹车系统。这三大模块彼此相互独立，但每个模块内部的子模块联系十分紧密，无论是硬件设计还是软件设计都将每个模块考虑得面面俱到。

图1　系统原理图

1 传感器模块

传感器模块用于感知油门杆上的应变来间接的测量出踩在油门踏板上的力。装置中选用的传感器为箔式电阻应变计（BF350-3AA(11)），该电阻应变计的材质为改性酚醛基底，由康铜箔制成，可同时温度自补偿和蠕变自补偿。为避免温度对测量系统的影响，在电桥中引入温度补偿片D。

2 数据处理模块

数据处理模块是以89c52型单片机为核心的一个微系统，传感器模块的电信号传输到数据处理模块的AD转换单元，进行高精度AD转换后将数据传输到单片机的RXD、TXD串口。AD转换模块采用HX711高精度24位双通道AD转换模块。

该模块差分输入为A、B两通道，A通道对应本模块差分输入引脚是 A+、A- ；B通道对应差分输入引脚是 B+ 、B- 。供电电压需在4.7V～5.5V之间，高于5.5V芯片有可能损坏，低于4.7V会造成传感器供电不稳定，读数误差很大，甚至无法工作。如果B通道不用，B+ B-直接接地，以防止引入干扰。

通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128 或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV 或 ±40mV 。通道B为固定的32增益，所对应的满量程差分输入电压为±80mV 。

电桥两端输入电压E选用模块内的稳压电源根据选择的BF350-3AA(11)型号应变片来确定。由应变片应变极限和电桥输入电压E，得出输出电压的变化范围为-12.4～+12.4mV。由此范围选择输入通道为A通道，增益为128。

图2　结构原理示意图

3 执行模块

执行模块主要为自行设计的机械结构和液压缸，包括失电型电磁铁、气弹簧、第一油缸、定位板、第二油缸等。如图2所示。

安装在失电型电磁铁1一侧的气弹簧2，其活塞杆可贯穿失电型电磁铁的两侧伸缩；第一油缸3通过一根以上的定位杆固定在失电型电磁铁1的另一侧，利用第一油缸3的活塞杆伸长推动与其连接的物件运动。定位板5与定位杆4构成移动副，定位板5的一侧和第一油缸3的活塞杆连接，另一侧与气弹簧2的活塞杆连接。由于定位板5位于气弹簧2和第一油缸3之间，因此，当失电型电磁铁1通电失去磁性后，对定位板5不再有吸持力，气弹簧2活塞伸长，推动定位板5向着第一油缸3的方向运动，而当第一油缸3活塞杆伸长时，将定位板5向气弹簧2的方向推动，一方面失电型电磁铁1失电产生磁性，吸持住定位板5，气弹簧2储能，以备电磁铁再次通电。第二油缸6的缸筒的端部转动连接在刹车杆7上，其活塞杆连接真空助力器。第一油缸3的缸筒远离活塞杆的一端与第二油缸6的缸筒远离活塞杆的一端通过油管8相通，当第一油缸3活塞收缩时，将液压油推到第二油缸6内，在刹车杆不动的情形下，第二油缸6的活塞杆伸长，从而实现刹车，而当踩下刹车杆，第二油缸6的活塞杆不动时，第二油缸6的缸筒运动，将其内的液压油推到第一油缸的缸筒内，利用液压油的推力推动第一油缸3的活塞杆伸长。

设置在油门踏板上的电阻应变片，顺次连接AD转换器、单片机和失电型电磁铁1，油门踏板下部设置限位柱，车体上设置有与限位柱对应的限位板。当限位柱与限位板接触时，油门踏板不能继续向下运动，施加在油门踏板上的力瞬间增大，油门踏板发生形变，电阻应变片的电阻变大，电阻应变片阻值的变化信号通过AD转换器和单片机的处理后，控制失电型电磁铁的通断电，从而达到脚踩油门踏板而实现刹车的目的；而要实现刹车复位，只需踩下刹车杆，第二油缸6的缸筒运动，将第二油缸6内的液压油推到第一油缸3内，松开刹车杆，第二油缸6的活塞杆收缩即可实现刹车复位。

4 结论

本油门刹车装置设计，经实物制作后，在比亚迪系列车型上装车实验，结果表明本设计能完美兼容原有汽车刹车系统，达到误把油门当刹车也能刹车的目的，验证了系统的可行性，具有一定的社会推广价值。

参考文献

汪大鹏，刘 美．电测力实验中应变片的粘贴技巧[J]．湖南工程学院学报，2003(3)：64—65；

赵彩虹(1981- ) 女，江苏淮安人，硕士研究生，讲师，主要从事机电一体化、传感器技术、CAD技术的研究

Design of a throttle brake device

Zhao Caihong,Zhu Ronggen
（Department of mechanical and electrical engineering Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Jincheng College Nanjing Jiangsu,211156）

Abstract：To household automotive electronic throttle and brake as the control object,to AT89S51 microcontroller as the main control chip,the relay for the implementation of components,strain gauge sensor,a reasonable solution mistook the throttle while braking scheme and produce assembly in the vast most vehicles in the "accelerator and brake device. After the physical production,in BYD series models car is equipped with the experiment.The results show that this design can be perfectly compatible with original automobile brake system,reach mistook the throttle when the brake can brake, to verify the feasibility of the system.

Keywords：throttle brake AT89s51 single chip microcomputer mistake on traffic safety

作者简介

基金项目：江苏省大学生创新项目