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1、第三届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品方向盘信号辅助安全系统徐裕权 曾德才 李群 黄宏 钟凯（华南农业大学工程学院08级 指导老师：温威）摘 要：通过小改方向盘，使其在某些特定的环境下警报，从而使驾驶者养成良好驾驶习惯。关键词：方向盘 金属薄膜 触发器 巡航系统一、立项依据和意义：随着现代交通的发展，汽车作为大众交通工具正走入平常百姓家，伴随着汽车的普及，汽车安全问题越来越让人关注，每年的车祸数量的增长更是让我们充分认识到保障汽车安全的重要性；造成车祸的原因有很多，主要分为人为原因和客观原因，大量的资料表明，告诉行驶的汽车造成车祸有一部分是因驾驶员驾驶大意（如单手驾驶、驾驶时聊
2、天）造成的。基于这一原因，我们设计出这个报警类的作品，并希望我们这个小小的设计能为日益严重的公路安全做出贡献。二、项目原理：利用电路通断作为信号的原理，当车速大于80km/h（由车速传感器获得）时，如果（驾驶员单手或不握方向盘时，将向我们设计的电路相应输入1个信号或0个信号，通过一系列的门电路与定时器，使相应的警告灯和语音提示器工作，并使巡航系统工作。三、采用的方法和技术路线：我们以普通方向盘为例（注：方向盘的骨架是由导电的金属做成），骨架的外表面由特殊的合成体（内表面是导电的金属薄膜，外表面是人造皮革）包裹（如图0-1）。根据人机工程学和大量的统计数据数据，可知人在双手握方向盘时双手的夹角约
3、为95160，压在方向盘的力约为3N4N，因此我们设定金属薄膜与骨架的间距为1mm。根据大部分驾驶员的握方向盘习惯，我们将方向盘分为四个不同的工作区域（如图0-2），区域的分界处用绝缘且具有弹性的塑料膜（如图0-3），防止各工作区域在接通时发生短路。合成体的金属薄膜接上低压的电路电源四个区域作为电路的四个输入端（如图图0-4）。所设计电路（如图0-5）的具体工作过程：方向盘的四部分相当于四个信号源，电路应能通过传输来的四个信号判别此时驾驶员是否单手操作方向盘或者双手离开方向盘，同时由车速传感器来判断车速是否大于80km/h，并在大于80km/h时令电路工作。，判断电路实现两方面的功能：（1）是
4、否两手握住方向盘；（2）让电路只在车速超过80km/h时才工作；在判断电路中，A、B、C、D四个为信号输入端，当一手抓方向盘某个工作区域时，在Y处输出高频“1”，逻辑表为ABCDY00001100010100100101将车速信号接入电路之中，使得车速大于80km/h时，电路不工作；在车速小于或等于80km/h时，电路始终输出低电平。当单手或没有握好方向盘时，电路中的与非门将在Y1处输出高电平，之后根据判断车速是否大于80km/s，来决定警报电路是否运行。由于555触发器在输入脉宽过大的情况下不能工作，所以在输入555触发器前，要对电压进行脉宽处理，在这里接入RC电路，就可使输入脉冲变为尖形脉
5、冲（具体见图0-6/0-7），从而可以进行延时触发。由于555触发器属于不可重复型的触发器，所以在延时输出的时候，假如有另外一个触发脉冲输入时，将不能按照所需的要求工作，由于在驾驶汽车过程中，换挡等情况下要单手掌握方向盘，所以必然会造成555触发器工作的混乱。这时，只需利用555触发器第4脚的复位功能就可解决这个问题，所以在电路中将触发器的第4脚接入判断电路的输出端，这样就可以实现重复触发了。使用555触发器可以实现在输入信号下降沿开始，输出一个时长为tp的高频，其中t=1.1RC，具体如图0-6，调节R，使得tp=30s。另外，在输出高频给巡航系统电路时，此时巡航系统将默认将此时的速度，即电
6、路工作时的速度（在设定值80km/h左右）作为巡航速度，直到电路不工作时，输出一个低频给巡航系统，使其关闭，继续按照驾驶员的意图行驶；为了防止在电路工作时驾驶员继续对油门踏板工作，做电路的输出端我们还给电子油门系统一个高频信号，在电路工作时，驾驶员对油门踏板的任何工作不起作用，最终达到设计的目的。四、设计图稿：设计电路总图（0-5）图 0-6图 0-7五、参考文献：1阮宝湘. 工业设计人机工程学M. 机械工业出版社（第二版）.2余志生. 汽车理论M. 机械工业出版社。3秦曾煌. 电子技术M. 高等教育出版社六、可行性分析：设计合理性：本设计着眼于驾驶的细节，在设计中没有采用压力传感器，ecu等
7、复杂且昂贵的电子元件，而是采用相对便宜的门电路元件，设计的低压电路原理简单且便宜，便于普及。机构布置合理性：本设计几乎没对汽车本身的机构进行改动，最大限度地避免了对汽车本身机构的改变，有利于汽车性能的发挥以及设计实施的可能性，并且有利于普及。在对方向盘的改造时，为了避免对驾驶员造成不适，严格参考了人机工程学的相关数据，方向盘分为四个合理区域，合成体与方向盘骨架间隙限定为1mm。市场前景。在现今社会，汽车安全的安全性能越来越成为驾驶者所重视。汽车生产商在能使人们享受驾车乐趣的同时，也需确保车里人生命财产安全。据我们做的大量的调查中不难看出，潜在消费者对本设计还是持有一定的期待度的。附：试验报告实
8、验名称：方向盘安全辅助系统模型试验试验原理：NE555RC振荡延时电路试验器材：数字电路箱、IN4148二极管三个、74LS00一个、74LS10两个、74LS20一个、NE555一个、电阻2.2M一个、电阻20K四个、5V电源一个、导线若干。试验过程：我们按照方案中的延时电路图，进行连接和焊接电路。如下图：我们对接入端A、B、C、D进行高电压的输入的检验，所得到的效果如我们所设计的一样，安装在车上能准确地得到车速、是否双手触动方向盘的重要电路判断因素，很好地执行了我们理想的警报效果。试验结论：我们所设计的电路，准确地检验出车速、手触动方向盘的因素，在不同情况下，精确地提出警报。在试验阶段，我
9、们发现通过改变电容值和相关的电阻值，能很好地控制延时的时间，为日后适应各类不同车款所需的延时时间提供依据。方向盘辅助安全报警系统的软件模拟 其模拟电路图如图1所示，其中有方向盘开关、车速信号等开关，具体看下图。图1 系统使用proteus模拟的总电路车速大于80km/h，即模拟的车速信号输入开关闭合时，如果双手抓方向盘，则不报警，如图2所示；若单手或无手抓方向盘时，会出现延时报警，效果为发光二极管发光，如图3所示。图2 双手抓方向盘时的模拟效果图3 单手抓方向盘时的模拟效果模型展示方向盘辅助安全系统运行说明以下是该系统在行驶过程中所处于的几种工作状态及对应的操作：所处工作状态对应操作1. 汽车
10、起动时，车速为零，小于80km/h，此时不管几只手抓方向盘都不会报警。将车速信号线接地，之后接入电源，此时不管多少只手握住方向盘，发光二极管都不亮。2. 汽车运行时，但车速小于80km/h时，系统同样不报警。与1中的操作相同。3. 车速大于80km/h时，如果在80km/h下驾驶员就已经单手握住方向盘，此时车速升高至80km/h后，若在若干秒后仍单手，系统应当有延时报警。将车速信号线接地，之后接入电源，之后单手握住方向盘，然后将车速信号线悬空（悬空相当于接入高电平），发光二极管会延时亮起，实现报警。4. 车速大于80km/h，但在之后单手握住方向盘若干秒，系统做出延时报警。将车速信号线接电源，之后接入电源，之后单手握住方向盘若干秒，发光二极管将亮起。总装图：电路板：方向盘：方向盘薄膜的设计：备注：模型与所设计的有所出入，一切按设计原型为准。15
