汽车方向盘应变片式握力感应鸣笛触发系统设计

郭海涛　肖锦峰

摘  要：当前的汽车鸣笛系统可靠而不方便，可以采用柔性材料作为车辆鸣笛系统的传感器和触发源。将柔性传感器合理安置在方向盘手指处，通过设置合适的压力阈值，在需要鸣笛时可以在最短时间内触发鸣笛系统，提升交通驾驶过程安全性和便利性。

关键词：方向盘;柔性材料;鸣笛系统

中图分类号：TP212        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0035-02

Abstract： The current automobile whistle system is reliable but inconvenient， so flexible materials can be used as the sensor and trigger source of the vehicle whistle system. The flexible sensor is reasonably placed at the finger of the steering wheel， and by setting the appropriate pressure threshold， the whistle system can be triggered in the shortest time when the whistle is needed， so as to improve the safety and convenience of the traffic driving process.

Keywords： steering wheel; flexible material; whistle system

1 概述

汽车动力和排放领域的研发过程一直倍受重视，但对于车辆鸣笛系统的技术创新和关注度不高。现在的汽车鸣笛系统都是集中在方向盘的中央区域，驾驶者若要鸣笛，要将手移动至方向盘中央摁压按键。曾出现过少数型号的汽车将鸣笛按键设置在方向盘的3点或9点钟位置，但此类型车辆在行驶过程中，尤其是转弯时要按压汽车鸣笛系统，会较难定位按键位置，因为存在这种缺陷，3点与9点式的鸣笛按键模式逐步被统一成了方向盘中央区按键的鸣笛模式。这种中央区的按键模式，定位鸣笛按钮方便，但手指或掌心从方向盘边缘向中心区域移动，会产生约0.1秒的移动延时，如果考虑到按压喇叭还有一段行程，则总延时约为0.15秒，从驾驶者产生鸣笛的意图，到动作完成，间隔时间长，增大了危险驾驶系数。随着传感器技术的不断进步，柔性传感器应用日益多样化，性能也不断提升。在新型的鸣笛系统设计过程中，如果采用柔性应变传感器作为信号触发源，能有效降低按键触发延迟时间，缓解驾驶压力。

采用柔性压力传感器进行汽车鸣笛系统设计，其优点在于可以将感应片贴附在方向盘外围圆周的下侧（指尖侧）。无论是正常行驶，还是转弯过程中，如果需要鸣笛，只需手指用力握方向盘圈，就会触发汽车鸣笛，此过程中手指或掌心不需要产生特定位移，从而有效提升行车安全系数。新系统在设计过程中要解决两个关键问题，一是要设定合适的握力阈值，握力超过该阈值才会触发鸣笛，日常驾驶过程中一般的抓握是低于阈值压力的，不会触发鸣笛。二是作为传感器的柔性应变传感器，要方便贴合于方向盘圈上，并接入汽车的原有触点控制系统。对于新的柔性材料的贴敷方式，可以直接贴敷在方向盘上，如果有突兀感，可轻微在方向盘手指侧预留浅槽，应变片贴附于浅槽内，与浅槽外侧的方向盘轮圈形成合一的环状结构，对方向盘的平顺性无影响。新的鸣笛触发系统对整车设计无影响，对现有车辆鸣笛系统的模具和图纸基本无改动。

2 系统架构设计

汽车方向盘握力感应鸣笛触发系统主要包括如下几个方面的研究内容：

（1）对当前压力传感器相关性能进行评测，选择出合适的柔性压力传感器。当前技术较为成熟的压力传感器有陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电式压力传感器等，但考虑到传感器需要选择柔性材料制成，同时需要较高的敏感度，因此选择FSR402薄膜压力传感器是比较适当。

（2）选择型号配对的微处理器芯片，在系统设计过程中，可以选择性能较为可靠的芯片STC89C52或STM32F10

3C8T6作为主控电路芯片，将压力传感器信号接入单片机系统，设计主控电路。

（3）编写程序采集传感器输入的信号，编程设定压力传感阈值，当输入的压力值超过阈值，输出信号驱动鸣笛系统发出声音。

（4）设计外围电路，完成从信号采集到控制信号输出的外围电路设计。

3 硬件电路设计

系统采用标准化输入输出模式进行设计，压力作用在传感器上，根据应变片式传感器的转换规律，转换成對应的阻抗变化值，薄膜压力传感器FSR402压阻特性数据如表1所示，对应特性曲线如图1所示，然后由信号处理模块将阻抗变化转换成线性电压值的变化量。

线性电压处理模块将压阻变化转化为线性电压数据，由IO口输入STC89C52，当数据超过软件程序中设定的阈值，一方面将压力信号显示在液晶屏上用于直观显示，另一方面输出到信号放大模块中，驱动原有汽车鸣笛系统发出声音。系统整体硬件架构如图2所示。

4 系统软件程序设计

与硬件系统对应的软件系统设计主要是采集线性电压模块上传的信息数据，设置压力阈值，当传感器的信号强度高于软件系统中设定的阈值时，输出端产生输出信号，经由输出功率放大后，驱动终端设备产生报警信号。其主程序部分代码如下：void main（）

{

Init_LCD1602（）;

LCD1602_write_com（0x80）;

LCD1602_write_word（"welcome to use！"）;

while（1）

{

scanSensor（）;

if（KEY_NUM == 1）

{

KEY_NUM = 0;

LCD1602_write_com（0x80+0x40）;

LCD1602_write_word（"count ="）;

LCD1602_write_data（count%10000/1000+0x30）;

LCD1602_write_data（count%1000/100+0x30）;

LCD1602_write_data（count%100/10+0x30）;

LCD1602_write_data（count%10+0x30）;

count++;

if（state == 2）

state = 0;

}

}

}

void scanSensor（）

{

// SENSOR = 1;

if（SENSOR == 1）

{

Delay_ms（10）;

if（SENSOR == 1）

{

while（SENSOR == 1）;

KEY_NUM = 1;

}

}

截至2019年6月，全国机动车保有量达3.4亿辆，其中汽车2.5亿辆。这个庞大的产业所采用的都是近乎相同的鸣笛触发模式，雖然可靠性高，但安全系数较低，以柔性材料作为触发器的新型鸣笛系统，创新性高，但结构不复杂，稳定性强，基于单片机最小化系统进行电路设计与改造，量产采用封装模式，体积小，可靠性高，对现有汽车喇叭相关设备改动轻微，保证了汽车整体电路系统设计难度不增加的情况下，提升了驾驶的安全性和易操作性，所以它具有重要的应用和推广价值。

参考文献：

[1]孙瑞，何世贤.单片机在设备信号采集与分析处理系统中的应用[J].舰船科学技术，2019，41（12）：151-153.

[2]付承彪，田安红，朱怡婷.基于压力传感器的数字胎压计系统设计[J].实验室研究与探索，2017，36（06）：51-54.

[3]王改芳，吴有才.基于52单片机的CCD驱动程序和电路设计[J].实验技术与管理，2017，34（05）：60-63.