基于嵌入式系統(tǒng)的汽車天窗智能控制

李全民

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，510540）

基于嵌入式系統(tǒng)的汽車天窗智能控制

李全民

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，510540）

根據(jù)汽車電動(dòng)天窗的實(shí)時(shí)自動(dòng)響應(yīng)性和安全性要求，基于MC9S12XS128微控制器，設(shè)計(jì)一種智能汽車電動(dòng)天窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用霍爾傳感器測(cè)定天窗玻璃開關(guān)的實(shí)時(shí)位置，采用雨滴傳感器檢測(cè)車外的環(huán)境狀態(tài)，采用空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測(cè)車內(nèi)空氣的新鮮程度的，另外選擇永磁電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率作為障礙物檢測(cè)判斷的指標(biāo)。該系統(tǒng)能根據(jù)不同情況自動(dòng)打開和關(guān)閉汽車天窗，在關(guān)閉的過程中又具有防夾傷等功能，使用戶操作更安全、便捷、舒適。

0 引言

汽車天窗在國(guó)外已有近百年的歷史，已成為世界汽車文化的一部分。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)隨著人們生活水平的提高，私家車已經(jīng)成為人們出行的必備交通工具。而汽車天窗作為乘用車滿足舒適性的必備設(shè)備之一，也得到了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，如今大部分乘用車都配備了汽車電動(dòng)天窗。傳統(tǒng)的電動(dòng)天窗主要靠繼電器和觸點(diǎn)開關(guān)來(lái)控制，在實(shí)時(shí)自動(dòng)響應(yīng)、舒適性和安全性等方面越來(lái)越不能滿足消費(fèi)者需求。隨著單片機(jī)技術(shù)在汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)方面得到廣泛的應(yīng)用，基于嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車天窗的智能控制。本文在以MC9S12XS128 MCU為核心的單片機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最終較好完成了對(duì)汽車電動(dòng)天窗的智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車天窗智能控制系統(tǒng)主要包括微處理器（單片機(jī)）、傳感器及天窗開關(guān)、電源模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊等四部分。數(shù)字輸入信號(hào)有：由駕駛員手動(dòng)控制的天窗開關(guān)、雨滴傳感器檢測(cè)外面是否下雨、空氣質(zhì)量傳感器檢測(cè)車內(nèi)空氣的新鮮程度、霍爾傳感器主要檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及天窗所處的位置；模擬輸入信號(hào)為電機(jī)的電流采樣。這些信號(hào)都輸入到微處理器，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和判斷，最后由微處理器向電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的PWM信號(hào)。當(dāng)手動(dòng)開關(guān)打開或檢測(cè)到車內(nèi)空氣質(zhì)量不佳時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，天窗打開；當(dāng)手動(dòng)開關(guān)關(guān)閉或檢測(cè)到外面下雨時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，天窗關(guān)閉；在電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、天窗關(guān)閉的過程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的采用電流超過閾值時(shí)，說(shuō)明有障礙物，電機(jī)變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)以便天窗打開，這就是所謂的防夾功能；當(dāng)天窗完全打開或完全關(guān)閉時(shí)，電機(jī)應(yīng)自動(dòng)停轉(zhuǎn)，這個(gè)功能由霍爾傳感器控制。如圖1。

圖1

2 硬件系統(tǒng)

硬件由包括微處理器的最小操作系統(tǒng)、電路板和傳感器組成。

2.1 MC 9 S12XS128微控制器及其最小操作系統(tǒng)

MC9S12XS128微控制器是飛思卡爾16位S12X系列MCU中的一種，最高工作頻率可達(dá)80MHz，使用05～16 MHz的外部晶振；具有256KB的ROM、12KB的RAM、8KB的數(shù)據(jù)Flash；8通道8位的脈沖寬度調(diào)制（PWM）；標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器模塊（TIM），輸入捕捉輸出比較是16位的且有8個(gè)通道，一個(gè)位計(jì)數(shù)器是16位的且有8位精度；16通道高達(dá)12位精度的A/D采集模塊；同時(shí)在中斷模塊方面，用戶可以按各自的要求編程設(shè)計(jì)中斷的優(yōu)先等級(jí)，最多可以設(shè)計(jì)七個(gè)中斷的優(yōu)先等級(jí)。這些特點(diǎn)能很好地滿足智能天窗控制的要求，而最小系統(tǒng)是MCU的工作環(huán)境，圖2是本文采用的最小系統(tǒng)板的相關(guān)原理圖。

圖2

2.2 電路板設(shè)計(jì)

（1）電源模塊：

汽車電源一般是12V的直流電，最小系統(tǒng)用的是5V電源，各種傳感器用的也是5V電源。對(duì)于微處理器說(shuō)，其本身功耗低，但電源的穩(wěn)定性對(duì)單片機(jī)的性能發(fā)揮有著極其重要的影響。經(jīng)過查找資料和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，初步選擇選了LM2940和MP2307兩個(gè)集成電路模塊，這兩者都為低壓差線性穩(wěn)壓器件，但由于MP2307穩(wěn)壓器具有輸出可調(diào)的特性，最后我們選MP2307為單片機(jī)供電。如圖3。

圖3

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：

本系統(tǒng)采用永磁式直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)天窗的開閉。選擇它的主要原因，是該類電機(jī)安全可靠、噪音小，同時(shí)它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，是比較理想的天窗驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過改變流過電機(jī)電樞繞組的電流的方向，可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及停止，從而實(shí)現(xiàn)汽車天窗的開閉功能。傳統(tǒng)汽車電動(dòng)天窗主要靠繼電器和觸點(diǎn)開關(guān)來(lái)控制電流方向，本系統(tǒng)是用單片機(jī)輸出兩個(gè)PWM信號(hào)，直接控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、正反轉(zhuǎn)以及停止，不用繼電器和觸電開關(guān)。這樣不僅節(jié)省了電子元件、降低了價(jià)格，而且大大提高了汽車電動(dòng)天窗控制的實(shí)時(shí)自動(dòng)響應(yīng)性和安全性，駕駛員和乘客的乘坐舒適性相應(yīng)的就有所改善。

本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板共用2片IR2104S，共同組成了一個(gè)全橋。這個(gè)集成電路板具有邏輯電平輸入和輸出，因此與最小系統(tǒng)板的連接變得非常簡(jiǎn)單。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)集成電路還具有短路、過熱、欠壓保護(hù)以及轉(zhuǎn)換率調(diào)整、電流檢測(cè)診斷等特性。另外，為了避免由于掉電而使整個(gè)電路系統(tǒng)癱瘓，在驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)系統(tǒng)之間增加了隔離保護(hù)芯片741VC245。如圖4。

圖4

2.3 傳感器

本系統(tǒng)共有三個(gè)傳感器：MH-RD型雨滴傳感器、MQ-135型空氣質(zhì)量傳感器、FC-33型電機(jī)馬達(dá)測(cè)速傳感器，這三個(gè)傳感器都有數(shù)字輸出，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，可以直接與單片機(jī)的數(shù)字端口相連接。同時(shí)選擇永磁電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率作為障礙物檢測(cè)判斷的指標(biāo)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包括初始化和自動(dòng)控制兩個(gè)模塊，在初始化方面，PTA0-7初始化為輸入端口，其中PA0與車內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器輸出連接，PA1與雨滴傳感器輸出連接；PTH0-3初始化為輸入端口，其中PH1為天窗手動(dòng)開啟按鈕，PH3為天窗關(guān)閉手動(dòng)按鈕；PTP0-7為PWM信號(hào)輸出，實(shí)際使用的只有PP4和PP5兩個(gè)PWM信號(hào)輸出，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)及停止；此外，初始化單片機(jī)總線工作頻率為16MHz，初始化定時(shí)器模塊，PT1初始化為定時(shí)器模塊輸入捕捉功能。

在自動(dòng)控制模塊中，包括車內(nèi)空氣差天窗自動(dòng)開啟、外面下雨自動(dòng)關(guān)閉和手動(dòng)開啟和關(guān)閉天窗；在關(guān)閉天窗過程中，自動(dòng)檢測(cè)是否有障礙物被夾住，有的話天窗將自動(dòng)轉(zhuǎn)為開啟；同時(shí)，在開啟和關(guān)閉天窗的過程中隨時(shí)檢測(cè)天窗是否完全開啟和關(guān)閉，是的話電機(jī)將自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)。如圖5。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用MC9S12XS128單片機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車電動(dòng)天窗在下雨和車內(nèi)空氣不佳情況下的自動(dòng)控制，同時(shí)對(duì)天窗玻璃遇障礙防夾等方面進(jìn)行了充分的考慮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)順利，基本能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作。由于采用了單片機(jī)智能控制，舍棄了傳統(tǒng)的繼電器和觸電開關(guān)等元件，本系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車電動(dòng)天窗控制，有可操作性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，因此有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

圖5

[1]任佳麗，李月香.汽車電動(dòng)天窗控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)械管理開發(fā)，2009/2：185-187.

[2]張志敏，陶永琴.基于嵌入式系統(tǒng)的智能汽車天窗的設(shè)計(jì).電子測(cè)試，2013/9：111-113.

[3]朱勇.基于單片機(jī)控制的汽車電動(dòng)車窗.科技展望，2014/12:69-70.

Intelligent Control of Automobile Sunroof Based on Embedded System

LI Quan-min

（Tianhe College of Guangdong Polytechnical Normal University，510540）

According to the real-time automatic response and safety requirements of automotive electric sunroof,designs an intelligent sunroof control system based on MC9S12XS128 microcontroller.The real-time position of the skylight glass adopts the Holzer sensor,the state of the envi?ronment outside the car by the rain sensor detection,the fresh air quality sensor to monitor the air inside the car,another load torque change rate as a predictor of the obstacle detection.The system can automatically open and close the sunroof of the car according to differ?ent conditions,and has the functions of preventing clipping and other functions in the process of closing,so that the operation of the user is safer,convenient and comfortable.

1007-1423（2017）27-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.017

汽車電動(dòng)天窗；單片機(jī)技術(shù)；智能控制；傳感器

李全民，男，工學(xué)碩士，MBA，工程師，講師，研究方向?yàn)檐囕v工程

2017-09-05

2017-09-30

Automobile Power Sunroof;SCM tTchnology;Intelligent Control;Sensor