基于Arduino的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

謝智陽(yáng)，陳紀(jì)欽，孫偉龍，丘益志，陳煒佳，紀(jì)霖菁

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

基于Arduino的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

謝智陽(yáng)，陳紀(jì)欽，孫偉龍，丘益志，陳煒佳，紀(jì)霖菁

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

為研究電動(dòng)車窗防夾控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，搭建低成本、自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文提出基于歐姆龍光電編碼器E6B2-CWZ6C和電流傳感器模塊的防夾車窗方案，并進(jìn)行相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)，利用Arduino單片機(jī)對(duì)車窗控制系統(tǒng)探索和實(shí)踐，對(duì)防夾車窗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究。

光電編碼器；電流；車窗防夾；Arduino單片機(jī)

隨著汽車的普及，汽車電動(dòng)車窗的大規(guī)模使用，增加了人們的操作方便和行車舒適性，但同時(shí)也給人們帶來(lái)了一定的危險(xiǎn)性，車窗上升時(shí)夾傷人的事件頻繁發(fā)生，車窗安全問(wèn)題引起人們的重視［1］。大多數(shù)車窗采用電流檢測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾，但這種方式對(duì)車窗位置的判斷不夠精準(zhǔn)，無(wú)法精確判斷是遇到障礙物還是車窗上升達(dá)到了頂端，比較容易出現(xiàn)誤判，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車窗電機(jī)在啟動(dòng)和到達(dá)頂端時(shí)都會(huì)發(fā)生較大的電流變化，導(dǎo)致電流檢測(cè)部分發(fā)生誤判［2］，而本文所研究的車窗防夾已解決了這個(gè)問(wèn)題，利用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的脈沖來(lái)計(jì)算車窗的位置和車窗電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)車窗上升過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，車窗電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，車窗會(huì)停止上升并自動(dòng)下降，起到保護(hù)作用［3-4］。

圖1 硬件框圖

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

1）用車窗電機(jī)，歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E 6 B 2-CWZ6C，Arduino UNO控制板，兩路光耦繼電器驅(qū)動(dòng)板，電流檢測(cè)模塊以及支架搭建平臺(tái)，如圖1所示。

2）Arduino單片機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)來(lái)控制繼電器，達(dá)到讓電動(dòng)車窗自動(dòng)上升和下降的功能。

3）歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C和電流傳感器連接Arduino單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)障礙物進(jìn)行判斷。

4）兩路光耦繼電器板上有對(duì)應(yīng)的排針插口，可直接作為Arduino單片機(jī)的拓展板使用，節(jié)省空間和簡(jiǎn)化接線。

1.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

圖2為直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制具體電路圖，按下上升開(kāi)關(guān)時(shí)，Arduino單片機(jī)接收上升開(kāi)關(guān)的電信號(hào)變化，程序會(huì)使Arduino單片機(jī)向繼電器1發(fā)送觸發(fā)信號(hào)（高電平），電動(dòng)車窗自動(dòng)上升；Arduino單片機(jī)接收下降開(kāi)關(guān)的電信號(hào)變化，程序會(huì)使Arduino單片機(jī)向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)（高電平），從而實(shí)現(xiàn)一鍵升降。

當(dāng)電動(dòng)車窗在自動(dòng)上升的過(guò)程中遇到阻力時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行判斷，當(dāng)防夾程序條件成立時(shí)，Arduino單片機(jī)會(huì)向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)（高電平），向繼電器1發(fā)送斷開(kāi)信號(hào)（低電平）。電動(dòng)車窗自動(dòng)下降，從而達(dá)到防夾效果。1.3 實(shí)驗(yàn)線路

圖2 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路圖

1）單片機(jī)通過(guò)兩路繼電器的電平變化通斷的性質(zhì)，來(lái)判斷實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2）電流傳感器模塊GY-712-5A與直流電機(jī)串聯(lián)，通過(guò)電流接入來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)直流電機(jī)電流的變化。

3）歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的軸與電機(jī)的軸進(jìn)行連接，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電機(jī)速度。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷與旋轉(zhuǎn)位置測(cè)量

如圖3所示，用Arduino單片機(jī)采集A相和B相脈沖的電平變化，并開(kāi)啟與A相相連的外部中斷引腳（2號(hào)引腳），當(dāng)A相電平發(fā)生變化時(shí)，Arduino單片機(jī)觸發(fā)外部中斷進(jìn)入中斷子程序判斷A、B兩相電平狀態(tài)。當(dāng)A相和B相電平相同時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)（CW）；當(dāng)A相和B相電平不相同時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)（CCW），從而使單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)的判斷以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的判斷。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

#define EncoderA 2 //光電編碼器A相信號(hào)線與Arduino UNO 2號(hào)引腳（中斷引腳）相連

#define EncoderB 3 //光電編碼器B相信號(hào)線與Arduino UNO 3號(hào)引腳（中斷引腳）相連

volatile long MotorPos = 0；//定義變量MotorPos用于存放電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度

void setup（）

圖3 歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C波形示意圖

{

pinMode（EncoderA，INPUT_PULLUP）；//2號(hào)引腳設(shè)置為上拉模式輸入

pinMode（EncoderB，INPUT_PULLUP）；//3號(hào)引腳設(shè)置為上拉模式輸入

attachInterrupt（0，Encoder_Interrupt，CHANGE）；//開(kāi)2號(hào)引腳外部中斷，電平變化時(shí)觸發(fā)中斷

}

void Encoder_Interrupt（）

{

if （digitalRead（EncoderA） == digitalRead（EncoderB）） //當(dāng)A相電平變化時(shí)，如果A相與B相信號(hào)相等，電機(jī)為正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)

MotorPos++；

else

MotorPos--；

}

2.2 電動(dòng)車窗防夾控制思路

圖4為電動(dòng)車窗防夾控制整體流程。當(dāng)Arduino 單片機(jī)檢測(cè)到車窗上升的開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，Arduino 單片機(jī)輸出控制信號(hào)控制繼電器1導(dǎo)通，車窗電機(jī)正轉(zhuǎn)，車窗上升。在上升過(guò)程中，Arduino 單片機(jī)不斷重復(fù)檢測(cè)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速是否會(huì)發(fā)生瞬變，如檢測(cè)到電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速異常，Arduino 單片機(jī)將輸出控制信號(hào)控制繼電器1斷開(kāi)，繼電器2接通，使得電機(jī)反轉(zhuǎn)，車窗下降，以達(dá)到防夾的效果。

圖4 防夾控制軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)備廠家型號(hào)名稱：合肥盈拓E6B2-CWZ6C歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器。DC5～12 V，集電極開(kāi)路輸出，負(fù)載電流20 mA，1 000 P/R；深圳捷訊GY-712-5A電流感應(yīng)模塊。Arduino單片機(jī)，兩路繼電器拓展板，直流車窗電機(jī)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所要無(wú)電磁干擾，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為電機(jī)固定無(wú)抖動(dòng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究車窗電機(jī)上升中障礙物質(zhì)量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流的影響，測(cè)試不同情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的變化。如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

1）k1 車窗（含玻璃質(zhì)量）全程施加不同的重物啟動(dòng)上升；電動(dòng)車窗在負(fù)載玻璃的情況下，分別施加不同的重物G1=0.35 kg，G2=0.70 kg，G3=1.05 kg，G4=1.40 kg，使電動(dòng)車窗自動(dòng)上升；多次測(cè)試電動(dòng)車窗在不同重物下其電流I和轉(zhuǎn)速R的變化，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總。

2）k2 車窗（含玻璃質(zhì)量）自動(dòng)上升過(guò)程中突然施加不同阻力，分別給予電動(dòng)車窗瞬間重物阻力G1=0.35 kg，G2=0.70 kg，G3=1.05 kg，G4=1.40 kg，多次測(cè)試電動(dòng)車窗在自動(dòng)上升過(guò)程中瞬間施加阻力其電流I和轉(zhuǎn)速R的變化，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總。

3.3 測(cè)試步驟

1）在電機(jī)（只負(fù)載玻璃）空載情況下，按下上升開(kāi)關(guān)讓電機(jī)上升，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)數(shù)據(jù)。

2）電動(dòng)車窗增加一定的負(fù)載質(zhì)量（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），按下上升開(kāi)關(guān)讓電機(jī)上升，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)數(shù)據(jù)。

3）在電機(jī)正常上升過(guò)程中突然施加重力（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流變化數(shù)據(jù)。

4）重復(fù)以上步驟，不停的收集數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析障礙物質(zhì)量對(duì)電機(jī)的影響情況。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取測(cè)試樣本中不同測(cè)速情況較為明顯的圖表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，詳見(jiàn)圖5和圖6。

根據(jù)圖5、圖6可以看出以下3點(diǎn)。

1）車窗剛啟動(dòng)階段和到頂階段，有無(wú)負(fù)載重物，其電流和轉(zhuǎn)速數(shù)值都是紊亂的；在時(shí)間t＜0，與t＞110的范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)速和電流的變化都是無(wú)線性化規(guī)律，其轉(zhuǎn)速和電流在20＜t＜110的范圍內(nèi)時(shí)是基本穩(wěn)定的，且穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

2）車窗在上升的過(guò)程中，瞬間施加阻力，其轉(zhuǎn)速有明顯的低峰值R1，R2；且其變化為V形變化曲線，在轉(zhuǎn)速到達(dá)低峰值R1，R2時(shí)，又逐漸上升回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

3）車窗在上升的過(guò)程中，瞬間施加阻力，其電流有明顯的高峰值I1，I2；且其變化為V形變化曲線，在電流到達(dá)高峰值I1，I2時(shí)，又逐漸下降回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的電動(dòng)車窗防夾控制系統(tǒng)采用的是Arduino UNO 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。Arduino UNO單片機(jī)是以Atmega328p單片機(jī)為核心，其I/O口滿足系統(tǒng)需求，且有2個(gè)中斷口，單片機(jī)的體積較小，功能強(qiáng)大，其使用IDE編譯，使程序易學(xué)簡(jiǎn)單。課題采用的是以編碼器和電流感應(yīng)模塊的雙向檢測(cè)方式，編碼器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況和位置情況，而電流檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)的電流，而繼電器部分采用拓展板模塊拔插式，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，提高了整體系統(tǒng)工作的可靠性。經(jīng)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，編碼器能準(zhǔn)確識(shí)別車窗的位置及受到的阻力；電流感應(yīng)模塊能實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)全程的電流情況，但車窗電機(jī)剛啟動(dòng)和到頂點(diǎn)時(shí)，由于電流的不穩(wěn)，其轉(zhuǎn)速與電流的數(shù)據(jù)會(huì)受影響，所以應(yīng)在編程過(guò)程中注意啟動(dòng)階段和到頂階段數(shù)據(jù)的影響。

［1］ 沈琛馳，朱志紅，朱元.基于電流檢測(cè)的車窗防夾算法探究［J］.機(jī)電一體化，2012（9）：40-43.

［2］ 杜延海.應(yīng)用雙霍爾傳感器的防夾電動(dòng)車窗設(shè)計(jì)［D］.上海：東華大學(xué)，2014.

［3］ 曹忠.基于卡爾曼濾波的電動(dòng)車窗［D］.上海：華東理工大學(xué)，2014.

［4］ 馬偉澤，張申科，汪宏杰.采用霍爾傳感器的汽車電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì)［J］.汽車工程，2008，30（12）：1122-1124.

（編輯 章 子）

馬自達(dá)展出由SKYACTIV-X汽油火花控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念車

在2017東京車展上展出的產(chǎn)品中，馬自達(dá)汽車公司將推出一款由最近發(fā)布的SKYACTIV-X汽油火花控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新概念車型。

針對(duì)該SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)，馬自達(dá)聲稱已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種用于HCCI(譯者注：均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火）燃燒的新型控制系統(tǒng)，將HCCI范圍擴(kuò)展到負(fù)載圖更大的百分比。馬自達(dá)的火花控制壓縮點(diǎn)火（SPCCI）的精髓是使用通過(guò)火花點(diǎn)火作為第二活塞（“空氣活塞”）進(jìn)行膨脹的球形火焰前端，以進(jìn)一步壓縮空氣-燃料混合物，從而改善壓縮點(diǎn)火。

馬自達(dá)表示，壓縮點(diǎn)火與增壓器相結(jié)合將提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提供巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)，并將當(dāng)前的SKYACTIV-G汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提高10-30%。

該概念車產(chǎn)品，一輛緊湊型兩廂車還采用了SKYACTIV車輛架構(gòu)，以最優(yōu)的功能適用于以人為本設(shè)計(jì)理念的下一代技術(shù)。

Experiment and Analysis for Anti-pinch Power Window Lifter Based on Arduino

XIE Zhi-yang，CHEN Ji-qin，SUN Wei-long，QIU Yi-zhi，CHEN Wei-jia，JI Lin-jing
（Heyuan Polytechnic，Heyuan 517000，China）

In order to study data of the anti-pinch power window lifter，a low-cost and automated experimental platform is designed. This paper proposes a anti-pinch lifter design based on OMRON photoelectric encoder E6B2-CWZ6C and current sensor module，explores the window control system using Arduino micro-controller，and analyzes experimental data of antipinch power window lifters.

photoelectric encoder；current；anti-pinch window；Arduino micro-controller

U463.853

A

1003-8639（2017）11-0051-04

2017-07-25；

2017-09-21

河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改基金（2016-jy03）

謝智陽(yáng)（1985-），男，碩士研究生，講師，主要從事汽車電子電路和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究。

（信息來(lái)源：2017.10.10 Green Car Congress） 戴朝典?編譯