基于Arduino的電動車窗防夾系統(tǒng)實驗與分析

謝智陽，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的電動車窗防夾系統(tǒng)實驗與分析

謝智陽，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）

為研究電動車窗防夾控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，搭建低成本、自動化的實驗平臺。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，并進行相關(guān)模塊的設(shè)計，利用Arduino單片機對車窗控制系統(tǒng)探索和實踐，對防夾車窗實驗數(shù)據(jù)進行分析與研究。

光電編碼器；電流；車窗防夾；Arduino單片機

隨著汽車的普及，汽車電動車窗的大規(guī)模使用，增加了人們的操作方便和行車舒適性，但同時也給人們帶來了一定的危險性，車窗上升時夾傷人的事件頻繁發(fā)生，車窗安全問題引起人們的重視［1］。大多數(shù)車窗采用電流檢測的方式來實現(xiàn)防夾，但這種方式對車窗位置的判斷不夠精準(zhǔn)，無法精確判斷是遇到障礙物還是車窗上升達到了頂端，比較容易出現(xiàn)誤判，通過實驗發(fā)現(xiàn)車窗電機在啟動和到達頂端時都會發(fā)生較大的電流變化，導(dǎo)致電流檢測部分發(fā)生誤判［2］，而本文所研究的車窗防夾已解決了這個問題，利用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的脈沖來計算車窗的位置和車窗電機的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)車窗上升過程中遇到障礙物時，車窗電機電流與轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，車窗會停止上升并自動下降，起到保護作用［3-4］。

圖1 硬件框圖

1 硬件設(shè)計

1.1 實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)

1）用車窗電機，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)動板，電流檢測模塊以及支架搭建平臺，如圖1所示。

2）Arduino單片機通過開關(guān)的輸入信號來控制繼電器，達到讓電動車窗自動上升和下降的功能。

3）歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C和電流傳感器連接Arduino單片機對應(yīng)的引腳，對電機的轉(zhuǎn)速和電流進行監(jiān)測，根據(jù)數(shù)據(jù)對障礙物進行判斷。

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

1.2 直流電機驅(qū)動控制電路

圖2為直流電機正反轉(zhuǎn)控制具體電路圖，按下上升開關(guān)時，Arduino單片機接收上升開關(guān)的電信號變化，程序會使Arduino單片機向繼電器1發(fā)送觸發(fā)信號（高電平），電動車窗自動上升；Arduino單片機接收下降開關(guān)的電信號變化，程序會使Arduino單片機向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號（高電平），從而實現(xiàn)一鍵升降。

當(dāng)電動車窗在自動上升的過程中遇到阻力時，程序會進行判斷，當(dāng)防夾程序條件成立時，Arduino單片機會向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號（高電平），向繼電器1發(fā)送斷開信號（低電平）。電動車窗自動下降，從而達到防夾效果。1.3 實驗線路

圖2 直流電機正反轉(zhuǎn)控制電路圖

1）單片機通過兩路繼電器的電平變化通斷的性質(zhì)，來判斷實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)。

2）電流傳感器模塊GY-712-5A與直流電機串聯(lián)，通過電流接入來實現(xiàn)檢測直流電機電流的變化。

3）歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的軸與電機的軸進行連接，通過電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)檢測電機速度。

2 軟件設(shè)計

2.1 電機正反轉(zhuǎn)判斷與旋轉(zhuǎn)位置測量

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

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

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

volatile long MotorPos = 0；//定義變量MotorPos用于存放電機旋轉(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號引腳設(shè)置為上拉模式輸入

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

attachInterrupt（0，Encoder_Interrupt，CHANGE）；//開2號引腳外部中斷，電平變化時觸發(fā)中斷

}

void Encoder_Interrupt（）

{

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

MotorPos++；

else

MotorPos--；

}

2.2 電動車窗防夾控制思路

圖4為電動車窗防夾控制整體流程。當(dāng)Arduino 單片機檢測到車窗上升的開關(guān)信號時，Arduino 單片機輸出控制信號控制繼電器1導(dǎo)通，車窗電機正轉(zhuǎn)，車窗上升。在上升過程中，Arduino 單片機不斷重復(fù)檢測電機的電流和轉(zhuǎn)速是否會發(fā)生瞬變，如檢測到電機的電流和轉(zhuǎn)速異常，Arduino 單片機將輸出控制信號控制繼電器1斷開，繼電器2接通，使得電機反轉(zhuǎn)，車窗下降，以達到防夾的效果。

圖4 防夾控制軟件流程圖

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗條件

設(shè)備廠家型號名稱：合肥盈拓E6B2-CWZ6C歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器。DC5～12 V，集電極開路輸出，負載電流20 mA，1 000 P/R；深圳捷訊GY-712-5A電流感應(yīng)模塊。Arduino單片機，兩路繼電器拓展板，直流車窗電機，實驗場所要無電磁干擾，實驗平臺為電機固定無抖動。

3.2 實驗方案

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

表1 實驗方案

1）k1 車窗（含玻璃質(zhì)量）全程施加不同的重物啟動上升；電動車窗在負載玻璃的情況下，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，使電動車窗自動上升；多次測試電動車窗在不同重物下其電流I和轉(zhuǎn)速R的變化，最后進行數(shù)據(jù)分析匯總。

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

3.3 測試步驟

1）在電機（只負載玻璃）空載情況下，按下上升開關(guān)讓電機上升，記錄電機轉(zhuǎn)速與電機數(shù)據(jù)。

2）電動車窗增加一定的負載質(zhì)量（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），按下上升開關(guān)讓電機上升，記錄電機轉(zhuǎn)速與電機數(shù)據(jù)。

3）在電機正常上升過程中突然施加重力（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），記錄電機轉(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)，通過這些數(shù)據(jù)來分析障礙物質(zhì)量對電機的影響情況。

3.4 實驗數(shù)據(jù)

選取測試樣本中不同測速情況較為明顯的圖表進行實驗數(shù)據(jù)分析，詳見圖5和圖6。

根據(jù)圖5、圖6可以看出以下3點。

1）車窗剛啟動階段和到頂階段，有無負載重物，其電流和轉(zhuǎn)速數(shù)值都是紊亂的；在時間t＜0，與t＞110的范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)速和電流的變化都是無線性化規(guī)律，其轉(zhuǎn)速和電流在20＜t＜110的范圍內(nèi)時是基本穩(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)速到達低峰值R1，R2時，又逐漸上升回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

3）車窗在上升的過程中，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，在電流到達高峰值I1，I2時，又逐漸下降回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

4 結(jié)語

本文介紹的電動車窗防夾控制系統(tǒng)采用的是Arduino UNO 單片機實現(xiàn)。Arduino UNO單片機是以Atmega328p單片機為核心，其I/O口滿足系統(tǒng)需求，且有2個中斷口，單片機的體積較小，功能強大，其使用IDE編譯，使程序易學(xué)簡單。課題采用的是以編碼器和電流感應(yīng)模塊的雙向檢測方式，編碼器用于實時檢測車窗電機的轉(zhuǎn)速情況和位置情況，而電流檢測模塊用于實時檢測車窗電機的電流，而繼電器部分采用拓展板模塊拔插式，大大簡化了系統(tǒng)硬件，提高了整體系統(tǒng)工作的可靠性。經(jīng)多組實驗數(shù)據(jù)表明，編碼器能準(zhǔn)確識別車窗的位置及受到的阻力；電流感應(yīng)模塊能實時檢測車窗電機全程的電流情況，但車窗電機剛啟動和到頂點時，由于電流的不穩(wěn)，其轉(zhuǎn)速與電流的數(shù)據(jù)會受影響，所以應(yīng)在編程過程中注意啟動階段和到頂階段數(shù)據(jù)的影響。

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

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

［3］ 曹忠.基于卡爾曼濾波的電動車窗［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車窗防夾設(shè)計［J］.汽車工程，2008，30（12）：1122-1124.

（編輯 章 子）

馬自達展出由SKYACTIV-X汽油火花控制壓縮點火發(fā)動機驅(qū)動的概念車

在2017東京車展上展出的產(chǎn)品中，馬自達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火發(fā)動機驅(qū)動的新概念車型。

針對該SKYACTIV-X發(fā)動機，馬自達聲稱已經(jīng)開發(fā)出一種用于HCCI(譯者注：均質(zhì)充量壓縮點火）燃燒的新型控制系統(tǒng)，將HCCI范圍擴展到負載圖更大的百分比。馬自達的火花控制壓縮點火（SPCCI）的精髓是使用通過火花點火作為第二活塞（“空氣活塞”）進行膨脹的球形火焰前端，以進一步壓縮空氣-燃料混合物，從而改善壓縮點火。

馬自達表示，壓縮點火與增壓器相結(jié)合將提高燃油經(jīng)濟性，同時提供巨大的發(fā)動機響應(yīng)，并將當(dāng)前的SKYACTIV-G汽油發(fā)動機的扭矩提高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（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)計方面的教學(xué)與研究。

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