汽車智能鑰匙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭霆 田澤宇 楊洋 鄧羿杉

摘要：隨著生活水平的日益提升，汽車早已成為人們?nèi)粘３鲂械拇焦ぞ撸絹?lái)越多的車企開(kāi)始主打科技配置，汽車智能鑰匙就是其中之一，并且還附帶了裝飾屬性。本文對(duì)汽車智能鑰匙的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)紅外模塊能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程解鎖、遠(yuǎn)程啟動(dòng)等功能，以單片機(jī)作為主控芯片，研究紅外模塊對(duì)遙控指令的接收以及后處理的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)單片機(jī)完成控制操作，通過(guò)繼電器的閉合情況來(lái)模擬遠(yuǎn)程控制成功與否，通過(guò)LED指示燈進(jìn)行輔助提醒。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制智能鑰匙主控芯片智能控制

StudyonIntelligent Key Control System of Automobile

GUO TingTIAN Zeyu*YANGYangDENG Yishan

（Heilongjiang Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang Province，150050China）

Abstract： With the increasing improvement of living standards， cars have long become a means of transportation for people's daily travel. More and more car companies have begun to focus on technological configurations. Car smart keys are one of them， and they also come with decorative attributes. In this paper， the control system of the car smart key is studied. The functions of remote unlocking and remote starting of the vehicle can be realized through the infrared module. Using the single-chip microcomputer as the main control chip， the infrared module is used to study the reception of remote control commands and the conversion of post-processing. After completing the control operation， the success of remote control is simulated by the closing of the relay， and the auxiliary reminder is provided by the LED indicator.

Key Words： The remote control; Intelligent key; Main control chip; Intelligent control

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，人們的生活水平不斷提升，汽車也隨之走入千家萬(wàn)戶。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)[1]，截止到2020年，我國(guó)汽車保有量達(dá)2.81億輛，汽車駕駛?cè)诉_(dá)4.18億人，從這組數(shù)字不難看出，平均每1.5位駕駛?cè)司蛽碛幸惠v汽車。相比于2000年[2]我國(guó)汽車保有量的1608.9萬(wàn)輛，近20年汽車行業(yè)迎來(lái)了大爆發(fā)。汽車對(duì)于人們來(lái)說(shuō)，不僅可以方便交通，同時(shí)也象征著生活水平的提升。

汽車廠家瞄準(zhǔn)中國(guó)市場(chǎng)，不斷推出符合國(guó)人使用需求和審美的車型，同樣也將汽車鑰匙作為另一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)不斷開(kāi)拓。保時(shí)捷有車模型的鑰匙，特斯拉有卡片式的智能鑰匙，林肯推出了車門密碼鎖鑰匙，奔馳、寶馬、奧迪等豪華品牌車輛也紛紛推出自家科技產(chǎn)品，比較有代表性的是寶馬的液晶屏智能鑰匙。本文便對(duì)此展開(kāi)研究，擬設(shè)計(jì)一種智能紅外遙控鑰匙，集遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖、遠(yuǎn)程尋車報(bào)警、開(kāi)關(guān)車燈，以及遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能于一體，因?yàn)檫@幾種功能都是人們?nèi)粘Ｖ蟹浅?shí)用的功能，解決傳統(tǒng)汽車機(jī)械鑰匙的弊端，提升人們使用的便利性。

本文基于紅外模塊研究汽車智能控制系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)④囍髋c車輛進(jìn)行有機(jī)連接。對(duì)本體的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出基于單片機(jī)控制的紅外汽車鑰匙系統(tǒng)方案;詳細(xì)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)、紅外收發(fā)模塊、繼電器模塊、電源模塊等等一些電路的設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)程序的軟件部分。

1汽車智能鑰匙發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的一些廠商在汽車鑰匙研究方面比我國(guó)要早，在設(shè)計(jì)方面也呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)。伴隨著發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)儲(chǔ)備多等優(yōu)勢(shì)，還在不斷地發(fā)展。早在20世紀(jì)40年代，就有美國(guó)的克萊斯勒公司第一次將鑰匙、啟動(dòng)、汽車等元素整合在了一起，隨后這個(gè)方案幾乎應(yīng)用到了所有汽車上。60年代中期，美國(guó)福特公司首次采用雙面通用鑰匙，給用戶帶來(lái)了極大的方便。80年代中期，美國(guó)雪佛蘭首次將密碼電阻用在克爾維特型車鑰匙上，極大地增強(qiáng)了防盜性能。90年代開(kāi)始，捷豹公司出品了一款叫作Tibbe的異性鑰匙，并被一些公司采用。幾年后，世界首款配備無(wú)鑰匙進(jìn)入的汽車問(wèn)世，由雪佛蘭出品，但仍需車鑰匙進(jìn)行車輛的啟動(dòng)。21世紀(jì)初，第一款無(wú)鑰匙進(jìn)入、無(wú)鑰匙啟動(dòng)的汽車由奔馳出品。2016年，寶馬7系列出品了一款全新的智能汽車鑰匙，它有一塊液晶顯示屏，可以幾百米內(nèi)進(jìn)行開(kāi)關(guān)鎖、設(shè)置車內(nèi)溫度、打開(kāi)后備箱，甚至可通過(guò)鑰匙進(jìn)行泊車。

相比于一些發(fā)達(dá)的國(guó)家而言，我國(guó)的科技發(fā)展研究起步相對(duì)較晚[3-9]。然而隨著近些年科研人員以及汽車行業(yè)的不斷探索創(chuàng)新，我國(guó)已經(jīng)從世界的代工廠逐步成為全世界的制造工廠。吉利、哈弗、奇瑞等一系列的老牌汽車生產(chǎn)商，以及在新能源領(lǐng)域異軍突起的造車新勢(shì)力都結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)地給國(guó)外汽車企業(yè)當(dāng)頭一棒。5G網(wǎng)絡(luò)的普及為智能科技鋪平了道路，我國(guó)在科技應(yīng)用和二次開(kāi)發(fā)上擁有著獨(dú)到的見(jiàn)解和明顯的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，本文研究的遠(yuǎn)程控制紅外汽車鑰匙，已經(jīng)在一些國(guó)產(chǎn)車企旗下的汽車上投入使用。隨著科技的發(fā)展，智能手機(jī)、智能手表等智能穿戴設(shè)備也能夠替代傳統(tǒng)鑰匙執(zhí)行車輛的解鎖、啟動(dòng)等相應(yīng)功能。

2、汽車智能鑰匙系統(tǒng)方案

為方便人們對(duì)汽車的遠(yuǎn)程操控，本文提出基于單片機(jī)+紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能鑰匙方案。其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制，包括開(kāi)關(guān)車門、遠(yuǎn)程尋車、遠(yuǎn)程啟動(dòng)等功能。具體實(shí)施如圖1所示。本文選用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，其性能穩(wěn)定，兼容性好，操作指令邏輯清晰，并且具有較好的抗干擾性能;紅外系統(tǒng)模塊選擇的是東芝的TC9012，其管腳設(shè)置和外圍應(yīng)用線路均進(jìn)行了高度優(yōu)化，能夠較好地配合PCB進(jìn)行布局并且成本可控，搭配HS0038紅外接收頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。

本文運(yùn)用4組繼電器對(duì)整個(gè)研究進(jìn)行方針驗(yàn)證，加入蜂鳴器和LED燈源代替遠(yuǎn)程尋車時(shí)的汽車端回饋，運(yùn)用電機(jī)代替汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)效果。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中單片機(jī)是整體系統(tǒng)的核心單元，其最小系統(tǒng)包括電源接口、開(kāi)關(guān)電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，具體形式如圖2所示。紅外接收模塊需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)并還原成初始的脈沖信號(hào)，并對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行后處理，通過(guò)解碼將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，反饋主控芯片完成對(duì)應(yīng)的操作。圖3為紅外模塊與主控芯片通信電路圖。

在車身基站與應(yīng)答器鑰匙之間的射頻信號(hào)通信采取的通信方式是半雙工的形式，采用的編碼方式為脈寬調(diào)制編碼方式。紅外數(shù)據(jù)接收本質(zhì)是測(cè)量紅外二進(jìn)制脈沖寬度，獲得脈沖信息。為了解決一連串的脈沖多次測(cè)量問(wèn)題，本文從接收頭出來(lái)的紅外二進(jìn)制脈沖信號(hào)與標(biāo)志位（P24）進(jìn)行邏輯或非運(yùn)算，并輸入到INT0（P3.2）引腳，使得輸入INT0的信號(hào)恰好是紅外數(shù)據(jù)發(fā)射電路輸出端P25的信號(hào)，檢測(cè)INT0信號(hào)下降沿到上升沿的周期。如果相鄰的2個(gè)中斷間隔的時(shí)間長(zhǎng)度為1.125ms，說(shuō)明接收到的是“0”;時(shí)間長(zhǎng)度是2.25ms，則為“1”。因此，脈沖電平的每一次跳變都會(huì)形成一次中斷，在中斷服務(wù)子程中即可實(shí)現(xiàn)一次性對(duì)一連串連續(xù)波形的測(cè)量，在測(cè)量后對(duì)0和1的各數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)從而測(cè)出控制指令的功能。

紅外遙控器將遙控信號(hào)（二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在38 kHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后發(fā)送至紅外發(fā)光二極管并轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)射出去。遙控編碼脈沖信號(hào)是由寬度為4.5ms的高電平和寬度為4.5ms的低電平組成的引導(dǎo)碼、指示遙控系統(tǒng)的種類的系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼、功能碼、功能反碼等信號(hào)組成，反碼的加入是為了能在接收端校對(duì)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生差錯(cuò)。引導(dǎo)碼用來(lái)標(biāo)志遙控編碼脈沖信號(hào)的開(kāi)始。脈沖位置表示的“0”和“1”組成的32位二進(jìn)制碼，前16位控制指令，控制不同的紅外遙控設(shè)備。而不同的紅外家用電器又有不同的脈沖調(diào)控方式，后16位分別是8位的功能碼和8位的功能反碼。串行數(shù)據(jù)碼時(shí)序如圖4所示。

將要發(fā)送的指令脈沖編碼信號(hào)調(diào)制在38 kHz的載波上，可以增加信號(hào)的抗干擾能力，提高信號(hào)傳輸效率。信號(hào)調(diào)制時(shí)序如圖5所示。

3智能汽車鑰匙控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂和精華像人的大腦一樣至關(guān)重要，硬件是一個(gè)系統(tǒng)的骨架，軟件就是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后制作系統(tǒng)控制模型，并分別完成了車輛遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)車門、自動(dòng)尋車、遠(yuǎn)程啟動(dòng)車輛的控制功能測(cè)試，如圖7所示，從左至右分別為遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)車門指示燈、喇叭開(kāi)啟指示燈、車燈開(kāi)啟指示燈和車輛啟動(dòng)功能指示燈。測(cè)試顯示在5～10m范圍內(nèi)，控制功能靈敏度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

以往汽車智能鑰匙優(yōu)先配備在高端車型上，隨著科技的發(fā)展以及成本的控制，越來(lái)越多的家庭乘用車也配備了汽車智能鑰匙，并且得以迅速發(fā)展。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為主控芯片，運(yùn)用紅外模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)門、遠(yuǎn)程尋車以及遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能，有效降低成本的同時(shí)，也為汽車智能鑰匙提出新的搭配可能性，大大提高了人們出行用車的便利性和智能化。

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