畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 無人駕駛電動汽車的主動防夾 車窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢 1
1.3課題完成的任務(wù) 2
2 電動車窗總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
2.1 電動車窗組成結(jié)構(gòu)與類型 3
2.2電動車窗工作原理 4
2.3電動車窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.4車窗電機(jī)選型 6
2.5本章小結(jié) 7
3 車窗控制系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì) 8
3.1 防夾系統(tǒng)總框圖 8
3.2按鍵模塊設(shè)計(jì) 9
3.4電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) 11
3.5 主控制電路設(shè)計(jì) 11
3.6 抗干擾設(shè)計(jì) 12
3.7 本章小結(jié) 13
4 軟件設(shè)計(jì) 14
6 結(jié)論與展望 21
參考文獻(xiàn) 22
附錄 23
25
摘要
無人駕駛電動汽車的主動防夾車窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
近年來伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的逐步發(fā)展，汽車的生產(chǎn)和使用率越來越高，普通家用轎車已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，帶動了其重要組成部分的汽車電子產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步，如自動調(diào)節(jié)空調(diào)、自動調(diào)節(jié)大燈、電動座椅、電動車窗、EPS/EPB等高新技術(shù)已成為了整車設(shè)計(jì)中不可或缺的配置。
在汽車電子控制技術(shù)飛速發(fā)展的步伐中，安全性和舒適性是人們隨時(shí)聚焦關(guān)注的話題。汽車車窗作為一個(gè)重要的功能組成部分，人們操作使用頻率高，關(guān)乎乘客的乘坐舒適性感受，幾乎所有的購買者都將汽車車窗是否智能化、人性化、便于操作、安全系數(shù)好等作為一個(gè)重要判定標(biāo)準(zhǔn)。在手動車窗逐步退出歷史舞臺，電動車窗唱主角的今天；電動車窗能否有效的防夾，保護(hù)乘車人的安全是必不可少的考慮因素。
本次設(shè)計(jì)的防夾電動車窗是以PIC單片機(jī)為微型處理器，數(shù)字電路和直流電機(jī)驅(qū)動電路為基礎(chǔ)，運(yùn)用80C51的基礎(chǔ)反饋特性，實(shí)時(shí)檢測車窗在自動升降過程中電流的變化，從而判斷是否遇到障礙物，采取相應(yīng)的控制措施實(shí)現(xiàn)防夾控制。
關(guān)鍵詞：電動車窗；防夾功能；智能控制
Abstract
Design of Active Anti-pinch Window of Driverless Electric Vehicle
Abstract
With the gradual development of economy construction in our country during these years, the production and utilization rate becoming higher and higher, ordinary family car has become an indispensible part in people’s daily life. Automobile industry’s rapid development has brought rapid progress to its important components of automobile electron industry, such as RFTA, automatically adjusting headlight, power seat, power window, EPS/EPB, which has become essential configuration in vehicle design.
In the rapid development of automobile electronic control, people always focus on the topic of safety and comfort. As an important functional component, automobile window is used in a high rate, related with the ride comfort for passengers. Almost all the customers take it an important criterion whether the automobile window is intelligent, humanized, easy-operated, highly-safe or not. With manual window fading from historical stage, power window becoming mainstream, the factors whether power window can anti-pinch or not, and the safety to protect passengers are considered indispensably.
In this paper, anti-pinch electronic window takes PIC as microcontroller, and is based on digital circuit and DC motor driver, applying the feedback characteristic of 80C51 base to real-time detect the currency change in the process of automatic lift, in order to judge whether obstacle is met, and then take relating controlling measures to realize anti-pinch.
Key words: Power Window, anti-pinch function, intelligent control.
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 課題研究背景
據(jù)工信部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)資料，2014年中國汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到2372.29萬輛，同比增長7.3%，和2349.19萬輛，同比增長6.9%，產(chǎn)銷量連續(xù)6年保持世界第一。近年來隨著我國汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車電子市場迅速擴(kuò)大，整個(gè)市場以超過40％的比例快速增長，其中車身電子產(chǎn)品占到整個(gè)汽車電子產(chǎn)品的 35％～40％。在目前，車身電子的熱點(diǎn)應(yīng)用排名前三的是車載空調(diào)、車窗控制和車燈控制。在車身電子中，對半導(dǎo)體需求量排列前三位的應(yīng)用域分別是：車載空調(diào)，約占44％；車窗控制，約占22％；車燈控制，約占10％，第四位是電動車門控制。根據(jù)汽車電子專業(yè)調(diào)研公司的數(shù)據(jù)，過去幾年中國汽車市場車身電子的半導(dǎo)體器件需求量約為19億美元，而中國本地設(shè)計(jì)的比例大約為10％～15％之間，預(yù)計(jì)未來幾年這一比例將會迅速增長。如上所述，車窗控制產(chǎn)品已成為車身電子產(chǎn)品重要的組成部分。
在汽車產(chǎn)業(yè)高度智能化發(fā)展的今天，各種電動控制系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，汽車電動車窗具備防夾安全保護(hù)功能已成為人們選擇購車時(shí)考慮的重要條件。這樣當(dāng)車窗在上升過程中遇見障礙物（如頭、手、衣物等）時(shí)可以自動下降到一定距離停止或降到最低，從而可以避免一些安全事故的發(fā)生。汽車電動車窗實(shí)現(xiàn)智能防夾功能對汽車的安全性能而言也是一種人性化的設(shè)計(jì)。
電動車窗主要由車窗升降器、連接線路、控制系統(tǒng)、按鍵、直流電機(jī)等配置構(gòu)成。目前市場上車輛電動車窗普遍都具有了一鍵升降、手動升降、駕駛員控制、一鍵鎖止等功能。在大大的方便了駕駛員的操作性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電動車窗升降、防夾功能等都是建立在紅外線傳感器、霍爾傳感器等原件監(jiān)測車窗運(yùn)動位置的基礎(chǔ)上，高昂的電子設(shè)備成本也是各個(gè)整車廠商頭疼的問題，且針對已經(jīng)在使用的汽車沒有車窗防夾功能的改造、改進(jìn)也有較大的難度。在電動車窗防夾研究的發(fā)展中，另外一種方案為采用小型智能功率芯片監(jiān)測玻璃上升過程中電機(jī)電流反饋，通過AD轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)車窗防夾。其基本原理是：直流電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，通過其的電流也隨之相應(yīng)增大。這種方法的研究對于控制生產(chǎn)成本來說是一個(gè)及其有效的手段，且對已經(jīng)使用的老舊車型改進(jìn)也相對容易實(shí)現(xiàn)。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢
現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)發(fā)展已逐步呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，CAN線技術(shù)、LIN線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，更前沿的技術(shù)已在往人機(jī)互聯(lián)，交互式的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，逐步成為汽車電子技術(shù)方面的新發(fā)展方向和熱門領(lǐng)域。不管是發(fā)動機(jī)EMS控制、車身穩(wěn)定輔助ESP、汽車制動防抱死系統(tǒng)ABS以及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS等，其都運(yùn)用了大量的單片機(jī)作為邏輯控制的核心原件，結(jié)合CAN通訊、LIN線等網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)已成為現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)總線的關(guān)鍵技術(shù)。
20世紀(jì)80年代，德國博世汽車公司為汽車電控領(lǐng)域制定了全新的CAN總線技術(shù)，其目的是將本地網(wǎng)絡(luò)的概念應(yīng)用到汽車系統(tǒng)內(nèi)，有效的解決汽車內(nèi)部眾多控制原件與傳感器之間的數(shù)據(jù)請求、交換；然而CAN總線主要針對高達(dá)1MbPS的高速數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，對于普通的車窗控制、空調(diào)控制、車燈等系統(tǒng)，CAN模塊的使用成本較高。進(jìn)入21世紀(jì)后，更低成本的適用于汽車分布式系統(tǒng)控制的LIN總線技術(shù)被引進(jìn)汽車網(wǎng)絡(luò)，隨著這一網(wǎng)絡(luò)在汽車行業(yè)的普遍應(yīng)用，基于LIN總線技術(shù)的很多電動車窗防夾控制研究也逐步趨于成熟。
各大汽車半導(dǎo)體廠商分別推出了許多基于此類的微型控制芯片，在此基礎(chǔ)上電動防夾車窗陸續(xù)出現(xiàn)在各汽車主機(jī)廠的新車型上，如奔馳W220，寶馬7系，大眾輝騰，雷克薩斯等車型也在中控門鎖和電動車窗上使用了LIN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動升降和主動防夾功能。雖然國內(nèi)的相應(yīng)技術(shù)還不夠成熟，但是也有很多高校和企業(yè)在這一領(lǐng)域投入了大量的人力進(jìn)行相關(guān)研究，其中成績比較突出的如：天津工業(yè)大學(xué)陳東旭等提出的“基于LIN總線電動車窗防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)”；長沙理工大學(xué)汽車機(jī)械工程學(xué)院在運(yùn)用MATLAB進(jìn)行電動車窗防夾系統(tǒng)建模與仿真方面也有著較深入的研究分析，提出了相應(yīng)的自適應(yīng)模糊控制策略；奇瑞汽車股份有限公司在根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用的基礎(chǔ)上，通過LIN總線接入BCM控制，實(shí)現(xiàn)了電動車窗的主動防夾功能，在創(chuàng)新的方面申請了其專利技術(shù)。
1.3課題完成的任務(wù)
本次課題設(shè)計(jì)主要是根據(jù)車窗電機(jī)負(fù)載增加時(shí)通過電機(jī)的電流也隨之相應(yīng)增大，這一基本原理。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用美國微芯公司的80C51單片機(jī)作為MCU，雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動電路，設(shè)計(jì)出合理的硬件電路、控制軟件，并運(yùn)用相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)汽車電動車窗的控制運(yùn)動和仿真，主要完成項(xiàng)目如下：
1) 汽車電動車窗基本結(jié)構(gòu)了解；
2) 電動車窗硬件電路設(shè)計(jì)，完成按鍵模塊、電源模塊、電機(jī)控制模塊及相應(yīng)的抗干擾模塊電路，運(yùn)用Proteus軟件完成電路圖繪制；
3) 闡述防夾功能的實(shí)現(xiàn)，建立系統(tǒng)流程圖，編寫控制軟件；
4) 完成軟件程序的編譯、模擬，進(jìn)行仿真測試。
第2章 電動車窗總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 電動車窗總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 電動車窗組成結(jié)構(gòu)與類型
汽車電動車窗，區(qū)別于傳統(tǒng)的車窗玻璃靠手搖的方式升降；是利用按鍵控制的直流電機(jī)驅(qū)動玻璃升降器自動升、降的門窗玻璃。在行車過程中乘客可以方便的進(jìn)行開、關(guān)門窗，將車窗玻璃控制在合適的高度，停車后駕駛員離開后可以通過遙控鑰匙一鍵升起四門車窗，更加的方便快捷。所以電動車窗又叫自動車窗，20世紀(jì)90年代初電動車窗就已陸續(xù)問世，但是由于較高的成本和工藝，僅裝在高級轎車上；近些年由于汽車產(chǎn)業(yè)不斷向模塊化、平臺化發(fā)展，使得零部件成本得到不斷的降低，目前在在現(xiàn)代汽車上己被普遍采用。電動車窗系統(tǒng)主要由車窗玻璃、直流電機(jī)、玻璃升降器、按鍵、控制模塊、連線等部件組成。
電動車窗系統(tǒng)是通過按鍵或遙控鑰匙操作升、降車窗的系統(tǒng)，當(dāng)電動車窗按鍵操作時(shí)，控制模塊驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，通過玻璃升降器的連桿運(yùn)動，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為車窗升、降的上下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)車窗玻璃的開閉。
圖2.1 電動車窗基本組成結(jié)構(gòu)
目前普通家用轎車上常見的電動車窗玻璃升降機(jī)構(gòu)有繩輪式、交臂式和軟軸式等幾種，其中繩輪式玻璃升降機(jī)構(gòu)電機(jī)布置位置更靠上，交臂式玻璃升降機(jī)構(gòu)剛性大，安裝和使用不易變形使用較為廣泛，圖2.2、2.3分別為繩輪式和交臂式結(jié)構(gòu)圖。
圖2.2繩輪式玻璃升降機(jī)構(gòu)基本組成結(jié)構(gòu) 圖2.3交臂式玻璃升降機(jī)構(gòu)基本組成結(jié)構(gòu)
2.2電動車窗工作原理
汽車電動控制車窗與傳統(tǒng)手搖操作式車窗在工作原理上的區(qū)別主要在于開關(guān)按鍵及控制元件上的區(qū)別較大，帶有主動防夾功能的電動車窗其主要通過總線技術(shù)（CAN、LIN）由主節(jié)點(diǎn)向四門電機(jī)發(fā)送指令控制車窗升降，通過監(jiān)測車窗的運(yùn)行位置或監(jiān)測電機(jī)電流變化實(shí)現(xiàn)主動防夾功能，其中基于LIN總線車載網(wǎng)絡(luò)的電動車窗工作原理如圖2.4所示：
圖2.4 基于LIN總線車載網(wǎng)絡(luò)電動車窗工作原理圖
一般而言，電動車窗都有兩套控制系統(tǒng)，一套為駕駛員側(cè)的總開關(guān)控制系統(tǒng)，可由駕駛員通過總開關(guān)控制系統(tǒng)控制全車四個(gè)車窗的升降；另一套為分開關(guān)控制系統(tǒng)，分別裝在其余車門的車門扶手處，可由乘客控制身邊車窗的升降?？傞_關(guān)和分開關(guān)互不干涉，均可獨(dú)立控制，分開關(guān)的控制層級低于總開關(guān)。
2.3電動車窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車電動車窗是一個(gè)安裝在汽車車門上的裝置，其本身結(jié)構(gòu)受車門型式、開發(fā)成本、人機(jī)布置舒適性等多方面的影響，所以在設(shè)計(jì)過程中需要考慮的邊界約束條件很多。比如：四門開關(guān)按鍵的布置受車門內(nèi)板扶手寬度影響，內(nèi)板鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又決定了電機(jī)布置和安裝位置，玻璃升降受側(cè)圍弧形曲率，是否有三角窗等因素影響，還要考慮與膠條配合的密封性能。本次電動車窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了交臂式玻璃升降器，直流電機(jī)與玻璃升降器固定臂通過螺栓連接緊固在車門內(nèi)板上，運(yùn)用CATIA軟件建立了玻璃升降器及周邊配合件的3D模型，如圖2.5所示：
圖2.5 玻璃升降器3D結(jié)構(gòu)模型
本次設(shè)計(jì)中，選用交臂式的玻璃升降器結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)固定支架、主動臂（帶扇形齒與電機(jī)嚙合）、兩段從動臂分別鉚接與主動臂兩側(cè)，組成一個(gè)X型的連桿；上下導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)為半工字型槽，以便主、從動臂的滑塊在滑槽中滑動；下導(dǎo)向槽緊固與車門鈑金上，車窗玻璃通過螺釘連接在上導(dǎo)向槽上。
上、下導(dǎo)向槽及滑塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2.6所示：
圖2.6 導(dǎo)向槽及滑塊結(jié)構(gòu)圖
導(dǎo)向槽采用1.2mm厚的普通冷軋鋼板沖壓成型，開口處的翻邊既起到防止滑塊脫出的作用，又對導(dǎo)向槽的橫向剛度起到增強(qiáng)作用。
圖2.7 主、從動臂鉚接結(jié)構(gòu)圖
主、從動臂采用X型交叉，雙側(cè)鉚接的結(jié)構(gòu)；使得從動臂能夠跟隨滑塊在導(dǎo)軌中的滑動軌跡而升、降的作用；主、從動臂同樣采用1.2mm普通冷軋鋼板沖壓成型，在設(shè)計(jì)時(shí)候遵循鈑金件的設(shè)計(jì)原則，增加相應(yīng)的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，用以增加整個(gè)玻璃升降器的剛性，保證車窗玻璃在升降過程中的穩(wěn)定性。
2.4車窗電機(jī)選型
直流電機(jī)作為電動車窗系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能好壞直接影響到車窗系統(tǒng)的工作情況。尤其是運(yùn)用在汽車控制中，對其性能要求比較嚴(yán)格，汽車電動車窗電動機(jī)由于需要控制玻璃的升降功能，所以電機(jī)必須是能夠雙向旋轉(zhuǎn)的，通過控制系統(tǒng)的對輸入電流方向的控制，使電機(jī)具有換向的作用，分永磁式和雙繞組串勵式兩類。
各個(gè)車門處都有一個(gè)直流電機(jī)，是一種不直接接地型電動機(jī)。為防止電路過載，電動車窗電路有一個(gè)或多個(gè)熱敏開關(guān)，以免電動機(jī)因超載而燒壞。熱敏開關(guān)為雙金屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)電動機(jī)電路電流過大時(shí)，雙金屬片受熱，產(chǎn)生彎曲變形，使觸點(diǎn)打開，切斷電路；當(dāng)電路斷開后，雙金屬片冷卻，變形消失，觸點(diǎn)再次閉合。如此重復(fù)開閉，使電動機(jī)的平均電流不超過規(guī)定值，從而確保電動機(jī)不致過載燒壞。有的車上還設(shè)有延時(shí)開關(guān)，可在點(diǎn)火開關(guān)斷開后約10min內(nèi)或車門打開以前，電動車窗仍接通電源，使駕駛員或乘客仍可操縱控制開關(guān)關(guān)閉車窗。
直流電機(jī)參數(shù)的選擇是關(guān)系到整個(gè)電動車窗正常工作的一項(xiàng)工作，決定其工作的主要參數(shù)包括，工作電壓范圍、帶負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速、力矩、遇到障礙物時(shí)能承受的制動力矩和電流等。
由于整車一般使用DC12V的直流電源，但其值在上電、點(diǎn)火及充電過程中都有一定的波動，主要在9-15V之間波動，所以選擇的直流電機(jī)工作電壓范圍應(yīng)大于此范圍，一般選取DC 8-16V。
根據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，主動臂齒扇與電機(jī)的嚙合點(diǎn)至轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)的距離為127mm，轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)至主動臂滑軌距離為300mm，所以其杠桿比為0.42；車窗玻璃安裝在導(dǎo)軌上后，近似其作用力在導(dǎo)軌的中間點(diǎn)距主動臂支點(diǎn)145mm，如圖2.8所示。
圖2.8 玻璃升降器力臂圖示
擬定玻璃重量1kg，則可計(jì)算得在玻璃上升過程中齒扇處需要的力矩為：
M=1*9.8*0.145/0.42=3.38N.m
所以，電機(jī)在上升過程中的負(fù)載特性應(yīng)大于3.38N.m。
當(dāng)玻璃在上升過程中遇到障礙物時(shí)，擬定的負(fù)載為100N，則此時(shí)電機(jī)遇到的阻力矩為：
M=100*0.145/0.42=34.5N.m
所以，電機(jī)最大制動力矩應(yīng)大于34.5N.m。
根據(jù)上述的計(jì)算，配合電機(jī)驅(qū)動電路的使用，本次選用的車窗電動機(jī)是永磁式直流電動機(jī)，其主要參數(shù)如表2.1所示。
表2.1永磁直流電機(jī)參數(shù)表
序號
項(xiàng)目
性能參數(shù)
1
工作電壓范圍
DC 8-16V
2
空載性能
轉(zhuǎn)速
≥79r/min
3
電流
≤2A
4
負(fù)載性能（3。5N.m）
轉(zhuǎn)速
65±5 r/min
5
電流
≤8A
6
制動性能
電流
≤23A
7
制動力矩
13-35N.m
8
防護(hù)形式
雙金屬片，熱保護(hù)，防塵、防水
9
旋轉(zhuǎn)方向
雙向
2.5本章小結(jié)
本章通過對汽車電動車窗的總體結(jié)構(gòu)相關(guān)知識介紹，確定了本次設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，選定了電動機(jī)的型號，為后文的電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)做了鋪墊作用。
第3章 車窗控制系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)
3 車窗控制系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)
3.1 防夾系統(tǒng)總框圖
電動車窗主動防夾系統(tǒng)的工作原理是指駕駛員在按下玻璃上升鍵，車窗玻璃在自動上升過程中夾到障礙物達(dá)到一定程度后，車窗會停止上升，并回退至最底端。其中如何定義防夾區(qū)域、防夾力臨界值、防夾執(zhí)行動作，是實(shí)現(xiàn)防夾的3個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)可知：
1） 防夾區(qū)域定義為從門窗頂端4-200mm區(qū)域；
2） 防夾力臨界值為100N；
3） 當(dāng)判定遇到障礙物時(shí)，車窗電機(jī)反向工作，車窗玻璃下降一段距離后停止，等待用戶的進(jìn)一步指令。
防夾功能只有在制定的防夾區(qū)域開啟，準(zhǔn)確的判定車窗實(shí)時(shí)所處的位置是實(shí)現(xiàn)主動、智能防夾的關(guān)鍵因素。相對于傳統(tǒng)電動車窗系統(tǒng)，雖然制造成本較低，但是實(shí)際各車窗電機(jī)之間的通信控制連線比較多，導(dǎo)致穿過車門鉸鏈和門洞的線束龐大復(fù)雜，可靠性降低，實(shí)際成本增高。
本次設(shè)計(jì)基于檢測電機(jī)電流作為判定車窗是否遇到障礙物，電機(jī)電流會根據(jù)負(fù)載變化而程線型變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)電流的準(zhǔn)確性，是整個(gè)控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。但由于在電機(jī)啟動瞬間、車窗機(jī)械阻力、重力等一些外在因素干擾下，監(jiān)測的電流穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性受影響，所以檢測電流時(shí)需要對信號進(jìn)行放大、濾波、防干擾等處理，保證檢測電流的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。電路硬件部分設(shè)計(jì)可分為按鍵控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、80C51單片機(jī)控制模塊、電流采樣、雙H橋電機(jī)驅(qū)動模塊、計(jì)數(shù)模塊，由于單片機(jī)自帶有A/D轉(zhuǎn)換接口，此次設(shè)計(jì)將不需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。
圖3.1 主動防夾電流檢測系統(tǒng)總框圖
如圖所示,當(dāng)采樣到按鈕信號時(shí),MCU啟動,運(yùn)行電機(jī)控制程序。MCU根據(jù)接收到的信號判定是執(zhí)行車窗上升還是下降的模式；如果是上升模式則控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動玻璃升降器上升，如果是下降模式則控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。在每一種模式執(zhí)行過程中,MCU還需要及時(shí)接收反饋信號，在上升模式中,有兩種情況使得電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)進(jìn)入制動模式,即玻璃上升置頂和上升過程中遭遇防夾力,這兩種情況的區(qū)別判斷主要是電機(jī)驅(qū)動車窗上邊緣至窗頂距離d是否位于4mm處。當(dāng)d≥4mm時(shí),MCU啟動防夾控制模塊使車窗停止上升或下降至最低點(diǎn),否則停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，車窗關(guān)閉。在下降模式中,阻力主要來自車窗運(yùn)行至底部的阻擋力,所以直接停止電機(jī)即可[2]。
3.2按鍵模塊設(shè)計(jì)
由于車門內(nèi)板布置空間限制，且為了不使按鍵繁多復(fù)雜，電動車窗按鍵開關(guān)都將手動上升模塊和自動上升模塊集成在一起。主要區(qū)別在于各個(gè)模塊的按鍵行程和按鍵力值不同。按鍵模塊電路硬件如圖3.2所示：
圖3.2按鍵模塊電路圖設(shè)計(jì)
按鍵作為電動車窗進(jìn)行升、降的信號輸入來源，整個(gè)電路中由于單片機(jī)MCU的工作電壓為5V，所以按鍵的電壓與MCU回路的工作電壓一致，均為5V。按鍵信號通過 針腳10、針腳11、針腳12接入芯片的I/O通道，使得控制直流電機(jī)的回路被接通，車窗進(jìn)行升降，并通過程序監(jiān)控電機(jī)電流的變化，進(jìn)一步來控制車窗電機(jī)的工作。圖中K1表示車窗上升按鍵、K2表示車窗下降按鍵、K3表示模擬車窗上升過程中遇到的障礙信號。三個(gè)旁路電容C41、C42、C43的作用主要濾除雜波、平衡由于機(jī)械按鍵的彈性作用導(dǎo)致在按下或釋放的瞬間由于觸點(diǎn)抖動而產(chǎn)生的不平穩(wěn)性。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，回路輸出高電平，同時(shí)向電容進(jìn)行充電，當(dāng)按鍵按下后，電源-按鍵-地的回路接通，此時(shí)該電路輸出低電平，同時(shí)電容向放電，由于按鍵的機(jī)械彈性作用，使得按鍵被按下或釋放時(shí)，會伴隨著一段時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動，然后其按鍵才穩(wěn)定下來，在觸點(diǎn)抖動的期間來檢測按鍵通斷與否的狀態(tài)，是很容易判斷出錯(cuò)的，此時(shí)電容的作用便是去抖的功能。即是在按鍵被按下時(shí)會有一段前沿抖動，這時(shí)電容的正端的電位不會突然變化，所以按鍵的抖動不會使輸出的高電平波形抖動，同理，當(dāng)按鍵被釋放時(shí)會有一段時(shí)間的后沿抖動，又因?yàn)榇藭r(shí)電容已完成放電，已經(jīng)沒有了高電位的存在，而電容兩端的電位又不會突變，所以可以是輸出電平保持低電平而不抖動。
電路中設(shè)計(jì)三個(gè)旁路電容的主要作用是濾除高頻雜波及防止抖動功能，根據(jù)旁路電容的計(jì)算原則RC=3（T/2）→C=3（T/2）/R，其中T為回路的電源周期，50HZ時(shí)，T=0.02S，R為電路的等效電阻，由于輸入電壓為+5V，電流取值為1mA,則單個(gè)回路的等效電阻為5Ω，代入計(jì)算得C=600μF，由于在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)沒有這一規(guī)格的電容，考慮到電容值越小，對高頻雜波的濾除效果更好，按5倍的規(guī)格選取旁路電容100PF。
3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
由于整車電源輸出電壓為直流+12V，且伴隨著各種工況下波動較大，而PIC芯片需要穩(wěn)定的+5V直流穩(wěn)壓電源，所以需要在80C51芯片之前設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換模塊，保證MCU正常穩(wěn)定工作，如圖3.3所示：
圖3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊電路圖設(shè)計(jì)
12V的電壓電源通過整車連線被接入設(shè)計(jì)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中三個(gè)旁路電容C31、C32、C33的作用是抑制電路中可能出現(xiàn)的自激震蕩，濾除雜波，有極性的電解電容C32濾除低頻雜波，無極性的電容C31、C33則是濾除高頻雜波的，這就填補(bǔ)了電解電容的不足。7805作為一個(gè)典型的+12V轉(zhuǎn)換+5V的封裝原件，VI為輸入端，VO為輸出端，GND表示接地。在7805的前側(cè)并聯(lián)兩個(gè)大小不同、極性不同的電容，濾除了高頻、低頻雜波，從而能得到更平滑的波形。電容值的選擇如電源設(shè)計(jì)模塊類似，C31、C33選擇100PF的電容能夠?yàn)V除高頻雜波，C32選擇一最小規(guī)格0.001PF的電容能夠更好的濾除低頻雜波。R31是一個(gè)放電電阻，其作用是當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換成功時(shí)，發(fā)光二級管D31電路導(dǎo)通，LED燈發(fā)光，標(biāo)示此時(shí)電壓轉(zhuǎn)換模塊工作正常，電壓由+12V轉(zhuǎn)換至+5V，串聯(lián)一個(gè)電阻是為了保護(hù)發(fā)光二級管。
之所以設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換模塊，是由于整車輸入的電源電壓為+12V且很不穩(wěn)定，不能直接用于PIC芯片的工作電壓，通過此電路的轉(zhuǎn)換可以為芯片提供5V的電源供電，同時(shí)12V為電機(jī)驅(qū)動模塊提供啟動電壓。這樣的設(shè)計(jì)是單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中常用的一種方法，避免了由于不同原件需要的工作電壓不同造成多個(gè)輸入的問題，將電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)集成在PIC板上，節(jié)省了更多的空間及線路連接。電路圖上的兩個(gè)模擬電壓檢測元件為Protus仿真設(shè)計(jì)軟件自帶的虛擬測量原件，是為了更方便設(shè)計(jì)者觀察電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值變化，只在仿真圖中出現(xiàn)，不制作入PCB板。
3.4電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)
電機(jī)控制模塊主要是接收MCU的控制信號，驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)，有使用繼電器控制電機(jī)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，也有使用功率智能芯片驅(qū)動電機(jī)的；目前在高端轎車上較多的使用集成功能強(qiáng)大，帶電流采樣反饋的MC33486芯片；由于本次設(shè)計(jì)旨在通過Proteus軟件對主動防夾車窗遭遇障礙物時(shí)電機(jī)的停止和反向運(yùn)動，所以采用由三極管組成的H橋式驅(qū)動電路，電路結(jié)構(gòu)如圖3.4所示：
圖3.4電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖設(shè)計(jì)
電路的工作原理是：當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，Q3，Q2截止，Q7，Q1導(dǎo)通，電機(jī)左端呈現(xiàn)高電平；當(dāng)B點(diǎn)為高電平時(shí)，Q8，Q4截止，Q6，Q5導(dǎo)通，電機(jī)右端呈現(xiàn)低電平，因此，在A為0，B為1時(shí)，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，在A為1，B為0時(shí)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；而當(dāng)A點(diǎn)和B點(diǎn)同為高電平或低電平時(shí)，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，其中電路中的電阻都起著限流作用。
3.5 主控制電路設(shè)計(jì)
主控制電路圖主要是指單片機(jī)的最小系統(tǒng)，主要包含復(fù)位電路和晶振電路在內(nèi)。51系列單片機(jī)引腳大致可以分為4類：電源、時(shí)鐘、控制、I/O；
1） 電源： VCC，芯片電源，接+5V；
VSS，接地。
2） 時(shí)鐘： XTAL1、XTAL2 晶體震蕩電路反相輸入端和輸出端。
3） 控制線:控制線共有 4 根：
ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi) EPROM 編程脈沖；
PSEN:外 ROM 讀選通信號；
RST/VPD:復(fù)位/備用電源；
EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇/片內(nèi) EPROM 編程電源
4） I/O 線： 80C51 共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 個(gè)引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號[10]。
如圖所示RST引腳給系統(tǒng)提供復(fù)位信號，當(dāng)程序出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，將會重置系統(tǒng)。，圖中X1部分為晶振，起到了提供時(shí)鐘信號的作用。其中的電容是保護(hù)信號的穩(wěn)點(diǎn)，不會產(chǎn)生干擾，VCC是由電源轉(zhuǎn)換模塊提供，設(shè)計(jì)三個(gè)LED燈電路是為了在進(jìn)行仿真運(yùn)行時(shí)更直觀的判斷電機(jī)的工作情況，當(dāng)D1燈亮?xí)r車窗處于上升狀態(tài)，D2亮?xí)r車窗處于下降狀態(tài)，D3亮?xí)r電機(jī)停止工作。
圖3.5主控制電路設(shè)計(jì)
3.6 抗干擾設(shè)計(jì)
抗干擾設(shè)計(jì)是數(shù)字電路設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)非常重要的方面，由于外部因素，內(nèi)部電路原件之間的相互作用，各種信號都會受到不同程度的干擾，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的正確穩(wěn)定運(yùn)行。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在汽車電子控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等得到了廣泛的廣泛應(yīng)用，采取的抗干擾措施如隔離、屏蔽、接地以及計(jì)算機(jī)浮空等抗干擾措施來減小干擾影響。
軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到人們的重視。在實(shí)際應(yīng)用中，軟件抗干擾研究的內(nèi)容主要是：一、采取軟件的方法消除模擬輸入信號的嗓聲(如數(shù)字濾波技術(shù))；二、由于干擾而使得程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正軌的方法如：指令冗余、軟件陷阱、軟件“看門狗”技術(shù)等。
本次設(shè)計(jì)中主要采取的抗干擾設(shè)計(jì)就是增加限位電阻、上拉電阻、增加旁路電容等措施以最大限度的減小干擾影響。
3.7 本章小結(jié)
本章通過對電動車窗防夾電路基本原理框架的建立，完成了電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、主控制模塊的設(shè)計(jì)，基本完成了整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)，為后文的軟件設(shè)計(jì)、仿真測試奠定了基礎(chǔ)。
第4章 軟件設(shè)計(jì)
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1電動車窗防夾方案實(shí)現(xiàn)
汽車電動車窗要準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)防夾功能，核心在于防夾邏輯控制，一般需要滿足以下兩個(gè)條件：
1) 準(zhǔn)確判斷是否遇到了障礙物，且要區(qū)分是在防夾區(qū)域遇到障礙物還是車窗玻璃上升到頂端后的堵轉(zhuǎn)。根據(jù)FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)，防夾力臨界值為≤100N，車窗上升過程中遇到阻力和車窗上升到最頂端遇到阻力兩種情況下電機(jī)電流增大的快慢是不一樣的，車窗上升過程中遇到阻力情況下要比車窗上升到最頂端情況下電流變化要快。因此可通過求得電流變化的斜率來區(qū)分兩種情況。當(dāng)f≥f阻力時(shí)，車窗上升過程中遇到阻力；當(dāng)0
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit K1 = P3^0; //車窗上升
sbit K2 = P3^1; //車窗下降
sbit K3 = P3^2; //模擬障礙
sbit LED1 = P0^0;
sbit LED2 = P0^1;
sbit LED3 = P0^2;
sbit MA = P1^0; //A端電壓
sbit MB = P1^1; //B端電壓
void main(void)
{
LED1 = 1;
LED2 = 1;
LED3 = 0;
while(1)
{
if(K1 == 0) //車窗上升
{
while(K1 == 0);
LED1 = 0;
LED2 = 1;
LED3 = 1;
MA = 0;
MB = 1;
}
if(K2 == 0) //車窗下降
{
while(K1 == 0);
LED1 = 1;
LED2 = 0;
LED3 = 1;
MA = 1;
MB = 0;
}
if(K3 == 0) //模擬障礙
{
while(K1 == 0);
LED1 = 1;
LED2 = 1;
LED3 = 0;
MA = 0;
MB = 0;
}
}
}