基于嵌入式系統的汽車天窗智能控制

李全民

（廣東技術師范學院天河學院，510540）

基于嵌入式系統的汽車天窗智能控制

李全民

（廣東技術師范學院天河學院，510540）

根據汽車電動天窗的實時自動響應性和安全性要求，基于MC9S12XS128微控制器，設計一種智能汽車電動天窗控制系統。該系統采用霍爾傳感器測定天窗玻璃開關的實時位置，采用雨滴傳感器檢測車外的環境狀態，采用空氣質量傳感器監測車內空氣的新鮮程度的，另外選擇永磁電機的負載轉矩變化率作為障礙物檢測判斷的指標。該系統能根據不同情況自動打開和關閉汽車天窗，在關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

汽車天窗在國外已有近百年的歷史，已成為世界汽車文化的一部分。在國內，近年來隨著人們生活水平的提高，私家車已經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備之一，也得到了突飛猛進地發展，如今大部分乘用車都配備了汽車電動天窗。傳統的電動天窗主要靠繼電器和觸點開關來控制，在實時自動響應、舒適性和安全性等方面越來越不能滿足消費者需求。隨著單片機技術在汽車電子控制系統開發方面得到廣泛的應用，基于嵌入式系統的單片機技術越來越多地應用于汽車天窗的智能控制。本文在以MC9S12XS128 MCU為核心的單片機基礎上，進行電路設計和軟件設計，最終較好完成了對汽車電動天窗的智能控制。

1 系統設計

汽車天窗智能控制系統主要包括微處理器（單片機）、傳感器及天窗開關、電源模塊、電機及其驅動模塊等四部分。數字輸入信號有：由駕駛員手動控制的天窗開關、雨滴傳感器檢測外面是否下雨、空氣質量傳感器檢測車內空氣的新鮮程度、霍爾傳感器主要檢測電機的轉速及天窗所處的位置；模擬輸入信號為電機的電流采樣。這些信號都輸入到微處理器，進行相應的計算和判斷，最后由微處理器向電機發出相應的PWM信號。當手動開關打開或檢測到車內空氣質量不佳時，電機順時針旋轉，天窗打開；當手動開關關閉或檢測到外面下雨時，電機逆時針旋轉，天窗關閉；在電機逆時針旋轉、天窗關閉的過程中，當驅動電機的采用電流超過閾值時，說明有障礙物，電機變為順時針旋轉以便天窗打開，這就是所謂的防夾功能；當天窗完全打開或完全關閉時，電機應自動停轉，這個功能由霍爾傳感器控制。如圖1。

圖1

2 硬件系統

硬件由包括微處理器的最小操作系統、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

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80MHz，使用05～16 MHz的外部晶振；具有256KB的ROM、12KB的RAM、8KB的數據Flash；8通道8位的脈沖寬度調制（PWM）；標準定時器模塊（TIM），輸入捕捉輸出比較是16位的且有8個通道，一個位計數器是16位的且有8位精度；16通道高達12位精度的A/D采集模塊；同時在中斷模塊方面，用戶可以按各自的要求編程設計中斷的優先等級，最多可以設計七個中斷的優先等級。這些特點能很好地滿足智能天窗控制的要求，而最小系統是MCU的工作環境，圖2是本文采用的最小系統板的相關原理圖。

圖2

2.2 電路板設計

（1）電源模塊：

汽車電源一般是12V的直流電，最小系統用的是5V電源，各種傳感器用的也是5V電源。對于微處理器說，其本身功耗低，但電源的穩定性對單片機的性能發揮有著極其重要的影響。經過查找資料和實驗對比，初步選擇選了LM2940和MP2307兩個集成電路模塊，這兩者都為低壓差線性穩壓器件，但由于MP2307穩壓器具有輸出可調的特性，最后我們選MP2307為單片機供電。如圖3。

圖3

（2）電機驅動模塊：

本系統采用永磁式直流電機來驅動天窗的開閉。選擇它的主要原因，是該類電機安全可靠、噪音小，同時它結構簡單、體積小，是比較理想的天窗驅動電機。通過改變流過電機電樞繞組的電流的方向，可以控制電機正反轉及停止，從而實現汽車天窗的開閉功能。傳統汽車電動天窗主要靠繼電器和觸點開關來控制電流方向，本系統是用單片機輸出兩個PWM信號，直接控制電機的旋轉速度、正反轉以及停止，不用繼電器和觸電開關。這樣不僅節省了電子元件、降低了價格，而且大大提高了汽車電動天窗控制的實時自動響應性和安全性，駕駛員和乘客的乘坐舒適性相應的就有所改善。

本系統驅動板共用2片IR2104S，共同組成了一個全橋。這個集成電路板具有邏輯電平輸入和輸出，因此與最小系統板的連接變得非常簡單。同時該驅動集成電路還具有短路、過熱、欠壓保護以及轉換率調整、電流檢測診斷等特性。另外，為了避免由于掉電而使整個電路系統癱瘓，在驅動芯片與單片機系統之間增加了隔離保護芯片741VC245。如圖4。

圖4

2.3 傳感器

本系統共有三個傳感器：MH-RD型雨滴傳感器、MQ-135型空氣質量傳感器、FC-33型電機馬達測速傳感器，這三個傳感器都有數字輸出，無需A/D轉換，可以直接與單片機的數字端口相連接。同時選擇永磁電機的負載轉矩變化率作為障礙物檢測判斷的指標。

3 軟件設計

軟件主要包括初始化和自動控制兩個模塊，在初始化方面，PTA0-7初始化為輸入端口，其中PA0與車內空氣質量傳感器輸出連接，PA1與雨滴傳感器輸出連接；PTH0-3初始化為輸入端口，其中PH1為天窗手動開啟按鈕，PH3為天窗關閉手動按鈕；PTP0-7為PWM信號輸出，實際使用的只有PP4和PP5兩個PWM信號輸出，來控制電機的轉速、轉反轉及停止；此外，初始化單片機總線工作頻率為16MHz，初始化定時器模塊，PT1初始化為定時器模塊輸入捕捉功能。

在自動控制模塊中，包括車內空氣差天窗自動開啟、外面下雨自動關閉和手動開啟和關閉天窗；在關閉天窗過程中，自動檢測是否有障礙物被夾住，有的話天窗將自動轉為開啟；同時，在開啟和關閉天窗的過程中隨時檢測天窗是否完全開啟和關閉，是的話電機將自動停止旋轉。如圖5。

4 結語

本系統采用MC9S12XS128單片機控制電機正反轉和停止，以實現對汽車電動天窗在下雨和車內空氣不佳情況下的自動控制，同時對天窗玻璃遇障礙防夾等方面進行了充分的考慮。實驗結果表明，該系統運行平穩順利，基本能夠按照設計要求進行工作。由于采用了單片機智能控制，舍棄了傳統的繼電器和觸電開關等元件，本系統相對于傳統的汽車電動天窗控制，有可操作性強、響應速度快、反應靈敏等優點，因此有一定的市場應用價值。

圖5

[1]任佳麗，李月香.汽車電動天窗控制單元的設計與實現.機械管理開發，2009/2：185-187.

[2]張志敏，陶永琴.基于嵌入式系統的智能汽車天窗的設計.電子測試，2013/9：111-113.

[3]朱勇.基于單片機控制的汽車電動車窗.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

汽車電動天窗；單片機技術；智能控制；傳感器

李全民，男，工學碩士，MBA，工程師，講師，研究方向為車輛工程

2017-09-05

2017-09-30

Automobile Power Sunroof;SCM tTchnology;Intelligent Control;Sensor