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1、无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书（论文）智能化车窗升降控制器的设计摘要：单片微处理器又称单片机，它是将计算机的中央处理器、输入输出接口、存储器、计数器/定时器等多个功能部件集成在一块芯片里，是具有完整计算机功能的大规模集成电路。与计算机相比，它具有更好的性价比和实时处理能力，而且体积小，抗干扰能力强，容易嵌入产品内部，成为产品的一个元件，从而使这类产品具有智能化的特征。由于单片机面向控制，它是过程控制的核心，所以单片机又称为嵌入式微控制器。关键词：智能 控制系统 车窗 温度1引言近年来随着我国汽车行业的迅速发展，汽车电子市场迅速扩大，整个市场以超过40的比例快速增长，其中车身电子产
2、品占到整个汽车电子产品的3540。在目前，车身电子的热点应用排名前三的是车载空调、车窗控制和车灯控制。在车身电子中，对半导体需求量排列前三位的应用领域分别是：车载空调，约占44；车窗控制，约占22；车灯控制，约占10，第四位是电动车门控制。根据汽车电子专业调研公司的数据，去年中国汽车市场车身电子的半导体器件需求量约为19亿美元，而中国本地设计的比例大约为1015之间，预计未来几年这一比例将会迅速增长。如上所述，车窗控制产品已成为车身电子产品重要的组成部分。随着汽车的普及，人们对汽车的安全性方面也越来越重视。在车窗控制系统中，汽车电动车窗具备防夹功能成为系统的必需要求。这样当车窗上升遇到障碍物(
3、如手、头等)时可以自动后退到底，从而可以避免事故的发生，车窗防夹功能对汽车的安全性能而言是一种十分人性化的设计。一般在驾驶员高速行驶过程中，如果手动控制车窗升降速度，则会使驾驶员分心，很有可能在调控车窗时发生安全事故，故汽车高速行驶过程中一般采用车窗自动升降。而在车窗自动升降过程中，如果车内外温度反差过大则会在车窗开关得过程中产生过大气流，从而影响到汽车的稳定性，同时也会引起人体的不适，导致安全事故的发生。由此可见，温度因素是影响驾驶员身体不适、导致安全事故的重要原因。基于以上原因，本课题在温差控制方面作出了改进，使得车窗系统更智能化和人性化。2总体方案设计21方案一：基于LIN总线控制系统车
4、载网络可分为驱动网络和舒适网络。一般CAN协议用于驱动网络，而LIN协议用于舒适网络。相对于开发高速CAN网络的所需要的成本，LIN网络更适合用于性能要求不高的舒适网络，于是在车门，车窗，车灯等部件中，引入了LIN总线，这样既能满足系统运行的正常需要，又能使整车成本得以减少。此次车窗控制系统总体框架图如图1所示：当驾驶员按下车窗按键开关时，车速传感器将信号传到微控制器，如果车速超过设定的限定车速时，通过温度传感器测得车内外温度，再由A/D转换电路将温度数据传到微控制器，使用新的车窗控制算法控制车窗电机智能实现车窗升降器的升降。在车窗升降过程中，智能功率驱动器件MC33486通过监测电机的电流变
5、化，通过相关的防夹算法实现车窗的防夹功能，实现了车窗系统的智能化控制过程，提高了驾驶员行车过程中的安全性和舒适性。在本次设计中，车窗控制系统采用了LIN总线协议构建了车窗LIN总线网络，并使用了最新的LIN v21协议规范。22方案二：功能独立的模块化车窗升降控制系统DCK103型电子车窗控制器内部由单片机、电流检测电路、输入输出接口电路、电源电路等组成。将这些组成电路的元器件焊装在一块印刷电路板上，并封装于防水、阻燃的塑料外壳内，就构成了一个智能型的电子控制器。它通过引线与汽车线路相连接实现对门窗电动机的各种控制，3分电路设计和论证31电源模块设计目前汽车内的蓄电池电源通常都是直流+12V，
6、汽车内很多电子设备需要依靠它来供电，比如电子打火器，各类电子仪表，自动车窗等，虽然是蓄电池，仍难以保证其稳定输出。车载网络中主要用到两种电源：+12V、+5V，+12V的电压主要是为电机驱动供电，+5V的电压则是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行+12V到+5V的转换，而且车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压1161。电源电路采用了LM2576稳压电源电路芯片，对+12V转+5V供电电路可以参考图3电路。在稳压芯片LM2576瞬间停止输出时，由电感给电路供电，此时稳压二极管1N5822作为回路的一部分，可以承受更大的电流，起到反向保护的作用。图中的电容C6和C7选用电解电容，可以有效滤
7、除高低频干扰。这样设计的输出电压就是一个抗干扰能力很强的电源供应了。因微控制器PICl8F25J10需+33V电源供应才能正常工作，而图2中，由蓄电池电源转化而来的电源电压是+5V，所以在此基础上使用了AMSlll7线性器件作为转换芯片产生CPU所需的+33V核心电压，图2是+5V转+33V电源转换电路。其中电容和图1中电容所起的作用一致。32电机驱动模块设计电机驱动模块的合理设计，主要在于调节步进电机程序的启动频率。这是启动频率的极限，实际使用时，只要启动频率小于或等于这个极限值，步进电动机就可以直接带动负载启动了。利用单片机控制步进电机的控制系统如图4所示：合理地选用步进电动机是相当重要的
8、，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。节拍通电相控制模块正转反转二进制十六进制16A0000000101H25AB0000001103H34B0000001002H43BC0000011006H52C0000010004H61CA0000010105H表1步进电动机的工作方式和一般电动机不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。目前采用的功率步进电动机有3相、4相、5相和6相等。工作方式有单m拍、双m拍、3m拍及2
9、*m拍等。一般情况，电机的相数越多，工作方式越多。本案采用的是3相6拍步进电机控制程序，如表1。 车窗电机一般采用供电电压1115 V，工作电流不大于15 A，堵转电流不大于28 A的永磁直流电机，需要的电机功率较大并伴有冲击电流的正反相控制要求。智能功率芯片MC33486是飞思卡尔半导体公司生产的专用于车身电子的电机驱动芯片，该芯片可外接两个MOSFET管(这里选用P60N06，能够输出较大的工作电流驱动电机)组成一个H桥来实现电机的双向控制。其正常工作温度范围在400C到1500C，正常连续输出电流最大达到10 A，直流输入电压范围为828 V，而且当电压高于28 V时具有过压保护功能。它
10、能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机AD采样模块得到电机电流值，从而完成电机的双向控制和实现车窗防夹功能，达到了车窗电机驱动模块的设计要求。其电路图如图4所示。电机控制原理如下：初始状态中，GLSl和GLS2都同时置高电平或低电平，OUTl和OUT2一直保持高电平。当U6中的栅极为低电平且U7的栅极为高电平时，直流电机正转，车窗上升；反之，当U6中的栅极为高电平且U7的栅极为低电平时，直流电机反转，车窗下降，这样就足以完成永磁直流电机的正反相控制要求。除此之外，飞思卡尔的功率芯片MC33486还具有负载电流的线性复制功能，CurR输出电流和负载电流成线性比例，CurR输出电流再通过采样电阻和
11、限流电阻把电流转化为电压输入到单片机的采样端。电压进行A/D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗上升过程、下降过程、上升遇到阻力过程中经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电流变化都可以通过电流采样实时地反映到单片机中。33温度传感器模块设计ICL7135是高精度4.5位CMOS双积分型A/D转换器，提供-20000+20000的计数分辨率。具有双极性高阻抗差动输入、自动调0、自动极性、超量程判别和输出为动态扫描BCD码等功能。ICL7135对外提供6个输入、输出控制信号，因此除用于数字电压表外，还能与异步接收器/发送
12、器、微处理器或其他控制电路连接使用。ICL7135一次A/D转换周期分为4个阶段：自动调0、基准点呀反积分和积分回。1） 自动调0阶段，至少需要9800个市中周期。此阶段外部模拟输入通过电子开关将内 部断开，而模拟公共端介入内部并对外接调0电容充电，以补偿缓冲放大器、积分放大器、比较放大器的电压偏移。2） 信号积分阶段，需要10000个时钟周期。调0电路断开，外部差动模拟信号介入进行积分，积分器电容充电电压正比于外部信号电压和积分时间。此阶段信号极性也被确定。3） 反向积分阶段，最大需要20001个时钟周期。积分器街道参考电压端进行反向积分，比较器过0时锁定计数器打的计数值，它与外接模拟输入V
13、IN外接参考电压VREF的关系为：计数值=10000*VIN/VREF即若能获取该计数值即可求出输入电压，得到A/D结果。4） 0积分（放电）阶段，一般持续100200个脉冲周期，使积分器电容放电。当超量程时，放电时间增加到6200个脉冲周期以确保下次测量开始时，电容完全放电。在汽车电子系统中，经过电模块的电压转换，将12V的电压5V电压，时钟频率为120kHz时，则每秒可以转换3次，在本案中的温度信号转换的模块如图6所示。一般情况下，我们都是通过查询ICL7135的位选引脚而读取BCD码得方法并行采集ICL7135的数据，该方法占有大量单片机I/O资源，软件上也耗费较大。在本案中所采用的是利
14、用BUSY引脚1线串行方式读取ICL7135的方法：如图7所示，在信号积分T1开始时，ICL7135的BUSY信号先跳高并一直保持高电平，直到T2结束是才跳回低电平。在满量程情况下，这个区域中的最多脉冲个数为30002个。其中去积分T2时间的脉冲个数反应了转换结果，这样将整个T1+T2的BUSY区间计数值减去10001即是转换结果，最大到20001.按照“计数值=10000*VIN/VRE”可得：计数值*VREF/10000=VIN参考电压VREF设计为1V，上式在使用时一般不除以10000，而是将输入电压VIN的分辨率直接定义到0.1V。两线接口设计如下：1）125kHz ICL7135S时
15、钟的产生：为了简化电路设计和产生精确的125kHz方波，采用ATmega16作为系统核心，并以外部8MHz晶振作为系统时钟源，通过设定定时器T0使外部OC0产生125kHz的PWM方波。2）读取BUSY高电平时，即积分期间的总计数次数。采用AVR定时器T1的ICP功能，将ICP引脚连至BUSY引脚。通过记录BUSY引脚的上升下降沿时刻计算积分期间的总计数，当定时器T1的技术频率也选择为125kHz。身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。由于其工作条不象发动机和底盘那么恶劣，一般工业用传感器稍加改进就可以应用。主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全系统中的加速度传感器；用于门锁控制中的车速传感器；用于亮度自动控制中的光传感器；用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器；用于保持车距的距离传感器：用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。针对汽车内温度变化大，电磁干扰严重等十分恶劣的环境，选用了温度传感器LM335A，其正常工作温度在-400C N+loooC,具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，集成了传感电路和信号调理电路，且器件输出电压与摄氏温度成正比。因而从使用角度来说，LM335A与用开尔文标
