汽车车窗控制系统Word格式文档下载.docx
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[Abstract]Carincreasingpopularity,cartechnologydevelopmentmoreandmorereflectedinthecarelectronicsfield,thetraditionalautomobileelectronictechnologylimitedtocarsinsomemechanicalpartsforelectroniccontrol,controlissimple,andrelativelylargeequipment,technologyiscomparativelybackward;
Nowthecomputertechnology,networkcommunicationtechnologyandcontroltechnologyofallkindsofcarperformanceisoptimizedcontrol.Inthecarincreasethenumberofelectronicequipmentcanbettercontrolofsensor,thusimprovingcarcomfortandsafety.SomostofthemediumorseniormotorshavesystemicequipmentelectricWindowsorthedoorsystem.Thevastmajorityofthesedevicesisfullyautomatic,suchelectricWindowsordoorsequipmentlurkjammed,extrusionandmayhurtdanger.Theymustbeabletoreversemoveinordertopreventthemotorforceappliedbeyondnormallimits.Thischaracteristicmeansmustcontinuetomonitorthesizeofthecurrentandthepositionoftheglass.Windowasautosafetyisanimportantpartof,withsingle-chipmicrocomputerandsimulationtechnologyunceasingdevelopment,USESthemonolithiccontroltocontroltheWindowsupanddown,thecliphasbecomethetrendnowandputintotheapplicationofreality.Mainlythroughthecarwindowwiththechipthesizeofthecurrentonthetest,thewindowsizeandthecharacteristicsoftheelectriccurrentofcomparison,andthenjudgeoutthewindowinthemotionstate,andthusmoreprecisecontroloftheriseandfallofwindow,makecontrolmoreconvenientandsafe.
Inviewofthefunctionrequirementsofpowerwindowanti2pinchsystem,aphysicsmodelanda
second2ordercontrolmodelforthesystemaresetupwithacorrespondingparametersestimatorproposed.Then,a
powerwindowanti2pinchsystembasedonLINbusisdesignedandimplemented.Thetestresultsshowthatthepro2
posedsystemhashighadaptability,stabilityandfeasibilitywithlowcost.
Keywords:
powerwindow;
anti2pinchsystem;
filteringalgorithm
关键词：
电动车窗,防夹系统,滤波算法
目 录
第1章绪论
1.1车窗电流检测及控制的国内外研究现状
车窗系统是汽车车身重要的组成部分，它能使人们更好地介绍和保护汽车。
如今车窗功能已经成为汽车的标准功能之一，是影响购车者决定的重要因素之一，多数购车者都将车窗视为必备的舒适功能，因此汽车厂商都将其视为基础的功能之一。
迄今为止，亚太地区尤其是中国车窗控制系统已经开始了快速的发展。
现代汽车技术是人类科技和文明发展的一个缩影，包括车窗升降的防夹控制技术在内，汽车电子技术取得令人瞩目的发展，在国外普遍采用霍尔传感器来进行防夹控制，由于国内起步较晚，因此国内相关研究与国外差距较大，许多技术空白有待填补，然而我国现在正在研究的一种无霍尔传感器的自适应防夹系统，若研制成功将开创国际上在汽车车窗防夹部分的先河。
由于汽车的普及，人们生活的提高，车窗的人性化设置成为人们选汽车的一个着重考虑因素，因此防夹技术拥有广阔的发展前景。
1.2汽车防夹的算法介绍
所谓防夹，就是指在电动车窗上升过程中夹住物体并达到一定力度后，让电动车窗自动停止并反向回落一定的高度，用以防止物体（尤其是人体）被夹伤。
车窗的升降过程中，只有车窗上升阶段需要进行防夹控制，所定义的防夹区为从离电动车窗玻璃无障碍上升运动的最大位置（顶端）4～200mm的区域。
只有在防夹区域才启动防夹功能。
所以首先我们应先确定车窗玻璃的位置是否到达了防夹区域。
这里介绍采用霍尔传感器来判断的算法。
车窗的升降是靠电机旋转来完成的，因此，车窗的移动位置是和电机转的圈数成正比的，电机的转子转一圈会使霍尔传感器发出一个脉冲信号送入计数器累加，每次当车窗降到底部时要将计数器清零，我们先将车窗从底部升到顶部，如此反复五次，求出车窗从底部上升至顶部霍尔传感器发出的脉冲数的平均值，进一步确定在距离上的防夹区域所对应的霍尔传感器的脉冲数的范围放入寄存器出起来以便比较判断，当有升降按键被按下，先判断出被按下的是否是上升的按键，如果是上升，则查询计数器中记录的脉冲数，取出寄存器中防夹区的脉冲数进行比较，这样就确定出了车窗的位置。
我们应该设定一个电流的阀值，用来判断车窗在上升的过程中是否遇到了障碍物，因为当上升的车窗遇到障碍物时，由于阻力的作用，会使车窗电机电流相应的增大，从而方便了我们进行判断，这种刚开始启动的状态下，还应该要注意到一个问题，那就是车窗电机在启动的那一瞬间电流也是很大的，可达到平时正常运行状态下的6倍，因此很可能会因此而引起误判断，认为此时的车窗遇到了障碍物从而引起芯片产生错误的指令使车窗误动作，为解决这一问题，需要在按键被按下后电机启动后再延时一段时间，使启动电流得以平复。
1.3论文研究的内容和意义
本论文主要内容是检测车窗电机电流的大小，由此判断出车窗目前的运行状态，从而对车窗进行控制。
第一个技术指标为需要有过流响应，当车窗到底或者到顶时电机此时的运行状态相当于堵转，电流会增大，主控芯片要能检测出来并对电流大小进行判断，从而是电机停止运行。
第二个技术指标为要有防夹的功能，当车窗在上升的过程中在升至一定的高度范围遇到障碍物（尤其是人的手指）则可能会将其夹伤，为此，人性化的考虑，则应该在车窗碰到障碍物时电流变大的瞬间就能发现并经过比较判断时电机反转一定的高度再停下。
此项研究符合生活实际意义，顺应汽车的发展和消费的需求，对车窗电流的检测要求也越来越高，实时性很重要，同时由电流大小所判断完成的功能也越来越多，在原来只控制启停的基础上加上了防夹等功能，所以电流检测值得加以研究。
第2章
汽车车窗简介
2.1汽车电动车窗的组成与类型
所谓电动车窗，一般是指其玻璃升降器能自动升、降门窗玻璃，即使在行车过程中也能方便地开、关门窗。
所以电动车窗又叫自动车窗，过去仅装在高级轿车上，而在现代轿车上己被普遍采用。
电动车窗系统是通过开关操作开闭车窗的系统，当电动车窗开关操作时，电动车窗电动机旋转，车窗开闭调节器（图2一l）把电动车窗电动机的旋转运动转换成上下运动打开或关闭车窗。
图2一1电动门窗
2.1.1电动车窗的组成
汽车电动车窗主要由升降控制开关、电动机、升降机构和继电器等组成，它是利用开关控制电动机的电流方向，实现车窗的升（关）降（开）。
车窗电动机都是双向的，分永磁式和双绕组串励式两类。
永磁式直流电动机是通过改变输入电枢绕组的电流方向使电动机以不同的方向旋转。
双绕组串励式直流电动机有两个绕向相反的磁场绕组，一个称为上升绕组，另一个称为下降绕组，通电后产生相反方向的磁场，即可改变电动机的旋转方向。
一般使用双向永磁绕线（双绕组串联）式电动机。
每个车窗都有一个电动机，是一种不直接接地型电动机。
为防止电路过载，电动车窗电路有一个或多个热敏开关，以免电动机因超载而烧坏。
热敏开关为双金属结构，当电动机电路电流过大时，双金属片受热，产生弯曲变形，使触点打开，切断电路；
当电路断开后，双金属片冷却，变形消失，触点再次闭合。
如此重复开闭，使电动机的平均电流不超过规定值，从而确保电动机不致过载烧坏。
有的车上还设有延时开关，可在点火开关断开后约10min内或车门打开以前，电动车窗仍接通电源，使驾驶员或乘客仍可操纵控制开关关闭车窗。
所有电动车窗都有两套控制装置，一套为总开关，可由驾驶员通过总控制开关操纵四个车窗的升降；
另一套为分开关，分别装在每个车窗中部，可由乘客操纵身边车窗的升降。
总开关和分开关互不干涉，均可独立控制。
第3章汽车电动车窗的组成与类型
3.1系统的总体框图
本设计为车窗电流检测系统，完成的功能有控制车窗的升降并起到防夹的功能，硬件总体分为按键部分、电压转换部分、PIC的最小系统、控制电机部分、电机电流采样部分和霍尔传感器计数部分。
总体框图如下所示：
图3.1电流检测系统的总体框图
如图所示,当采样到按钮信号或由上位机通过LIN发过来的控制指令时,MCU被唤醒,调入电机控制程序。
电机控制车窗运行有两种模式——上升或下降。
在每一种模式执行过程中,如果采集到由按钮发出的执行反方向运行信号时,程序控制电机立即切换到另一种运行模式。
在上升模式中,有两种情况使得电机发生堵转,即玻璃上升置顶和上升过程中遭遇防夹力,这两种情况的区别判断主要是电机驱动车窗上边缘至窗顶距离d是否位于4mm处。
当d≥4mm时,程序调用防夹函数,否则停止电机运转。
在下降模式中,阻力主要来自车窗运行至底部的阻挡力,所以直接停止电机即可。
由于本设计硬件中的电容涉及到了有极性电容，先来简单的介绍一下有极性电容和无极性电容之间的区别。
1、原理上相同。
（1）都是存储电荷和释放电荷；
（2）极板上的电压（这里把电荷积累的电动势叫电压）不能突变。
（3）区别在于介质的不同、性能不同、容量不同、结构不同致使用环境和用途也不同。
反过来讲，人们根据生产实践需要，实验制造了各种功能的电容器来满足各种电器的正常运行和新设备的运转。
随着科学技术的发展和新材料的发掘，更优质、多样化的电容器会不断涌现。
2、介质不同。
3、性能不同。
4、容量不同。
前面已经讲过同体积的电容器介质不同容量不等5、结构不同。
6、使用环境和用途。
3.2系统的各部分硬件结构
（1）按键部分
图3.2按键的硬件电路图
按键为开启车窗动作的起始信号输入，由于PIC芯片的电压最高为5V，所以按键的电源为5V，PIC芯片的RA口有I/O的功能，所以按键通过RA2、RA3进入PIC芯片，使得车窗电机回路被接通，车窗进行动作，通过程序判断，进一步来控制车窗电机的转停。
图中C5、C6电容的作用是硬件去抖，当按键没有被按下时，该电路输出是高电平，同时向电容进行充电，使得电容具有了高低电位端，当按键被按下后，该电路输出是低电平，这是由于按键的按下，使得电源—电阻—按键—地回路接通，同时电容—按键使得电容开始放电，此时按键相当于一条导线，使得输出点的电位变为零，这里由于按键的机械弹性作用，使得按键被按下或释放时，会伴随着一段时间的触点机械抖动，然后其按键才稳定下来，在触点抖动的期间来检测按键通断与否的状态，是很容易判断出错的，此时电容的作用便是去抖的功能。
即是在按键被按下时会有一段前沿抖动，这时电容的正端的电位不会突然变化，所以按键的抖动不会使输出的高电平波形抖动，同理，当按键被释放时会有一段时间的后沿抖动，又因为此时电容已完成放电，已经没有了高电位的存在，而电容两端的电位又不会突变，所以可以是输出电平保持低电平而不抖动。
（2）电压转换电路
图3.3电压转换电路
P2为电源的接口，将12V的电压接入该电路进行电压转换，电容C8、C9、C10为旁路电容，作用是抑制电路中可能出现的自激震荡，滤除杂波，有极性的电解电容滤除低频杂波，无极性的电容则是滤除高频杂波的，这就填补了电解电容的不足，在7805的前侧之所以并联两个大小不同的电容，从而能得到更平滑的波形。
至于电容的大小选择则是由电容所能承受的电压大小，电路输出的电流大小来决定的，基本上大点没有太大的影响。
R12是放电电阻作用是使得输出的电流能够是二极管发光，当二极管发光时证明这个电压转换电路是导通的，标志这电压由12V成功的转换到了5V。
此电路是为主电路做辅助的，为芯片提供5V的电源供电，同时12V为继电器提供启动电压，这就使得虽然板子上只有一种大小的电源输入，通过这个电压转换电路却可以得出另外大小不同的电压值作为新的供电电源，避免了电源型号的杂多给实际的设计和应用带来不便。
（3）霍尔计数部分
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。
利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。
其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
霍尔电流传感器工作原理，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。
图3.4霍尔计数部分
此图为霍尔元件计数部分的原理图，P1为接口，其中电容起抑制干扰的作用，电阻为限流电阻，霍尔元件发出的脉冲接在PIC16F877的RC0引脚上，是因为RC0是TMR1计数器的外部输入引脚，通过此引脚，可以将脉冲的个数记录进TMR1从而由软件可以判断出车窗的具体位置。
计数器TMR1的内部原理图如下图所示，RC0引脚即是图上所示的T1OSO外部引脚，通过设置T1CON控制寄存器使TMR1工作在所需的状态。
图3.5TMR1的内部结构
（4）PIC最小系统
图3.6PIC最小系统
PIC芯片的最小系统包括它的复位电路和晶振电路在内，PIC单片机有4中晶振方式可供选择，震荡方式经配置寄存器CONFIG的FOSC1，FOSC0位进行选择，并在EPROM编程时写入。
C1、C2在允许的范围内值越低越好。
3.7振荡器类型选择
RC振荡适合于对时间精度要求不高的低成本应用。
RC振荡频率随着电源电压VDD，RC值及工作环境温度的变化而变化。
同时由于工艺参数的差异，对不同芯片其振荡器频率将不同。
另外，当外接电容CEXT值较小时，对振荡器频率的影响更大，当然，我们也应考虑电阻电容本身的容差对振荡器频率的影响。
图3.8RC震荡电路
图3.8所示的是RC振荡电路，如果REXT低于2.2KΩ，振荡器将处于不稳定工作状态，甚至停振。
而REXT大于1M时，振荡器又易受噪声、湿度、漏电流的干扰。
因此，电阻REXT取值最好在3KΩ~100KΩ范围内。
在不接外部电容时，振荡器可工作，但为了抗干扰及保证稳定性，建议接一20PF以上的电容。
PIC单片机片内有一4分频电路，从OSC1/CLKIN引脚输入或RC振荡器产生的振荡频率FOSC经4分频后从OSC2/CLKOUT引脚输出4分频信号，该信号可用于测试或作为其它逻辑电路的同步信号。
图3.9下载接口
这是PIC芯片的程序下载接口，1脚接PIC16F877A的第一个引脚，，2脚接5V电源，3脚接地，4、5脚分别接芯片的RB6、RB7引脚，因为PIC16F877A的RB6、RB7引脚即是芯片的程序写入引脚，其芯片引脚如下图所示，正是PGC和PGD引脚。
图3.10PIC16F877A的引脚图
（5）控制电机正反转电路
图3.11控制电机正反转电路
此图是继电器控制回路，由芯片RB1、RB2引脚输出信号分别控制电机的正反转，当两个引脚都无信号输出时，电机是停止的。
当RB2输出高电平信号时是二极管Q1得到开启信号，其中R4是限流电阻，R5是下拉电阻，减少外部电流对二极管的干扰，防止产生误动作。
当Q1被接通了，则+5V—Q1—U1的发光二极管这一条路被接通，当发光二极管发出的光足够强又不至于被烧毁时，此时根据实际需要我们可以选定R6为500Ω，当U1被触发了便使得12V的继电器回路被接通，是继电器动作。
其中与继电器方向并接的二极管起到了续流回路的作用，原因是当继电器被关断的瞬间，由于继电器中的线圈的电感作用会在一瞬间产生较大流向U1的电流，由于D1的导通阻值非常小，当出现此电流时D1便导通使电流不至于流向U1而使U1损害，起到了保护作用。
RB1控制的电路工作原理亦是如此。
由图3.14我们可以看出当继电器不接通时K1开关处于常闭状态，此时一端连接电机，另一端是通过一个精确的采样电阻而接地的，所以电机没有电源，此时是处于静止状态，而当继电器被接通，线圈吸合开关，从而使K1打到另一个位置，使12V与电机接通，从而启动电机正转。
反转亦然只是由RB1控制。
MP、MN分别接电机的两端，所以当一端动作接12V时，另一端必然是连着采样电阻Rs接地的，从而组成通路并且无论正反转采样电阻都在电机的回路里，保证了对电流采样的精确性，这里在选取Rs的阻值时应考虑到芯片的承受电压不可超出5V，而采样的电流转换成电压是是要送进芯片的，因此阻值在此最好不要超过1Ω，电阻R10是限流电阻，D3是5V稳压管，在此起到保护芯片的作用，当采样到的电流转换成电压时若超过5V则会使D3被反向导通，从而将输进芯片的信号导入地。
采样的电流信号是接到芯片的RA0引脚，直接送进芯片，虽然芯片是处理不了模拟量地，但是电路图中确实没有接A/D转换芯片的，这是因为PIC16F877A芯片是自带ADC转换功能的，这里简单介绍一下。
芯片自带了8个具有ADC转换功能的输入口，正如图3.12所示分别是RA0、RA1、RA2、RA3、RA4、RE0、RE1和RE2，所以将模拟信号接入RA0是可以不接外部A/D转换电路的。
而芯片自带的A/D转换原理是逐次逼近型的ADC，转换速度快，精度高。
逐次逼近型ADC是由采样保持电路、电压比较器、逐次逼近寄存器、数/模转换器DAC和锁存器等部分组成。
内部结构图如下图所示。
图3.12ADC的内部电路
第4章软件设计
4.1软件流程图
图4.1整体流程图
图4.1即是整个程序的简化流程图，其中芯片初始化、电流的检测和防夹保护都是由具体不同的步骤，在程序中能体现出。
在程序中会有注释，将驱动程序的过程视觉化，简单化。
下面分别给出了初始化的流程图和滤波算法的流程图。
图4.2芯片初始化
图4.3带有返回值的电流滤波算法
第5章车窗控制软硬件的调试
5.1硬件的检测
通电后，我们用万用表对每个元件的压降进行读取，首先在上电后当电压转换电路中接的发光二极管被点亮了，可由此判断电压转换电路是正常工作的，将外接的12V电源转换成了5V，这样的情况下，我们先用万用表从按键开始检测。
当按键两脚间的电压在4.8V左右时表示按键是正确的，此时我们顺着测芯片的引脚，当芯片的引脚也是大于3V时我们认为此条路的电器和物理上都是正确的，这是因为按键在没有按下时是高电平输入芯片；
而如果我们测到引脚的电压低于3V，那么我们可以得出此时这条路仍是接通的，但是输出的电压由于太低，却会使芯片将其判断为低电平，从而使按键失去了控制作用，那么问题出在我们在这条路上串联的限流电阻阻值太大了或者说与按键并联的电容太小了，使得分压太少，那么此时我们有两种办法来解决，一个是将串联电阻减小，另一个是将电容变大；
如果芯片的引脚显示的是零，那么很明确这条路是错误的，不然是断路，不然就是接地了，需要我们将这条路从新再连接。
接下去测芯片的输出引脚，显示为零，则说明芯片焊接正确，这时就需要将芯片安进底座，进行软件的调试。
首先打开MPLAB软件，将编好的程序进行编译，当显示无错误无警告编译成功后，将下载器ICD3插入电脑，在program中选择Selectprogram最后选择下载器类型为ICD3，同时还需要设置一些参数，将芯片类型确定，这时将会在output窗口显示出对下载器和芯片连接的情况，当芯片的地址被检查出来后，说明此时下载器和芯片完成了正确
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