基于嵌入式系统的汽车天窗智能控制

李全民

（广东技术师范学院天河学院，510540）

基于嵌入式系统的汽车天窗智能控制

李全民

（广东技术师范学院天河学院，510540）

根据汽车电动天窗的实时自动响应性和安全性要求，基于MC9S12XS128微控制器，设计一种智能汽车电动天窗控制系统。该系统采用霍尔传感器测定天窗玻璃开关的实时位置，采用雨滴传感器检测车外的环境状态，采用空气质量传感器监测车内空气的新鲜程度的，另外选择永磁电机的负载转矩变化率作为障碍物检测判断的指标。该系统能根据不同情况自动打开和关闭汽车天窗，在关闭的过程中又具有防夹伤等功能，使用户操作更安全、便捷、舒适。

0 引言

汽车天窗在国外已有近百年的历史，已成为世界汽车文化的一部分。在国内，近年来随着人们生活水平的提高，私家车已经成为人们出行的必备交通工具。而汽车天窗作为乘用车满足舒适性的必备设备之一，也得到了突飞猛进地发展，如今大部分乘用车都配备了汽车电动天窗。传统的电动天窗主要靠继电器和触点开关来控制，在实时自动响应、舒适性和安全性等方面越来越不能满足消费者需求。随着单片机技术在汽车电子控制系统开发方面得到广泛的应用，基于嵌入式系统的单片机技术越来越多地应用于汽车天窗的智能控制。本文在以MC9S12XS128 MCU为核心的单片机基础上，进行电路设计和软件设计，最终较好完成了对汽车电动天窗的智能控制。

1 系统设计

汽车天窗智能控制系统主要包括微处理器（单片机）、传感器及天窗开关、电源模块、电机及其驱动模块等四部分。数字输入信号有：由驾驶员手动控制的天窗开关、雨滴传感器检测外面是否下雨、空气质量传感器检测车内空气的新鲜程度、霍尔传感器主要检测电机的转速及天窗所处的位置；模拟输入信号为电机的电流采样。这些信号都输入到微处理器，进行相应的计算和判断，最后由微处理器向电机发出相应的PWM信号。当手动开关打开或检测到车内空气质量不佳时，电机顺时针旋转，天窗打开；当手动开关关闭或检测到外面下雨时，电机逆时针旋转，天窗关闭；在电机逆时针旋转、天窗关闭的过程中，当驱动电机的采用电流超过阈值时，说明有障碍物，电机变为顺时针旋转以便天窗打开，这就是所谓的防夹功能；当天窗完全打开或完全关闭时，电机应自动停转，这个功能由霍尔传感器控制。如图1。

图1

2 硬件系统

硬件由包括微处理器的最小操作系统、电路板和传感器组成。

2.1 MC 9 S12XS128微控制器及其最小操作系统

MC9S12XS128微控制器是飞思卡尔16位S12X系列MCU中的一种，最高工作频率可达80MHz，使用05～16 MHz的外部晶振；具有256KB的ROM、12KB的RAM、8KB的数据Flash；8通道8位的脉冲宽度调制（PWM）；标准定时器模块（TIM），输入捕捉输出比较是16位的且有8个通道，一个位计数器是16位的且有8位精度；16通道高达12位精度的A/D采集模块；同时在中断模块方面，用户可以按各自的要求编程设计中断的优先等级，最多可以设计七个中断的优先等级。这些特点能很好地满足智能天窗控制的要求，而最小系统是MCU的工作环境，图2是本文采用的最小系统板的相关原理图。

图2

2.2 电路板设计

（1）电源模块：

汽车电源一般是12V的直流电，最小系统用的是5V电源，各种传感器用的也是5V电源。对于微处理器说，其本身功耗低，但电源的稳定性对单片机的性能发挥有着极其重要的影响。经过查找资料和实验对比，初步选择选了LM2940和MP2307两个集成电路模块，这两者都为低压差线性稳压器件，但由于MP2307稳压器具有输出可调的特性，最后我们选MP2307为单片机供电。如图3。

图3

（2）电机驱动模块：

本系统采用永磁式直流电机来驱动天窗的开闭。选择它的主要原因，是该类电机安全可靠、噪音小，同时它结构简单、体积小，是比较理想的天窗驱动电机。通过改变流过电机电枢绕组的电流的方向，可以控制电机正反转及停止，从而实现汽车天窗的开闭功能。传统汽车电动天窗主要靠继电器和触点开关来控制电流方向，本系统是用单片机输出两个PWM信号，直接控制电机的旋转速度、正反转以及停止，不用继电器和触电开关。这样不仅节省了电子元件、降低了价格，而且大大提高了汽车电动天窗控制的实时自动响应性和安全性，驾驶员和乘客的乘坐舒适性相应的就有所改善。

本系统驱动板共用2片IR2104S，共同组成了一个全桥。这个集成电路板具有逻辑电平输入和输出，因此与最小系统板的连接变得非常简单。同时该驱动集成电路还具有短路、过热、欠压保护以及转换率调整、电流检测诊断等特性。另外，为了避免由于掉电而使整个电路系统瘫痪，在驱动芯片与单片机系统之间增加了隔离保护芯片741VC245。如图4。

图4

2.3 传感器

本系统共有三个传感器：MH-RD型雨滴传感器、MQ-135型空气质量传感器、FC-33型电机马达测速传感器，这三个传感器都有数字输出，无需A/D转换，可以直接与单片机的数字端口相连接。同时选择永磁电机的负载转矩变化率作为障碍物检测判断的指标。

3 软件设计

软件主要包括初始化和自动控制两个模块，在初始化方面，PTA0-7初始化为输入端口，其中PA0与车内空气质量传感器输出连接，PA1与雨滴传感器输出连接；PTH0-3初始化为输入端口，其中PH1为天窗手动开启按钮，PH3为天窗关闭手动按钮；PTP0-7为PWM信号输出，实际使用的只有PP4和PP5两个PWM信号输出，来控制电机的转速、转反转及停止；此外，初始化单片机总线工作频率为16MHz，初始化定时器模块，PT1初始化为定时器模块输入捕捉功能。

在自动控制模块中，包括车内空气差天窗自动开启、外面下雨自动关闭和手动开启和关闭天窗；在关闭天窗过程中，自动检测是否有障碍物被夹住，有的话天窗将自动转为开启；同时，在开启和关闭天窗的过程中随时检测天窗是否完全开启和关闭，是的话电机将自动停止旋转。如图5。

4 结语

本系统采用MC9S12XS128单片机控制电机正反转和停止，以实现对汽车电动天窗在下雨和车内空气不佳情况下的自动控制，同时对天窗玻璃遇障碍防夹等方面进行了充分的考虑。实验结果表明，该系统运行平稳顺利，基本能够按照设计要求进行工作。由于采用了单片机智能控制，舍弃了传统的继电器和触电开关等元件，本系统相对于传统的汽车电动天窗控制，有可操作性强、响应速度快、反应灵敏等优点，因此有一定的市场应用价值。

图5

[1]任佳丽，李月香.汽车电动天窗控制单元的设计与实现.机械管理开发，2009/2：185-187.

[2]张志敏，陶永琴.基于嵌入式系统的智能汽车天窗的设计.电子测试，2013/9：111-113.

[3]朱勇.基于单片机控制的汽车电动车窗.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

汽车电动天窗；单片机技术；智能控制；传感器

李全民，男，工学硕士，MBA，工程师，讲师，研究方向为车辆工程

2017-09-05

2017-09-30

Automobile Power Sunroof;SCM tTchnology;Intelligent Control;Sensor