汽車電動(dòng)座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

0引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車座椅的舒適性要求也越來(lái)越高，要求對(duì)汽車座椅地調(diào)節(jié)能夠更加簡(jiǎn)單、方便、快捷。目前，汽車座椅位置的調(diào)節(jié)多采用基于手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的機(jī)械和電動(dòng)控制兩種方式。汽車座椅位置的調(diào)節(jié)主要有三個(gè)方向，即高度調(diào)節(jié)、水平位置調(diào)節(jié)以及座椅靠背傾角的調(diào)節(jié)。

對(duì)于家庭使用的汽車，往往由多個(gè)成員駕駛同一輛汽車；當(dāng)不同的駕駛者坐在同一個(gè)座椅時(shí)，由于個(gè)人的身體差異，所需要的汽車座椅的位置各不相同，需經(jīng)常調(diào)節(jié)座椅位置；而目前的大部分汽車座椅沒有記憶功能，使同一個(gè)人在不同的時(shí)間駕駛汽車時(shí)，汽車座椅的位置可能被其他成員改變，而需重新調(diào)節(jié)座椅各個(gè)方向位置，比較繁瑣。

座椅在汽車內(nèi)安裝時(shí)，由于不同汽車的內(nèi)部空間不相同，座椅在各方向所能移動(dòng)的位置極限也不同；汽車電動(dòng)座椅在電動(dòng)機(jī)牽引下移動(dòng)，而目前汽車電動(dòng)座椅不能自動(dòng)測(cè)量安裝的極限位置，座椅很容易在到達(dá)極限位置時(shí)仍繼續(xù)運(yùn)行，容易使電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)而燒毀。

文中提供一種具有自動(dòng)測(cè)量和記憶功能的汽車電動(dòng)座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1系統(tǒng)基本工作原理

汽車自動(dòng)座椅結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，座椅由4個(gè)直流電機(jī)牽引，其中高度調(diào)節(jié)電機(jī)2個(gè)，水平調(diào)節(jié)和靠背調(diào)節(jié)電機(jī)各1個(gè)；直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓為12V，電源從汽車電瓶上獲得。汽車座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)由內(nèi)部帶有非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的C8051F311單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及操作手柄構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和座椅的位置信息由安裝在電機(jī)上的霍爾傳感器檢測(cè)，經(jīng)整形和放大后送入單片機(jī)，構(gòu)成系統(tǒng)的速度反饋。

汽車電動(dòng)座椅是在傳統(tǒng)的汽車座椅上安裝直流電動(dòng)機(jī)、蝸輪結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)軸，一起組成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，牽引座椅移動(dòng)；在汽車座椅的下面垂直安裝兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，以支撐駕駛者在垂直方向做上下移動(dòng)；在座椅的靠背方向安裝一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，用來(lái)控制座椅靠背的角度變化；在座椅的水平方向安裝一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，用來(lái)控制汽車座椅在水平方向前后移動(dòng)。操作手柄上設(shè)有多個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)控制直流電動(dòng)機(jī)，改變傳動(dòng)軸的行程和方向，從而調(diào)節(jié)汽車座椅的位置，如座椅上下位置，前后位置以及靠背的角度變化；并設(shè)有多個(gè)存儲(chǔ)按鍵，用來(lái)記憶或恢復(fù)座椅的位置信息。在控制系統(tǒng)上安裝有一個(gè)自學(xué)習(xí)按鍵，用來(lái)自動(dòng)測(cè)量座椅在汽車內(nèi)部所能移動(dòng)極限位置，防止座椅在到達(dá)極限位置后使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)而燒毀。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

C8051F311是美國(guó)Silicon Labs 公司推出的以傳統(tǒng)8051單片機(jī)為核心的微控制器，它有25個(gè)I/O口，所有I/O口線都具有強(qiáng)大的控制功能，可以編程為弱上拉或推挽輸出，也可設(shè)置成漏極開路；加上上拉電阻后可以與TTL電平直接接口。單片機(jī)具有獨(dú)特的數(shù)字開關(guān)陣列，可以將單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源（如外部中斷、UART、SPI等）配置到I/O口P0、P1和P2口上^[1]。如圖2所示，單片機(jī)的外部中斷0（INT0）被配置到端口P0的P0.0。C8051F311單片機(jī)具有較大程序存儲(chǔ)器FLASH ROM和片內(nèi)RAM，單片機(jī)16K的FLASH存儲(chǔ)器可用來(lái)存放程序代碼和非易失性的數(shù)據(jù)，汽車電動(dòng)座椅各直流電動(dòng)機(jī)的位置信息以及記憶的位置信息等數(shù)據(jù)，都作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH ROM內(nèi)^[2][3]。

自動(dòng)座椅系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示： 34的矩陣鍵盤作為系統(tǒng)的操作手柄；P1口連接驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)控制4個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，整型電路將霍爾傳感器信號(hào)放大、整型成與單片機(jī)直接接口的TTL電平信號(hào)。

操作手柄上設(shè)有3各存儲(chǔ)按鍵，分別用來(lái)記憶和恢復(fù)3個(gè)不同的座椅位置。

2.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3中，J1為直流電動(dòng)機(jī)接線端口；其中端子3和4連接電動(dòng)機(jī)的電樞；端子1和2連接霍爾傳感器。

通過控制C8051F311單片機(jī)的P1.0和P1.1電平變化來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向^[4]。P1.0為高電平，P1.1為低電平時(shí)，晶體管Q2開通，繼電器K1吸合；晶體管Q3斷開，繼電器K2閉合，直流電源經(jīng)繼電器K1常開觸點(diǎn)和K2的常閉觸點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)電樞相聯(lián)，假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)P1.0為低電平，P1.1為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。通過控制C8051F311單片機(jī)的P1口電平的變化來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，從而控制汽車座椅各方向移動(dòng)。

霍爾傳感器的整型電路，將反饋的霍爾傳感器＋2V左右弱信號(hào)，經(jīng)放大、整型成能與單片機(jī)接口的TTL電平，連接至C8051F311單片機(jī)外部中斷0（P0.0），用中斷方式對(duì)霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

安裝在汽車座椅上的直流電動(dòng)機(jī)的電源取至汽車電瓶，由于汽車電瓶的電壓會(huì)隨汽車運(yùn)行狀態(tài)不同而產(chǎn)生波動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之變化，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算汽車座椅所移動(dòng)的距離時(shí)，汽車座椅的位置數(shù)據(jù)也會(huì)變化；因此，文中采取通過計(jì)算電動(dòng)機(jī)在一個(gè)方向所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，即計(jì)算電動(dòng)機(jī)上霍爾傳感器時(shí)所產(chǎn)生脈沖數(shù)^[4]，來(lái)標(biāo)識(shí)電動(dòng)機(jī)在此方向所行進(jìn)的距離。

3.1手動(dòng)調(diào)節(jié)

操作手柄上設(shè)有8個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵，分別用來(lái)控制座椅上各電動(dòng)機(jī)在各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，手動(dòng)調(diào)節(jié)采用點(diǎn)動(dòng)控制方式。通過操作手柄的手動(dòng)按鍵，控制座椅各電動(dòng)機(jī)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)牽引座椅移動(dòng)，調(diào)節(jié)座椅的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而調(diào)節(jié)座椅的位置。

3.2記憶功能的設(shè)計(jì)

汽車座椅記憶功能的設(shè)計(jì)原理是：通過手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵手動(dòng)控制座椅各方向的電動(dòng)機(jī)，使座椅到達(dá)感覺最舒適的位置，同時(shí)計(jì)算各電機(jī)上霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)（即座椅的位置信息），然后按下存儲(chǔ)按鍵時(shí)間超過3秒，系統(tǒng)將此時(shí)座椅各電動(dòng)機(jī)的位置信息存入FLASH ROM的指定單元中，則完成座椅位置的記憶。當(dāng)需要恢復(fù)所記憶的座椅位置時(shí)，按下相應(yīng)的存儲(chǔ)按鍵時(shí)間不超過3秒，系統(tǒng)將記憶的座椅各電動(dòng)機(jī)位置信息從FLASH ROM中讀出，并與當(dāng)前的座椅位置信息比較，控制電機(jī)移動(dòng)至所記憶的位置；系統(tǒng)設(shè)有多個(gè)存儲(chǔ)按鍵，用來(lái)記憶多個(gè)座椅位置。

3.3 測(cè)量位置極限的自學(xué)習(xí)功能

由于汽車內(nèi)部空間的大小不同，汽車座椅在車內(nèi)所能移動(dòng)的最大距離也各不相同；汽車自動(dòng)座椅安裝時(shí)應(yīng)設(shè)置好極限位置，以便汽車座椅在極限位置內(nèi)能安全移動(dòng)；在設(shè)置座椅極限位置時(shí)，由于不同的汽車內(nèi)部空間不同，使得所設(shè)置的極限位置各不同；因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)自學(xué)習(xí)功能軟件，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量座椅在車內(nèi)所能移動(dòng)的極限位置。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速變低，甚至停轉(zhuǎn)；汽車座椅移動(dòng)到極限位置時(shí)，由于受到汽車內(nèi)部空間的限制，而使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。利用電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以測(cè)量出座椅的極限位置。

在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于電動(dòng)機(jī)的正常轉(zhuǎn)速時(shí)，即可判斷電動(dòng)機(jī)此時(shí)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)停車，此時(shí)的位置則是汽車座椅的一個(gè)極限位置；然后控制電動(dòng)機(jī)往相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以判斷出另一個(gè)極限位置；設(shè)一個(gè)極限位置為零點(diǎn)，另一個(gè)則為最大極限位置，將最大極限位置的位置數(shù)據(jù)存放于單片機(jī)內(nèi)的FLASH ROM內(nèi)。汽車座椅在移動(dòng)達(dá)到極限位置時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)停車，且控制座椅此時(shí)只能朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止電動(dòng)機(jī)因堵轉(zhuǎn)時(shí)間過長(zhǎng)而燒毀。

4 結(jié)語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：研制一種以C8051F311單片機(jī)為核心的座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)量座椅安裝的位置極限，記憶多個(gè)座椅位置等功能，使電動(dòng)座椅的安裝變得更加簡(jiǎn)便，座椅的位置調(diào)節(jié)方便、快捷；可以大大提高座椅的可控性，提高乘坐者的舒適感，即使在行駛中的汽車也可輕松地調(diào)整的汽車座椅位置，減少駕駛者的疲勞感。座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)也可以在醫(yī)院病床上得到很好的應(yīng)用，它可以幫助行動(dòng)較困難的病人輕松地坐立，甚至站立起來(lái)。座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)也可以做為CAN_BUS總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)并入汽車的控制系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語(yǔ)言編程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2005
[2] C8051F31X Datasheet. USA.Silicon Labs，2003
[3] 黃穎，李瑞強(qiáng)，張鹿平.基于C8051F的耐壓阻抗測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息，2005(8-2):65-66,147
[4] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京航空航天大學(xué)出版社.2002.5