汽車(chē)電動(dòng)座椅自動(dòng)控制系統的研制

0引言

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

對于家庭使用的汽車(chē)，往往由多個(gè)成員駕駛同一輛汽車(chē)；當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(chē)座椅的位置各不相同，需經(jīng)常調節座椅位置；而目前的大部分汽車(chē)座椅沒(méi)有記憶功能，使同一個(gè)人在不同的時(shí)間駕駛汽車(chē)時(shí)，汽車(chē)座椅的位置可能被其他成員改變，而需重新調節座椅各個(gè)方向位置，比較繁瑣。

座椅在汽車(chē)內安裝時(shí)，由于不同汽車(chē)的內部空間不相同，座椅在各方向所能移動(dòng)的位置極限也不同；汽車(chē)電動(dòng)座椅在電動(dòng)機牽引下移動(dòng)，而目前汽車(chē)電動(dòng)座椅不能自動(dòng)測量安裝的極限位置，座椅很容易在到達極限位置時(shí)仍繼續運行，容易使電動(dòng)機因長(cháng)時(shí)間工作在堵轉狀態(tài)而燒毀。

文中提供一種具有自動(dòng)測量和記憶功能的汽車(chē)電動(dòng)座椅自動(dòng)控制系統的設計方法。

1系統基本工作原理

汽車(chē)自動(dòng)座椅結構原理如圖1所示，座椅由4個(gè)直流電機牽引，其中高度調節電機2個(gè)，水平調節和靠背調節電機各1個(gè)；直流電動(dòng)機電樞電壓為12V，電源從汽車(chē)電瓶上獲得。汽車(chē)座椅自動(dòng)控制系統由內部帶有非易失性數據存儲器的C8051F311單片機、驅動(dòng)模塊、傳動(dòng)機構以及操作手柄構成。電動(dòng)機的轉速和座椅的位置信息由安裝在電機上的霍爾傳感器檢測，經(jīng)整形和放大后送入單片機，構成系統的速度反饋。

汽車(chē)電動(dòng)座椅是在傳統的汽車(chē)座椅上安裝直流電動(dòng)機、蝸輪結構、傳動(dòng)軸，一起組成傳動(dòng)機構，牽引座椅移動(dòng)；在汽車(chē)座椅的下面垂直安裝兩個(gè)直流電動(dòng)機，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，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，用來(lái)控制汽車(chē)座椅在水平方向前后移動(dòng)。操作手柄上設有多個(gè)手動(dòng)調節按鍵，通過(guò)手動(dòng)調節控制直流電動(dòng)機，改變傳動(dòng)軸的行程和方向，從而調節汽車(chē)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；并設有多個(gè)存儲按鍵，用來(lái)記憶或恢復座椅的位置信息。在控制系統上安裝有一個(gè)自學(xué)習按鍵，用來(lái)自動(dòng)測量座椅在汽車(chē)內部所能移動(dòng)極限位置，防止座椅在到達極限位置后使電動(dòng)機長(cháng)時(shí)間工作在堵轉狀態(tài)而燒毀。

2系統硬件設計

C8051F311是美國Silicon Labs 公司推出的以傳統8051單片機為核心的微控制器，它有25個(gè)I/O口，所有I/O口線(xiàn)都具有強大的控制功能，可以編程為弱上拉或推挽輸出，也可設置成漏極開(kāi)路；加上上拉電阻后可以與TTL電平直接接口。單片機具有獨特的數字開(kāi)關(guān)陣列，可以將單片機的內部硬件資源（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，單片機的外部中斷0（INT0）被配置到端口P0的P0.0。C8051F311單片機具有較大程序存儲器FLASH ROM和片內RAM，單片機16K的FLASH存儲器可用來(lái)存放程序代碼和非易失性的數據，汽車(chē)電動(dòng)座椅各直流電動(dòng)機的位置信息以及記憶的位置信息等數據，都作為非易失性數據存儲在FLASH ROM內^[2][3]。

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

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

2.1驅動(dòng)電路設計

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

通過(guò)控制C8051F311單片機的P1.0和P1.1電平變化來(lái)控制電動(dòng)機的轉向^[4]。P1.0為高電平，P1.1為低電平時(shí)，晶體管Q2開(kāi)通，繼電器K1吸合；晶體管Q3斷開(kāi)，繼電器K2閉合，直流電源經(jīng)繼電器K1常開(kāi)觸點(diǎn)和K2的常閉觸點(diǎn)與電動(dòng)機電樞相聯(lián)，假設此時(shí)電動(dòng)機正轉。當P1.0為低電平，P1.1為高電平時(shí)，電動(dòng)機反轉。通過(guò)控制C8051F311單片機的P1口電平的變化來(lái)控制電動(dòng)機轉動(dòng)的方向及轉動(dòng)時(shí)間，從而控制汽車(chē)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，經(jīng)放大、整型成能與單片機接口的TTL電平，連接至C8051F311單片機外部中斷0（P0.0），用中斷方式對霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖數進(jìn)行計算，從而計算電動(dòng)機的轉速和位置數據。

3 軟件設計

安裝在汽車(chē)座椅上的直流電動(dòng)機的電源取至汽車(chē)電瓶，由于汽車(chē)電瓶的電壓會(huì )隨汽車(chē)運行狀態(tài)不同而產(chǎn)生波動(dòng)，電動(dòng)機的轉速也會(huì )隨之變化，通過(guò)電動(dòng)機的轉速來(lái)計算汽車(chē)座椅所移動(dòng)的距離時(shí)，汽車(chē)座椅的位置數據也會(huì )變化；因此，文中采取通過(guò)計算電動(dòng)機在一個(gè)方向所轉動(dòng)的圈數，即計算電動(dòng)機上霍爾傳感器時(shí)所產(chǎn)生脈沖數^[4]，來(lái)標識電動(dòng)機在此方向所行進(jìn)的距離。

3.1手動(dòng)調節

操作手柄上設有8個(gè)手動(dòng)調節按鍵，分別用來(lái)控制座椅上各電動(dòng)機在各方向的轉動(dòng)，手動(dòng)調節采用點(diǎn)動(dòng)控制方式。通過(guò)操作手柄的手動(dòng)按鍵，控制座椅各電動(dòng)機，經(jīng)傳動(dòng)機構牽引座椅移動(dòng)，調節座椅的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而調節座椅的位置。

3.2記憶功能的設計

汽車(chē)座椅記憶功能的設計原理是：通過(guò)手動(dòng)調節按鍵手動(dòng)控制座椅各方向的電動(dòng)機，使座椅到達感覺(jué)最舒適的位置，同時(shí)計算各電機上霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖數（即座椅的位置信息），然后按下存儲按鍵時(shí)間超過(guò)3秒，系統將此時(shí)座椅各電動(dòng)機的位置信息存入FLASH ROM的指定單元中，則完成座椅位置的記憶。當需要恢復所記憶的座椅位置時(shí)，按下相應的存儲按鍵時(shí)間不超過(guò)3秒，系統將記憶的座椅各電動(dòng)機位置信息從FLASH ROM中讀出，并與當前的座椅位置信息比較，控制電機移動(dòng)至所記憶的位置；系統設有多個(gè)存儲按鍵，用來(lái)記憶多個(gè)座椅位置。

3.3 測量位置極限的自學(xué)習功能

由于汽車(chē)內部空間的大小不同，汽車(chē)座椅在車(chē)內所能移動(dòng)的最大距離也各不相同；汽車(chē)自動(dòng)座椅安裝時(shí)應設置好極限位置，以便汽車(chē)座椅在極限位置內能安全移動(dòng)；在設置座椅極限位置時(shí)，由于不同的汽車(chē)內部空間不同，使得所設置的極限位置各不同；因此必須設計一個(gè)自學(xué)習功能軟件，使系統能夠自動(dòng)測量座椅在車(chē)內所能移動(dòng)的極限位置。

電動(dòng)機運行在堵轉狀態(tài)時(shí)，轉速變低，甚至停轉；汽車(chē)座椅移動(dòng)到極限位置時(shí)，由于受到汽車(chē)內部空間的限制，而使電動(dòng)機堵轉。利用電動(dòng)機的堵轉狀態(tài)，可以測量出座椅的極限位置。

在電動(dòng)機轉動(dòng)過(guò)程中，監視電動(dòng)機的轉速，當轉速遠低于電動(dòng)機的正常轉速時(shí)，即可判斷電動(dòng)機此時(shí)處于堵轉狀態(tài)，使電動(dòng)機停車(chē)，此時(shí)的位置則是汽車(chē)座椅的一個(gè)極限位置；然后控制電動(dòng)機往相反方向轉動(dòng)，可以判斷出另一個(gè)極限位置；設一個(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據存放于單片機內的FLASH ROM內。汽車(chē)座椅在移動(dòng)達到極限位置時(shí)，控制電動(dòng)機停車(chē)，且控制座椅此時(shí)只能朝相反方向轉動(dòng)，以防止電動(dòng)機因堵轉時(shí)間過(guò)長(cháng)而燒毀。

4 結語(yǔ)

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：研制一種以C8051F311單片機為核心的座椅自動(dòng)控制系統，系統具有自動(dòng)測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，座椅的位置調節方便、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(chē)也可輕松地調整的汽車(chē)座椅位置，減少駕駛者的疲勞感。座椅自動(dòng)控制系統也可以在醫院病床上得到很好的應用，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)控制系統也可以做為CAN_BUS總線(xiàn)上的一個(gè)節點(diǎn)并入汽車(chē)的控制系統中。

參考文獻

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