基于单片机控制的汽车电动车窗系统的设计

摘 要

本次文章主要介绍一种基于AT89S51单片机所设计出的汽车电动窗控制设计方法：通过对于电枢电流的采样信号放大，模数转换教，将数字电压信号输入单片机当中，单片机通过将输的信号与最初所设定好的值来进行对比，判断是否出现堵转电流。根据判断结果再进行电机正转反转停转的控制，从而解决了实际生活过程当中车窗升降的问题。比较于之前的汽车电动车窗来说，本系统具有更多的优点，比如说反应更为灵敏，响应速度更快，操作性更强。

关键词：AT89S51  电流采样信号放大

1 绪 论

研究的目的和意义近些年来，随着社会经济的不断发展，更多的人在生活当中喜欢提高自己的生活品质，比如说购买私家车。随着私家车数量的不断增多，电子汽车技术也在不断发展，越来越多的电子设备装载到了车上，为人们提供帮助。这些电子设备被装载到汽车上，极大程度上提高了人们在行驶过程当中的舒适性，但是这些电子技术也给车内的布线提出了更高的要求。CAN（Controller Area Network）作为一种串行数据总线在使用过程当中更为稳定，实时性更好，已经成为了国际上的通用标准（ISO11898）[1]，在现阶段的汽车电子技术上得到了十分广泛的使用。

现阶段在CAN系统的设计过程当中，使用比较多的是单片机外挂的一种can控制器，但是采用这种控制器的设计在使用过程当中不利于集成化，所以本文选用了一种新的单片机——CAN模块PIC18F258单片机作为核心介绍了CAN总线车窗控制系统的硬件电路以及软件的设计流程。

1.2 研究现状和发展趋势

随着微电子技术以及嵌入式微机系统的不断发展和创新，汽车上越来越多地出现了电器设备，而这些电器设备在使用过程当中都采用了微电子技术，这些电子技术在加入汽车使用过程之后增加了汽车的操作性和舒适性。本次试验通过采用单片机来控制电机反转，实现了玻璃升降的原理，同时对于各种不同的问题进行了探讨。在本次的试验过程当中，我们的试验原理是电枢电流经过采样、放大之后，通过模数处理输入单片机，单片机接到信号之后与之前的设定值进行比较。从而来判断是否出现堵转电流，接着根据处理后的结果进行电机的正转和反转，从而来控制车窗玻璃的升降。

1.3 单片机控制的优点

单片机进行控制主要有两大优点，首先就是解决了在实验过程当中车窗玻璃升降以及防夹的两大问题。其次单片机使用过程当中的功能强大，低价位的单片机就可以实现我们对于实验的所有控制要求。

1.4 论文主要内容

论文主要包括两个方面，首先是对于硬件和模块电路的分析和设计，其次就是根据我们实际所需要的功能对于电路的软件部分进行探讨，并且进行了一系列的调整测试。

2.汽车车窗简介

2.1汽车电动车窗的组成与类型

电动车窗就是在汽车上可以使车窗玻璃自动升降的一个设备。电动车窗的最大优点就是在行车过程当中可以方便的开关门窗，减轻了行驶员在操作过程当中的操作难度。过去的电动车窗一般只存在于高档轿车上，但是现阶段电动车窗已经被普遍使用。

图2 一 1 电动门窗

2.2电动车窗的组成

整个电动车窗有几大部分构成，包括控制开关的动机，升降机构以及电器。在实际的操作过程当中通过改变方向，从而来实现对于车窗的控制。

车窗电动机都是双向使用的，分永磁型和双绕组串励式两种不同类型，永磁性是通过改变电流方向，从而使电机进行正反转，另外一种是通过相反方向的磁场绕组来进行相反磁场的产生，进而改变的进行转方向的。

那个车窗上我们都有一个独立的电动机，这种电动机是一种不直接接地停电东西，为了防止使用过程当中电路过载，我们可以在电路上增加多个热敏开关，从而保护电机由于温度过高而出现故障。

在实验过程当中，所有电动车窗都有不同的控制设备，一套是总开关，可以来操作整个车所有车窗的升降，另外一套是分开关，只能够操作身边的车窗升降总开关和分开关相互之间并不干扰，可以同步进行，也可以独立控制。

3.总体结构设计

本文设计了一种汽车的单片机的电控制系统，实现车窗的升降以及动态调整，如图2-1所示，由继电器模块、直流电机模块、升降器模块、单片机组成。

图2.1 系统结构图

　2.1 总体技术方案

本车窗控制系统硬件部分主要由车窗玻璃、升降器、直流 电机、单片机，升 / 降按钮和 CAN 控制器构成。相对于传统 的点触式开关控制的汽车电动车窗，本设计在电机正反转控制、 车窗防夹等功能上，有反应灵敏、响应速度快、可操作性强等优点

2.1.1 继电器模块功能

检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块，由控制模块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。

2.1.2 直流电机模块功能

均衡电源模块在电池充电过程中可控制检测模块中的均衡放电回路对相关电池模组的多节电池进行均衡放电。达到均衡状态时关闭放电回路。

2.1.3 升降器模块功能

控制模块包括主控芯片及其外围电路，主控芯片分别与检测模块的电压检测回路、均衡充电回路连接。主控芯片主要功能：通过电路对检测模块中均衡充电回路，可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。主控芯片接收检测模块中电压检测回路检测到的电池模组中各节单体电池的电压值并进行运算比较处理，当电池模组中的某节单体电池处于“过充电状态”时，控制模块中的控制程序驱动均衡电源模块，结合检测模块中的光耦合器件和检测芯片的控制门打开检测模块中的均衡放电回路。

3 硬件电路设计

3.1电机驱动系统的设计

在一般的汽车电动车窗设计过程当中，我们采用的都是永磁式的直流电机。这种电机与其他经济相比，结构更小，操作更加简单，噪音也比较小电动车窗的升降功能主要是通过改变电流方向来进行的，之前的汽车电动车窗一般采用的是点触式的开关来改变电流方向，但是在本次实验过程当中，我们采用单片机输出高低电平控制继电器断和来改变电流方向，从而改变电机的正反转。

图2电动车窗的电机控制系统

表1电机控制真值表

　3.2电流采样

我们都知道直流电机在其中的过程当中会有一个很大的启动电流，这个电流一般是额定电流的四倍。但是持续的时间很短，在持续时间过后电机就会进入额定工作状态。在电机工作过程当中，如果电枢遇到很大的阻碍电矩，造成电机的停转现象，这时就会在电机中形成一个阻断电流。如果阻断电流持续的时间比较长的话，会对电机造成极其严重的破坏。为了解决这个问题，我们在传统的电动车窗电枢电路上安装一个热敏开关，如果电流过大的话，热敏开关的温度就会升高，触点断开之后自动的切断电路，从而来保护电机。如此重而复返，不断地进行热敏开关保护，保护整个电机的正常使用。在本次升级过程当中，我们可以在电枢电路上串联一个小的电阻，将分压之后的电压经过再次放大，将放大后的电压送入单片机。单片机将采集到的数字信号与之前所设定好的信号进行对比，进而控制下一步的电机工作。

3.3 电源管理

在本次的试验过程当中，我们采用的机电压电源都是5V，但是车的实际电压是12V，所以我们采用稳压集成电路。随后还采用了ARM7805，从而将车用的12V转化为5V，更好地为芯片供电。

4 软件部分设计

实验的过程当中，电流信号变为了电压信号，随后经过放大，通过数模转换输入单片机，单片机接着将输入到的信号与最初设定好的值进行比较，从而来判断是否有堵转电路出现。

5车窗控制软硬件的调试

　5.1 硬件的检测

在试验过程当中，首先将电路通电，随后用万用表对于每个电元件进行降压读取。接着通过判断发光二极管是否被点亮，来确定电压转换电路是否在正常工作，接着将外界的12V电压转化为5V。

当按键的两脚电压在4.8V时，我们可以确认按键是正常工作的，此时我们就可以接着顺着芯片的引脚来继续进行测试。当芯片的引脚也是大于3V时，我们认为整一条电路上的所有设计都是正常的，可以正常工作的。如果测试到的引脚电压并没有达到3V。那么我们可以得出这条路虽然是接通的，但是输出的电压太低，在使用过程当中处于低电平状态，从而按键就不能正常工作了。出现这种情况的主要原因就是分压太少，这个问题我们可以采用两种方法来解决，一种就是将串联电阻减小，另外一种方式就是将电容变大。如果我们在进行调整之后他仍不能正常使用的话，那么就是出现了断路或是接地的情况，我们需要将整条线路进行重新连接。

接着我们进行芯片的输入引脚测试，如果测试显示为零的话，就证明芯片的焊接没有问题，这时我们需要将芯片安进底座进行下面的测试。

接下来进行软件测试，首先打开MPLAB软件，将我们之前所编好的程序进行编译，如果编译结束之后没有显示错误警告就证明我们的编译成功。在编译成功之后将下载器插入电脑选择下载类型，这时我们还需要根据我们的需要设定一系列的参数，将芯片则类型确定。当类型确定之后，output窗口显示出芯片和下载器的连接情况，这时我们就需要等待芯片的地址被检查出来。如果芯片的地址被检查出来，就证明整个环节已经正常地完成了，我们就可以下芯片下载程序了。

这时我们可以按下按键，看看继电器是否如我们设定的一样进行了闭合。但是在设计过程，当中板子被上电的瞬间继电器就应当立即闭合，这时需要我们使用万用表从头开始，一步一步的寻找电路错误的原因。首先我们发现继电器会闭合，那就说明整个电路是通路的。然而在上电的瞬间继电器就闭合说明我们之前加在继电器两端的电压没有经过我们的控制就自动地形成了通路。所以我们可以通过这些来初步判断影响我们实验的是由于控制继电器的闭合的光电隔离出现了一些问题。

接下来我们按下按键，发现继电器仍然没有叫我们设定好的那样进行闭合，于是我们再一次从头开始用万用表寻找问题。首先我们最初芯片的引脚为4.8V，这说明在整个程序运行过程当中安静的部分是没有问题的，三极管的电压为0.7V，说明三极管也没有出现问题，接着进行光电隔离测试，我们发现光电隔离又出现了问题。我们接下来发现三极管所见过的电压居然有9V之高，从而使得继电器两端的电压不足3V。这时我们就可以合理猜测，虽然继电器电路是通路，但是继电器降线圈上的降压太小，没有办法支撑继电器继续进行工作。也就是说发光二极管之所以发的光不够强，也是由于输入光电隔离电路不够大。通过我们的一系列测试，我们最终确定是由于三极管所接的限流电阻过大，从而使继电器闭合。

　5.2　车窗防夹验证与结果

本次的实验我们为了实验效果更好，为实验配置了双霍尔传感器，从而来纪律过程当中真实的感受电机是否受到了阻力的影响。为了完善我们实验的准确度，我们在实验过程当中采用的力传感器进而来测试和调整不同的防夹力。

车窗防夹实验测得的力和电流曲线

实验总共分为三步：

一、首先需要按住按钮使电机驱动整个车窗玻璃上升;

二、我们在实验过程当中可以施加一个反向的力来模拟防夹力;

三、电机的工作情况，并且记录相关的波形，从而了解玻璃运动情况。

电流与霍尔关系波形

在整个实验过程当中，系统的房价力和电机的电流波如上图所示，黄线是车窗玻璃的整体受力情况，而红线则表明了电机电流的变化，车窗玻璃在上升的过程当中电机为正，意为正转，车窗玻璃上升。车窗玻璃在下降的过程当中，电机为负，意为负转，车窗玻璃下降。这里需要简单介绍一下，按照传感器给出的比例关系：

防夹力(N):电压(mV)=0.3

在本次实验过程当中的黄线对应着30N的防夹力，当ECU识别出这个障碍之后，就会迅速做出反应，由程序控制将电机停转，此时在整个系统当中所存在的电流为零，防夹力的作用依然作用于车窗玻璃。在暂停时间结束之后，程序控制电机进行了反方向的驱动车窗玻璃，这时程序当中的电流为负，整个实验过程结束。

5.2 软件功能的检测

在进行软件功能检测的过程当中，首先需要将电机严禁回顾，从按键的点开始自行检测，在测试过程当中需要将其他的功能函数全部屏蔽，仅剩下按键进行判断。在测试过程当中烧尽芯片，按下按键看看我们所需要的功能是否完成。如果结果并非我们最初所设定好的结果，就需要将程序进行下一步改进，如果符合我们最初的功能，就可以接着进行下面的测试。

6感悟与收获

毕业设计临近结束，回顾这半年的时间，大部分时间都是在实验室度过的，跟着师兄师姐们后面学习，进步。从开始的一无所知走到现在，已经是个不小的进步。

毕业设计还没开始的时候，，进入分布式控制研究所学习，跟随张利老师学习。不久便我进入实验室学习。今年5月份，我并查阅资料，补充相关项目知识等等，在师兄师姐们的带领下，今年6月份，经过我的努力半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这次毕业设计中苦恼过，无奈过，纠结过。但是经过老师，师兄，同学的帮助，我一个又一个的克服了这些困难。经过了这些过程后体会到的是成就感，喜悦感。在其中我学到了很多，了解了很多，自己的知识面有了很大的提高。其中主要有:学会了用Altium Designer绘制电路图，掌握几种元件的用法。初步学会了单片机编程，了解到一些单片机的用法。办公软件如word,PPT等有了很大的提高。对于硬件电路方面有了一定理解。

致谢

经过四年的学习，终于在老师的悉心指导下完成了此次毕业设计，特此向指导老师表达诚挚的谢意。做本次毕业设时，遇到了很多问题，但是老师在百忙之中始终不忘帮助我解决问题，指导我发现新问题，并对我的毕业设计提出了许多宝贵的建议。

在毕业设计期间，张老师对我们很严格，但这更促使我们学习到了更多的东西。在写论文期间，张老师更是不辞辛苦地指导我，不仅对论文内容给予建议，也对论文格式进行指导，让我知道了如何将自己的设计成果完整清楚地表达出来。

另外，我要感谢在此次毕业设计中给予我帮助、给予我建议的，他在及软件编程方面给予了我很多帮助，而且在论文写作中也给予了我很多建议；感谢与我一同做毕业设计的同学，他懂的知识比我多很多，平时我又很多问题都是他细心的为我解答，这样我的毕业设计才能完美完成。

在这次毕业设计中，没有老师和同学的指导，我的毕业设计到不了现在地步，再一次衷心的感谢他们！

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基于单片机控制的汽车电动车窗系统的设计

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月4日

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