基于單片機的汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)設(shè)計

李 苗，曹陽明，崔丹丹，尹 倩

（新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 831401）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，2020年末中國轎車保有量約為2.81億輛，人們對汽車的要求也越來越高，特別是汽車的安全性、舒適性和可靠性等。電動車窗在汽車上的應(yīng)用提高了汽車的舒適性和方便性。汽車上的車窗升降大都已經(jīng)采用電子系統(tǒng)控制，車窗的智能化控制已成為車身電子控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。國內(nèi)諸多學(xué)者對智能車窗都進(jìn)行了研究，庫流亨、趙麗敏利用無線通信技術(shù)，設(shè)計了具有無線控制車窗升降、防夾手等功能的智能車窗控制系統(tǒng)［1］。王維斌利用LIN總線通信和功率驅(qū)動芯片，對車窗防夾算法以及基于車速和溫差的車窗控制算法進(jìn)行了研究［2］。肖永清對智能升降窗系列產(chǎn)品、典型車型增強智能車窗系統(tǒng)的解決方案、汽車智能關(guān)窗器、車窗防夾功能等進(jìn)行了系統(tǒng)性的概括［3］。本文研究的語音智能窗控制系統(tǒng)，具備防夾功能，高速行駛時自動升降功能，同時還具離車自動關(guān)窗功能，避免了因?qū)κ謩娱_關(guān)窗按鍵位置不熟悉，開關(guān)車窗時安全事故的發(fā)生，使車窗控制系統(tǒng)更智能化和人性化，提高了安全性與舒適性。

1 設(shè)計思路

汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)主要包括微處理器（單片機）、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊（電流傳感器、人體紅外傳感器）、智能語音模塊、電源模塊、車窗電機驅(qū)動模塊等5部分。電源模塊為單片機微控制器、智能語音模塊等提供電源。單片機控制器通過智能語音模塊，采集語音控制指令信號，驅(qū)動模塊根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號控制車窗電機實現(xiàn)上升、下降或者停止；微處理器捕獲電流傳感器檢測電機電樞的電流大小，根據(jù)電機電樞電流值判斷是否進(jìn)行防夾控制；當(dāng)車主離車忘記關(guān)窗時，通過傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，主要是使用人體熱釋紅外感應(yīng)模塊探測車內(nèi)是否有人，決定是否關(guān)窗，實現(xiàn)離車自動關(guān)窗功能。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)組成框圖

2 電路分析

威馳車電動車窗電路圖如圖2所示，電動車窗控制電路由蓄電池、熔斷絲、點火開關(guān)、供電繼電器、電動車窗主開關(guān)、分開關(guān)、車窗電機總成及線路等組成。車窗電動機由主控開關(guān)、分開關(guān)控制，通過改變車窗電機的電流方向來改變電機的轉(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到車窗玻璃升降的目的。

圖2 威馳電動車窗電路圖

以左后車窗玻璃工作為例。

1）主開關(guān)（駕駛員側(cè)）控制上升

接通主開關(guān)左后車窗“Up”觸點，左后車窗電動機通電運轉(zhuǎn)，使左后車窗玻璃上升，其電路為蓄電池正極→30A熔斷器→供電繼電器→主開關(guān)RLU端子→左后車窗分開關(guān)“SU”觸點→左后車窗電動機→左后車窗分開關(guān)“SD”觸點→主開關(guān)RLD端子→搭鐵。主開關(guān)（駕駛員側(cè)）控制下降。

接通主開關(guān)左后車窗“Down”觸點，左后車窗電動機通電運轉(zhuǎn)，由于左后車窗電機的電流方向改變，左后車窗電機反向工作使車窗玻璃下降。其電路為蓄電池正極→30A熔斷器→供電繼電器→主開關(guān)RLD端子→左后車窗分開關(guān)“SD”觸點→左后車窗電動機→左后車窗分開關(guān)“SU”觸點→主開關(guān)RLU端子→搭鐵。

2）分開關(guān)（乘客側(cè)）控制上升

接通分開關(guān)左后車窗“Up”觸點，左后車窗電動機通電運轉(zhuǎn)，使左后車窗玻璃上升，其電路為蓄電池正極→30A熔斷器→供電繼電器→分開關(guān)“SU”觸點→左后車窗電動機→左后車窗分開關(guān)“SD”觸點→主開關(guān)RLD端子→搭鐵。

3）分開關(guān)（乘客側(cè)）控制下降

接通分開關(guān)左后車窗“Down”觸點，左后車窗電動機通電運轉(zhuǎn)，由于左后車窗電機的電流方向改變，左后車窗電機反向工作使車窗玻璃下降。其電路為蓄電池正極→30A熔斷器→供電繼電器→分開關(guān)“SD”觸點→左后車窗電動機→主開關(guān)RLD端子→搭鐵。

從圖3可以看出，在原控制電路中通過增加控制切換繼電器模塊并聯(lián)控制為車窗電動機提供電源和搭鐵就可以完成電動車窗玻璃升降的自動控制。同時，電流檢測模塊可實時檢測電機電樞的電流大小，當(dāng)車窗玻璃在上升遇到障礙物時，通過車窗電機的電流會急劇增大，通過采樣車窗電機的電流，就能夠監(jiān)測車窗玻璃升降過程中所遇到的阻力情況以及是否達(dá)到車窗移動限定位置［4］?；诖嗽碓O(shè)計了本系統(tǒng)的防夾功能。

圖3 車窗電機控制切換電路圖

3 仿真設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)具備語音控制車窗自動升降功能、防夾功能和離車時自動關(guān)窗功能。圖4是汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖。具體流程如下。

圖4 汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

第1，通過人體紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)來確定是否有人在車內(nèi)，當(dāng)車內(nèi)無人時，車窗電機正轉(zhuǎn)，車窗自動上升；判斷電流傳感器檢測電樞電流是否大于等于A1，當(dāng)電樞電流大于等于A1時蜂鳴器報警提示，電機停轉(zhuǎn)，當(dāng)電樞電流小于A1時，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，直到達(dá)到限定位置，蜂鳴器報警，電機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)防夾和離車自動關(guān)窗功能。

第2，當(dāng)車內(nèi)有人時，判斷是否發(fā)出開窗語音控制信號，若單片機控制器接收到開窗指令，則車窗電機反轉(zhuǎn)，車窗自動下降；電流傳感器檢測車窗電機的電樞電流是否大于等于A1，當(dāng)電流大于等于A1時蜂鳴器報警提示，電機停轉(zhuǎn)，當(dāng)電流小于A1時，電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，直到達(dá)到限定位置，電機停轉(zhuǎn)。若單片機控制器未接收到開窗指令，則判斷是否發(fā)出關(guān)窗語音控制信號，若接收到關(guān)窗信號，車窗電機正轉(zhuǎn)，車窗自動上升；判斷電流傳感器檢測電樞電流是否大于等于A1，當(dāng)電流大于等于A1時蜂鳴器報警提示，電機停轉(zhuǎn)，當(dāng)電流小于A1時，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，直到達(dá)到限定位置，蜂鳴器報警，電機停轉(zhuǎn)，若未接收到關(guān)窗指令，電機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)語音控制車窗自動升降功能。

3.2 仿真電路

根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計程序使用Arduino開發(fā)板進(jìn)行仿真，汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)仿真電路圖如圖5所示。系統(tǒng)電源模塊采用的是BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，核心元件是LM2576-5，將車載12V電源降為5V，為人體紅外感應(yīng)傳感器、電流傳感器等提供電源；微處理器采用的主控芯片是AVR單片機，具備高可靠性、功能強、高速度、低功耗的特點，完全能滿足系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的要求；HLK-V20語音模塊采用32bit RSIC架構(gòu)內(nèi)核，低能耗、高性能，該模塊可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對音頻信號進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，提高語音信號的識別能力；L298N驅(qū)動模塊實現(xiàn)車窗電機的驅(qū)動，該模塊采用SMT工藝穩(wěn)定性高，高品質(zhì)鋁電解電容使電路工作穩(wěn)定，可同時驅(qū)動兩個車窗電機；ACS712ELCTR電流傳感器，是基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，精確度高，低功耗；人體紅外感應(yīng)傳感器采用熱釋電元件，當(dāng)人體的紅外輻射溫度發(fā)生變化時，就會失去電荷平衡，電荷就會被釋放，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后產(chǎn)生報警信號，傳感器靈敏度高，抗干擾性強。通過AVR單片機監(jiān)測并處理人體紅外感應(yīng)傳感器、電流傳感器、智能語音模塊傳送的信號，來完成語音控制車窗自動升降、防夾、離車自動關(guān)窗動作。

圖5 汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)仿真電路

通過驅(qū)動電路控制直流電動機中電流流向來實現(xiàn)車窗升降；防夾功能通過電流傳感器實時檢測電機電樞電流大小來判斷是否使電機停轉(zhuǎn)實現(xiàn)防夾，同時蜂鳴器發(fā)出報警信號；人體紅外傳感器檢測到的信號是是否離車自動關(guān)窗的判斷依據(jù)。

4 結(jié)束語

汽車智能語音車窗控制系統(tǒng)采用AVR單片機控制車窗電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對車窗的智能語音升降控制和離車自動關(guān)窗控制，同時實現(xiàn)防夾功能。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)汽車智能語音車窗控制性能穩(wěn)定、安全可靠、實時響應(yīng)快、抗干擾能力強，具有一定的實用價值。