一種自動(dòng)車罩控制裝置的設(shè)計(jì)*

呂艷蕊， 賀 剛， 鄧達(dá)強(qiáng)

（廣州城市理工學(xué)院， 廣東 廣州 510800）

隨著中國(guó)居民收入的增加，更多人有了私家車，但是由于中國(guó)的城市交通體系建設(shè)管理水平和國(guó)外相比之下尚有較大的差異，且停車基礎(chǔ)建設(shè)并不完善，因此大部分私家車都是以裸車形式停放。但是由于裸車長(zhǎng)時(shí)間停放會(huì)加快車內(nèi)用品的老化速度，易引起灰塵污垢、劃痕，所以對(duì)于汽車的長(zhǎng)期外置維護(hù)也是非常有必要的。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于自動(dòng)車罩的研究已有諸多進(jìn)展［1］，但是國(guó)內(nèi)外汽車現(xiàn)有車罩要么使用繁瑣，要么需要對(duì)車身設(shè)計(jì)做出相當(dāng)大的改變，生產(chǎn)成本較高，并占據(jù)著相當(dāng)?shù)能嚿砜臻g，對(duì)空間本來(lái)就不大的中小型汽車而言，難免會(huì)出現(xiàn)擁擠問(wèn)題，很不實(shí)用［2］。因此本文將提供一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行的車罩，該全自動(dòng)車罩做到了全部智能化，利用遙控裝置可以實(shí)現(xiàn)車罩的打開(kāi)和收回。車罩使用了納米防火阻燃材質(zhì)，該材料的主要優(yōu)點(diǎn)是可以防塵、防水、抗刮，并且能夠延長(zhǎng)汽車內(nèi)部用品和零配件的使用壽命。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)ST89C52作為自動(dòng)車罩控制裝置的核心控制板，控制各功能模塊正常工作。通過(guò)手動(dòng)按鍵和遙控裝置控制車罩的伸縮，通過(guò)發(fā)光二極管顯示車罩的工作狀態(tài)，通過(guò)傳感器判斷環(huán)境的溫度與濕度，控制車罩的開(kāi)關(guān)，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)防止車罩過(guò)轉(zhuǎn)。軟件部分在KeiluVision4軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上利用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)分以下幾部分：第一部分為主程序函數(shù)；第二部分為傳感器子函數(shù)，用于控制傳感器；第三部分為電機(jī)子函數(shù)，用于控制電機(jī)；第四部分為按鍵輸入子函數(shù)，用于控制按鍵。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

根據(jù)車體、車位的尺寸及對(duì)稱性，本設(shè)計(jì)的底座長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3.45m，寬度設(shè)計(jì)為3.04m。其中車輛停放寬度（兩輪外側(cè)間距） 2m，車衣打開(kāi)長(zhǎng)度5.1m。車衣被設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)于車衣艙內(nèi)，由牽引桿帶動(dòng)拉出，牽引桿由拉簧與電機(jī)連接，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉簧被拉緊的同時(shí)帶動(dòng)牽引桿旋轉(zhuǎn)，車衣從車衣艙內(nèi)緩緩拉出，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉簧被放松的同時(shí)帶動(dòng)牽引桿旋轉(zhuǎn)，車衣被收回車衣艙。系統(tǒng)的機(jī)械部分整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，車衣艙部分設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)

圖2 車衣艙部分的設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)整體安全性與可靠性的驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)在cosmol5.0 中對(duì)車罩的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了力學(xué)分析，主要分析其拉簧、牽引桿等部分受到電機(jī)拉力時(shí)的靜力分析。材料部分設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 拉簧-牽引桿-齒輪結(jié)構(gòu)材料明細(xì)

1） 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，對(duì)拉簧部分的制動(dòng)功率進(jìn)行分析：在拉簧受到外力發(fā)生彈性形變的過(guò)程中，其制動(dòng)功率在電機(jī)的每個(gè)周期內(nèi)均勻變化，因此不易出現(xiàn)拉斷及其它由于工件疲勞等原因造成的安全問(wèn)題。

2） 牽引桿在每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，在剛剛抬起時(shí)受到的最大應(yīng)力處于峰值，且主要受到z方向的關(guān)節(jié)力作用。

3） 牽引桿與齒輪件的關(guān)節(jié)力在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，總是在剛剛抬起時(shí)處于峰值。所受到的最大關(guān)節(jié)力處于材料接受范圍內(nèi)，不易發(fā)生形變及斷裂。

牽引機(jī)構(gòu)中最主要的結(jié)構(gòu)件——牽引桿、拉簧、齒輪，其在采用時(shí)的實(shí)際安全系數(shù)一般需要滿足1.5，其安全系數(shù)為材質(zhì)的屈服強(qiáng)度與實(shí)際內(nèi)部受力情況之間的差值。生產(chǎn)制作時(shí)，材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為45鋼、ZG230-450、40Cr，通過(guò)查看材質(zhì)手冊(cè)可以得知，盡管最大的內(nèi)部應(yīng)力值均不能達(dá)到相應(yīng)材質(zhì)的最大屈服強(qiáng)度，不過(guò)也可以統(tǒng)計(jì)得出其實(shí)際安全系數(shù)依次為1.38、2.33、1.44，牽引機(jī)構(gòu)部分的安全系數(shù)基本滿足了實(shí)際應(yīng)用要求。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)模塊

基于本文的設(shè)計(jì)需求，全自動(dòng)+半自動(dòng)的感應(yīng)式系統(tǒng)一般采用DSP或者單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。本章根據(jù)二者優(yōu)缺點(diǎn)，用STC89C52單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用作控制器。

STC89C52是一款電壓需求非常低、運(yùn)行速度非常高的單片機(jī)，具有40針插針以及32個(gè)外部的雙向輸入/輸出（I/O）設(shè)備，同時(shí)包括了2個(gè)外中斷設(shè)備，3個(gè)16比特的程序化計(jì)算器，2個(gè)全雙工串行通信設(shè)備以及2個(gè)讀寫(xiě)連接線。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP以及PLCC等3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝形態(tài)，可滿足各種電子產(chǎn)品的需要。

3.2 液晶顯示電路

液晶顯示屏是一款電子顯示器配件，擁有小容積、輕體重、低耗電量等特點(diǎn)［3］。本設(shè)計(jì)使用的1602型是一種物美價(jià)廉的液晶顯示屏，能夠表示2行標(biāo)準(zhǔn)文字，各列共16個(gè)文字。在通信控制系統(tǒng)、電子智能控制儀器以及企業(yè)辦公機(jī)械設(shè)備的智能化系統(tǒng)中被普遍使用，由于主要是表示ASCII文字，所以被叫做“文字型表示設(shè)備裝置”。液晶模塊的硬件電路接線圖如圖3所示。

圖3 液晶模塊電路圖

3.3 時(shí)鐘電路

本章所講述的實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路DS1302，是美國(guó)DALLAS有限公司的一款具備對(duì)潺細(xì)電流充電功能的集成電路，主要特征是采用串聯(lián)方法傳輸，還能為掉電保護(hù)工作電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可程序化的補(bǔ)充功用，但同樣也可禁用補(bǔ)充功能。

時(shí)鐘電路模塊的硬件接線圖如圖4所示，其中第1腳和第4腳是時(shí)鐘電路模塊的電源和搭鐵端。考慮到在切斷主電源的供電后還能夠保證芯片的正常工作，使用第8腳作為備用電源端，接入了一個(gè)紐扣電池用作時(shí)鐘芯片的后備電池。第2腳和第3腳使用了一個(gè)32.768K的晶振給存儲(chǔ)器供電時(shí)鐘脈沖。

圖4 DS1302模塊電路圖

3.4 光照強(qiáng)度采集電路

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)車罩裝置由于具有光控自動(dòng)開(kāi)關(guān)的功能，所以需要通過(guò)收集周圍環(huán)境中的燈光照射強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光照射強(qiáng)度的估算以及對(duì)車衣開(kāi)關(guān)的控制。光照強(qiáng)度收集應(yīng)用的主要方案設(shè)計(jì)為光敏電阻，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光敏電阻收集到的是光照強(qiáng)度的模擬量，所以可以通過(guò)ADC832把照度模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再送到單片機(jī)中進(jìn)行處理。該模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 光照強(qiáng)度采集電路

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

若通過(guò)單片機(jī)控制板的I/O口直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，則功率無(wú)法滿足要求，因此需要在單片機(jī)控制板與步進(jìn)電機(jī)之間加驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)選用TI公司所制造的高抗壓、大電流達(dá)林頓陣列晶片ULN2003用作步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)晶片。ULN2003具備電壓增益高、工作電壓高、工作溫度范圍廣、帶負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，適合于各種需要較高大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

同時(shí)在電機(jī)控制模塊中設(shè)置了限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)在電路中起到電源的開(kāi)關(guān)作用，用來(lái)保證系統(tǒng)檢測(cè)到車罩的位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)車罩的的防過(guò)卷。限位開(kāi)關(guān)的其中一腳接DC電源插口電源腳，常開(kāi)的另一腳接電路的VCC。

3.6 按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊也是人和數(shù)字單片機(jī)之間的重要裝置。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的立足點(diǎn)出發(fā)來(lái)考慮，只進(jìn)行鍵盤掃描方式，判斷當(dāng)前時(shí)間的按鍵狀況是不足的，而且尚有許多難題需妥善解決，否則單人操縱按鍵輸入模塊就極易發(fā)生誤動(dòng)作和動(dòng)作喪失的現(xiàn)象。本文使用最常見(jiàn)的技術(shù)，即延遲重復(fù)數(shù)字化掃描技術(shù)，克服不平滑問(wèn)題。延遲法的基本原理是：由于“毛刺”脈沖的時(shí)間極短，僅為幾毫秒，但鼠標(biāo)的動(dòng)作時(shí)間通常都要超過(guò)這個(gè)時(shí)間，于是可以在單片機(jī)偵測(cè)到所有的鼠標(biāo)動(dòng)靜之后再延遲，一段時(shí)間后再確定其電平能否維持在原來(lái)狀態(tài)，若是則為有效按鍵，否則無(wú)效。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立按鈕的方法，一共5個(gè)按鈕，對(duì)應(yīng)5種模式：模式轉(zhuǎn)換、時(shí)間設(shè)定、閾值設(shè)定、加、減。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系列的軟件工作流程是最開(kāi)始時(shí)要實(shí)現(xiàn)液晶和鐘表晶片的初始化，然后就展開(kāi)了一套循環(huán)數(shù)據(jù)處理的流程。其中首先讀出鐘表晶片的日期時(shí)刻數(shù)，然后在1602液晶上顯示出來(lái)，然后再讀出光照強(qiáng)度并顯示。再往下是按鍵掃描，一旦檢查到有按鍵按下去了，則根據(jù)不同類型的按鈕實(shí)現(xiàn)不同類型的任務(wù)管理。

1） 1602液晶程序設(shè)計(jì)。液晶在顯示前應(yīng)預(yù)先設(shè)定起始地址，以此來(lái)說(shuō)明要在什么地方開(kāi)始顯示，設(shè)定起始地址后即可開(kāi)始顯示內(nèi)容。初始設(shè)定完成后，每次顯示文字或數(shù)字時(shí)，液晶會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到之前定位的位置，因?yàn)椴恍枰看物@示都進(jìn)行定位。

2） 讀出DS1302的時(shí)間信息。液晶顯示屏上的時(shí)間不斷地更新是因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片一直在讀取時(shí)鐘芯片DS1302上的數(shù)據(jù)，并在讀取后發(fā)送到液晶顯示屏上進(jìn)行更新。讀取時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)的過(guò)程，以月份為例，是先輸入月份寄存器地址0x89，然后再讀出月份的數(shù)字。讀寫(xiě)年份、日、時(shí)、分、秒的過(guò)程也一樣，區(qū)別僅在于寄存器地址不同。

5 功能仿真分析

本設(shè)計(jì)的硬件、軟件部分完成后開(kāi)始進(jìn)行功能仿真，包括硬件功能仿真和軟件功能仿真兩部分。硬件功能仿真通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Solid works完成，軟件功能仿真則通過(guò)單片機(jī)仿真軟件Proteus完成。

5.1 硬件部分的仿真

在裝配體中設(shè)置步進(jìn)電機(jī)為系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來(lái)控制車罩的開(kāi)關(guān)與閉合。具體仿真過(guò)程如圖7、8所示。圖7中，Solid works中的電機(jī)（模擬馬達(dá)） 正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)拉簧伸長(zhǎng)，拉簧驅(qū)動(dòng)支撐桿旋轉(zhuǎn)并將車罩拉出，完全拉開(kāi)的車罩如圖8所示。

圖7 車罩在電機(jī)正轉(zhuǎn)過(guò)程中拉開(kāi)

圖8 車罩完全拉開(kāi)的狀態(tài)

5.2 軟件部分的仿真

軟件部分的仿真在Proteus8.0中完成，具體仿真操作如下。

1） 通過(guò)輸入按鍵可進(jìn)行3種工作模式的切換，包括手動(dòng)模式、定時(shí)模式和光控模式。處于手動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)車罩的狀態(tài)不受傳感器模塊及定時(shí)功能模塊的控制，通過(guò)車主手動(dòng)按鍵來(lái)控制開(kāi)啟和關(guān)閉。

2） 手動(dòng)模式：液晶屏上第2行左側(cè)字母顯示M時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)模式，此時(shí)溫度、濕度、光照傳感器模塊僅在液晶屏中顯示具體數(shù)值，不參與車罩電機(jī)部分的控制，由按鍵部分直接控制車罩的開(kāi)關(guān)。通過(guò)開(kāi)車衣和關(guān)車衣鍵對(duì)車衣進(jìn)行控制。

3） 定時(shí)模式：首先通過(guò)模式切換按鍵，切換至定時(shí)模式，此時(shí)液晶屏第2行左側(cè)字母顯示T，此時(shí)溫度、濕度、光照傳感器模塊僅顯示具體數(shù)值，不參與電機(jī)的控制，車主通過(guò)按鍵設(shè)置車罩開(kāi)啟的時(shí)間。當(dāng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，車罩自動(dòng)打開(kāi)。

4） 傳感器控制模式：首先通過(guò)模式切換按鍵，切換至傳感器控制模式，此時(shí)液晶屏第2行右側(cè)字幕顯示L。此時(shí)溫度、濕度、光照傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境下的溫度數(shù)值、濕度數(shù)值與光照數(shù)值，通過(guò)按鍵設(shè)置溫度、濕度、光照的設(shè)置值，當(dāng)其中任何一項(xiàng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)大于設(shè)置值時(shí)開(kāi)啟車罩，當(dāng)3項(xiàng)都小于設(shè)置值時(shí)關(guān)閉車罩。

5） 步進(jìn)電機(jī)在各種模式下進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，控制車衣的打開(kāi)與關(guān)閉。Proteus中的電機(jī)下方的數(shù)值顯示的是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與方向，如圖9和10所示。圖9中顯示為-14.2時(shí)代表電機(jī)正處于反轉(zhuǎn)過(guò)程中，此時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬狀態(tài)為車衣關(guān)閉過(guò)程，紅色LED燈處于熄滅狀態(tài)；圖10中顯示+135時(shí)代表電機(jī)正處于正轉(zhuǎn)過(guò)程中，此時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬狀態(tài)為車衣打開(kāi)過(guò)程，紅色LED燈處于亮起狀態(tài)。

圖9 車衣關(guān)閉

圖10 車衣打開(kāi)

6） 傳感器模塊在Proteus中會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境下的濕度與溫度，在仿真過(guò)程中，檢測(cè)到的該數(shù)值被實(shí)時(shí)傳輸至LED顯示部分。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的機(jī)械部分可以按照電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制車罩的開(kāi)關(guān)，完成了本設(shè)計(jì)的基本要求。在系統(tǒng)的軟硬件部分，單片機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、模式和當(dāng)前的濕度、溫度、光照數(shù)據(jù)，并通過(guò)按鍵切換系統(tǒng)的手動(dòng)、定時(shí)、傳感器控制3種模式，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在手動(dòng)控制模式下，可以通過(guò)按鍵直接控制車罩的開(kāi)關(guān)；在定時(shí)控制模式下，可以設(shè)置車罩打開(kāi)的時(shí)間，使車罩在設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)打開(kāi)；在傳感器控制模式下，系統(tǒng)將按照設(shè)定的濕度、溫度、光照，在3個(gè)數(shù)值中有一個(gè)達(dá)到設(shè)定時(shí)打開(kāi)車罩，在三者都小于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉車罩。綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本符合預(yù)期。