基于单片机的汽车智能语音车窗控制系统设计

2021-07-05曹阳明崔丹丹

汽车电器 2021年6期

李苗，曹阳明，崔丹丹，尹倩

（新疆交通职业技术学院汽车工程学院，新疆乌鲁木齐 831401）

随着汽车工业的快速发展，2020年末中国轿车保有量约为2.81亿辆，人们对汽车的要求也越来越高，特别是汽车的安全性、舒适性和可靠性等。电动车窗在汽车上的应用提高了汽车的舒适性和方便性。汽车上的车窗升降大都已经采用电子系统控制，车窗的智能化控制已成为车身电子控制技术的重要发展趋势。国内诸多学者对智能车窗都进行了研究，库流亨、赵丽敏利用无线通信技术，设计了具有无线控制车窗升降、防夹手等功能的智能车窗控制系统［1］。王维斌利用LIN总线通信和功率驱动芯片，对车窗防夹算法以及基于车速和温差的车窗控制算法进行了研究［2］。肖永清对智能升降窗系列产品、典型车型增强智能车窗系统的解决方案、汽车智能关窗器、车窗防夹功能等进行了系统性的概括［3］。本文研究的语音智能窗控制系统，具备防夹功能，高速行驶时自动升降功能，同时还具离车自动关窗功能，避免了因对手动开关窗按键位置不熟悉，开关车窗时安全事故的发生，使车窗控制系统更智能化和人性化，提高了安全性与舒适性。

1 设计思路

汽车智能语音车窗控制系统主要包括微处理器（单片机）、传感器数据采集模块（电流传感器、人体红外传感器）、智能语音模块、电源模块、车窗电机驱动模块等5部分。电源模块为单片机微控制器、智能语音模块等提供电源。单片机控制器通过智能语音模块，采集语音控制指令信号，驱动模块根据控制器发出的控制信号控制车窗电机实现上升、下降或者停止；微处理器捕获电流传感器检测电机电枢的电流大小，根据电机电枢电流值判断是否进行防夹控制；当车主离车忘记关窗时，通过传感器数据采集模块，主要是使用人体热释红外感应模块探测车内是否有人，决定是否关窗，实现离车自动关窗功能。系统组成框图如图1所示。

图1 汽车智能语音车窗控制系统组成框图

2 电路分析

威驰车电动车窗电路图如图2所示，电动车窗控制电路由蓄电池、熔断丝、点火开关、供电继电器、电动车窗主开关、分开关、车窗电机总成及线路等组成。车窗电动机由主控开关、分开关控制，通过改变车窗电机的电流方向来改变电机的转动方向，从而达到车窗玻璃升降的目的。

图2 威驰电动车窗电路图

以左后车窗玻璃工作为例。

1）主开关（驾驶员侧）控制上升

接通主开关左后车窗“Up”触点，左后车窗电动机通电运转，使左后车窗玻璃上升，其电路为蓄电池正极→30A熔断器→供电继电器→主开关RLU端子→左后车窗分开关“SU”触点→左后车窗电动机→左后车窗分开关“SD”触点→主开关RLD端子→搭铁。主开关（驾驶员侧）控制下降。

接通主开关左后车窗“Down”触点，左后车窗电动机通电运转，由于左后车窗电机的电流方向改变，左后车窗电机反向工作使车窗玻璃下降。其电路为蓄电池正极→30A熔断器→供电继电器→主开关RLD端子→左后车窗分开关“SD”触点→左后车窗电动机→左后车窗分开关“SU”触点→主开关RLU端子→搭铁。

2）分开关（乘客侧）控制上升

接通分开关左后车窗“Up”触点，左后车窗电动机通电运转，使左后车窗玻璃上升，其电路为蓄电池正极→30A熔断器→供电继电器→分开关“SU”触点→左后车窗电动机→左后车窗分开关“SD”触点→主开关RLD端子→搭铁。

3）分开关（乘客侧）控制下降

接通分开关左后车窗“Down”触点，左后车窗电动机通电运转，由于左后车窗电机的电流方向改变，左后车窗电机反向工作使车窗玻璃下降。其电路为蓄电池正极→30A熔断器→供电继电器→分开关“SD”触点→左后车窗电动机→主开关RLD端子→搭铁。

从图3可以看出，在原控制电路中通过增加控制切换继电器模块并联控制为车窗电动机提供电源和搭铁就可以完成电动车窗玻璃升降的自动控制。同时，电流检测模块可实时检测电机电枢的电流大小，当车窗玻璃在上升遇到障碍物时，通过车窗电机的电流会急剧增大，通过采样车窗电机的电流，就能够监测车窗玻璃升降过程中所遇到的阻力情况以及是否达到车窗移动限定位置［4］。基于此原理设计了本系统的防夹功能。

图3 车窗电机控制切换电路图

3 仿真设计

3.1 程序设计

汽车智能语音车窗控制系统具备语音控制车窗自动升降功能、防夹功能和离车时自动关窗功能。图4是汽车智能语音车窗控制系统程序设计流程图。具体流程如下。

图4 汽车智能语音车窗控制系统程序设计流程图

第1，通过人体红外传感器采集的数据来确定是否有人在车内，当车内无人时，车窗电机正转，车窗自动上升；判断电流传感器检测电枢电流是否大于等于A1，当电枢电流大于等于A1时蜂鸣器报警提示，电机停转，当电枢电流小于A1时，电机继续正转，直到达到限定位置，蜂鸣器报警，电机停转，实现防夹和离车自动关窗功能。

第2，当车内有人时，判断是否发出开窗语音控制信号，若单片机控制器接收到开窗指令，则车窗电机反转，车窗自动下降；电流传感器检测车窗电机的电枢电流是否大于等于A1，当电流大于等于A1时蜂鸣器报警提示，电机停转，当电流小于A1时，电机继续反转，直到达到限定位置，电机停转。若单片机控制器未接收到开窗指令，则判断是否发出关窗语音控制信号，若接收到关窗信号，车窗电机正转，车窗自动上升；判断电流传感器检测电枢电流是否大于等于A1，当电流大于等于A1时蜂鸣器报警提示，电机停转，当电流小于A1时，电机继续正转，直到达到限定位置，蜂鸣器报警，电机停转，若未接收到关窗指令，电机停转，实现语音控制车窗自动升降功能。

3.2 仿真电路

根据系统整体设计程序使用Arduino开发板进行仿真，汽车智能语音车窗控制系统仿真电路图如图5所示。系统电源模块采用的是BUCK型DC-DC转换电路，核心元件是LM2576-5，将车载12V电源降为5V，为人体红外感应传感器、电流传感器等提供电源；微处理器采用的主控芯片是AVR单片机，具备高可靠性、功能强、高速度、低功耗的特点，完全能满足系统处理数据的要求；HLK-V20语音模块采用32bit RSIC架构内核，低能耗、高性能，该模块可通过神经网络对音频信号进行训练学习，提高语音信号的识别能力；L298N驱动模块实现车窗电机的驱动，该模块采用SMT工艺稳定性高，高品质铝电解电容使电路工作稳定，可同时驱动两个车窗电机；ACS712ELCTR电流传感器，是基于霍尔效应的线性电流传感器，精确度高，低功耗；人体红外感应传感器采用热释电元件，当人体的红外辐射温度发生变化时，就会失去电荷平衡，电荷就会被释放，后续电路经检测处理后产生报警信号，传感器灵敏度高，抗干扰性强。通过AVR单片机监测并处理人体红外感应传感器、电流传感器、智能语音模块传送的信号，来完成语音控制车窗自动升降、防夹、离车自动关窗动作。