谢智阳，陈纪钦，孙伟龙，丘益志，陈炜佳，纪霖菁

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

基于Arduino的电动车窗防夹系统实验与分析

谢智阳，陈纪钦，孙伟龙，丘益志，陈炜佳，纪霖菁

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

为研究电动车窗防夹控制系统的数据，搭建低成本、自动化的实验平台。本文提出基于欧姆龙光电编码器E6B2-CWZ6C和电流传感器模块的防夹车窗方案，并进行相关模块的设计，利用Arduino单片机对车窗控制系统探索和实践，对防夹车窗实验数据进行分析与研究。

光电编码器；电流；车窗防夹；Arduino单片机

随着汽车的普及，汽车电动车窗的大规模使用，增加了人们的操作方便和行车舒适性，但同时也给人们带来了一定的危险性，车窗上升时夹伤人的事件频繁发生，车窗安全问题引起人们的重视［1］。大多数车窗采用电流检测的方式来实现防夹，但这种方式对车窗位置的判断不够精准，无法精确判断是遇到障碍物还是车窗上升达到了顶端，比较容易出现误判，通过实验发现车窗电机在启动和到达顶端时都会发生较大的电流变化，导致电流检测部分发生误判［2］，而本文所研究的车窗防夹已解决了这个问题，利用欧姆龙旋转编码器E6B2-CWZ6C的脉冲来计算车窗的位置和车窗电机的旋转速度，当车窗上升过程中遇到障碍物时，车窗电机电流与转速会发生变化，车窗会停止上升并自动下降，起到保护作用［3-4］。

图1 硬件框图

1 硬件设计

1.1 实验平台的硬件结构

1）用车窗电机，欧姆龙旋转编码器E 6 B 2-CWZ6C，Arduino UNO控制板，两路光耦继电器驱动板，电流检测模块以及支架搭建平台，如图1所示。

2）Arduino单片机通过开关的输入信号来控制继电器，达到让电动车窗自动上升和下降的功能。

3）欧姆龙旋转编码器E6B2-CWZ6C和电流传感器连接Arduino单片机对应的引脚，对电机的转速和电流进行监测，根据数据对障碍物进行判断。

4）两路光耦继电器板上有对应的排针插口，可直接作为Arduino单片机的拓展板使用，节省空间和简化接线。

1.2 直流电机驱动控制电路

图2为直流电机正反转控制具体电路图，按下上升开关时，Arduino单片机接收上升开关的电信号变化，程序会使Arduino单片机向继电器1发送触发信号（高电平），电动车窗自动上升；Arduino单片机接收下降开关的电信号变化，程序会使Arduino单片机向继电器2发送触发信号（高电平），从而实现一键升降。

当电动车窗在自动上升的过程中遇到阻力时，程序会进行判断，当防夹程序条件成立时，Arduino单片机会向继电器2发送触发信号（高电平），向继电器1发送断开信号（低电平）。电动车窗自动下降，从而达到防夹效果。1.3 实验线路

图2 直流电机正反转控制电路图

1）单片机通过两路继电器的电平变化通断的性质，来判断实现直流电机的正反转。

2）电流传感器模块GY-712-5A与直流电机串联，通过电流接入来实现检测直流电机电流的变化。

3）欧姆龙旋转编码器E6B2-CWZ6C的轴与电机的轴进行连接，通过电机的转动来实现检测电机速度。

2 软件设计

2.1 电机正反转判断与旋转位置测量

如图3所示，用Arduino单片机采集A相和B相脉冲的电平变化，并开启与A相相连的外部中断引脚（2号引脚），当A相电平发生变化时，Arduino单片机触发外部中断进入中断子程序判断A、B两相电平状态。当A相和B相电平相同时，电机正转（CW）；当A相和B相电平不相同时，电机反转（CCW），从而使单片机进行电机正反转的判断以及电机旋转位置的判断。具体实现代码如下。

#define EncoderA 2 //光电编码器A相信号线与Arduino UNO 2号引脚（中断引脚）相连

#define EncoderB 3 //光电编码器B相信号线与Arduino UNO 3号引脚（中断引脚）相连

volatile long MotorPos = 0；//定义变量MotorPos用于存放电机旋转角度

void setup（）

图3 欧姆龙旋转编码器E6B2-CWZ6C波形示意图

{

pinMode（EncoderA，INPUT_PULLUP）；//2号引脚设置为上拉模式输入

pinMode（EncoderB，INPUT_PULLUP）；//3号引脚设置为上拉模式输入

attachInterrupt（0，Encoder_Interrupt，CHANGE）；//开2号引脚外部中断，电平变化时触发中断

}

void Encoder_Interrupt（）

{

if （digitalRead（EncoderA） == digitalRead（EncoderB）） //当A相电平变化时，如果A相与B相信号相等，电机为正转，反之电机反转

MotorPos++；

else

MotorPos--；

}

2.2 电动车窗防夹控制思路

图4为电动车窗防夹控制整体流程。当Arduino 单片机检测到车窗上升的开关信号时，Arduino 单片机输出控制信号控制继电器1导通，车窗电机正转，车窗上升。在上升过程中，Arduino 单片机不断重复检测电机的电流和转速是否会发生瞬变，如检测到电机的电流和转速异常，Arduino 单片机将输出控制信号控制继电器1断开，继电器2接通，使得电机反转，车窗下降，以达到防夹的效果。

图4 防夹控制软件流程图

3 实验数据分析

3.1 实验条件

设备厂家型号名称：合肥盈拓E6B2-CWZ6C欧姆龙旋转编码器。DC5～12 V，集电极开路输出，负载电流20 mA，1 000 P/R；深圳捷讯GY-712-5A电流感应模块。Arduino单片机，两路继电器拓展板，直流车窗电机，实验场所要无电磁干扰，实验平台为电机固定无抖动。

3.2 实验方案

为了研究车窗电机上升中障碍物质量对电机转速与电流的影响，测试不同情况下电机的转速和电流的变化。如表1所示。

表1 实验方案

1）k1 车窗（含玻璃质量）全程施加不同的重物启动上升；电动车窗在负载玻璃的情况下，分别施加不同的重物G1=0.35 kg，G2=0.70 kg，G3=1.05 kg，G4=1.40 kg，使电动车窗自动上升；多次测试电动车窗在不同重物下其电流I和转速R的变化，最后进行数据分析汇总。

2）k2 车窗（含玻璃质量）自动上升过程中突然施加不同阻力，分别给予电动车窗瞬间重物阻力G1=0.35 kg，G2=0.70 kg，G3=1.05 kg，G4=1.40 kg，多次测试电动车窗在自动上升过程中瞬间施加阻力其电流I和转速R的变化，最后进行数据分析汇总。

3.3 测试步骤

1）在电机（只负载玻璃）空载情况下，按下上升开关让电机上升，记录电机转速与电机数据。

2）电动车窗增加一定的负载质量（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），按下上升开关让电机上升，记录电机转速与电机数据。

3）在电机正常上升过程中突然施加重力（0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg），记录电机转速与电流变化数据。

4）重复以上步骤，不停的收集数据，通过这些数据来分析障碍物质量对电机的影响情况。

3.4 实验数据

选取测试样本中不同测速情况较为明显的图表进行实验数据分析，详见图5和图6。

根据图5、图6可以看出以下3点。

1）车窗刚启动阶段和到顶阶段，有无负载重物，其电流和转速数值都是紊乱的；在时间t＜0，与t＞110的范围内，其转速和电流的变化都是无线性化规律，其转速和电流在20＜t＜110的范围内时是基本稳定的，且稳定在一定的范围内。

2）车窗在上升的过程中，瞬间施加阻力，其转速有明显的低峰值R1，R2；且其变化为V形变化曲线，在转速到达低峰值R1，R2时，又逐渐上升回归稳定变化的数值。

3）车窗在上升的过程中，瞬间施加阻力，其电流有明显的高峰值I1，I2；且其变化为V形变化曲线，在电流到达高峰值I1，I2时，又逐渐下降回归稳定变化的数值。

4 结语

本文介绍的电动车窗防夹控制系统采用的是Arduino UNO 单片机实现。Arduino UNO单片机是以Atmega328p单片机为核心，其I/O口满足系统需求，且有2个中断口，单片机的体积较小，功能强大，其使用IDE编译，使程序易学简单。课题采用的是以编码器和电流感应模块的双向检测方式，编码器用于实时检测车窗电机的转速情况和位置情况，而电流检测模块用于实时检测车窗电机的电流，而继电器部分采用拓展板模块拔插式，大大简化了系统硬件，提高了整体系统工作的可靠性。经多组实验数据表明，编码器能准确识别车窗的位置及受到的阻力；电流感应模块能实时检测车窗电机全程的电流情况，但车窗电机刚启动和到顶点时，由于电流的不稳，其转速与电流的数据会受影响，所以应在编程过程中注意启动阶段和到顶阶段数据的影响。

［1］ 沈琛驰，朱志红，朱元.基于电流检测的车窗防夹算法探究［J］.机电一体化，2012（9）：40-43.

［2］ 杜延海.应用双霍尔传感器的防夹电动车窗设计［D］.上海：东华大学，2014.

［3］ 曹忠.基于卡尔曼滤波的电动车窗［D］.上海：华东理工大学，2014.

［4］ 马伟泽，张申科，汪宏杰.采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹设计［J］.汽车工程，2008，30（12）：1122-1124.

（编辑 章 子）

马自达展出由SKYACTIV-X汽油火花控制压缩点火发动机驱动的概念车

在2017东京车展上展出的产品中，马自达汽车公司将推出一款由最近发布的SKYACTIV-X汽油火花控制压缩点火发动机驱动的新概念车型。

针对该SKYACTIV-X发动机，马自达声称已经开发出一种用于HCCI(译者注：均质充量压缩点火）燃烧的新型控制系统，将HCCI范围扩展到负载图更大的百分比。马自达的火花控制压缩点火（SPCCI）的精髓是使用通过火花点火作为第二活塞（“空气活塞”）进行膨胀的球形火焰前端，以进一步压缩空气-燃料混合物，从而改善压缩点火。

马自达表示，压缩点火与增压器相结合将提高燃油经济性，同时提供巨大的发动机响应，并将当前的SKYACTIV-G汽油发动机的扭矩提高10-30%。

该概念车产品，一辆紧凑型两厢车还采用了SKYACTIV车辆架构，以最优的功能适用于以人为本设计理念的下一代技术。

Experiment and Analysis for Anti-pinch Power Window Lifter Based on Arduino

XIE Zhi-yang，CHEN Ji-qin，SUN Wei-long，QIU Yi-zhi，CHEN Wei-jia，JI Lin-jing
（Heyuan Polytechnic，Heyuan 517000，China）

In order to study data of the anti-pinch power window lifter，a low-cost and automated experimental platform is designed. This paper proposes a anti-pinch lifter design based on OMRON photoelectric encoder E6B2-CWZ6C and current sensor module，explores the window control system using Arduino micro-controller，and analyzes experimental data of antipinch power window lifters.

photoelectric encoder；current；anti-pinch window；Arduino micro-controller

U463.853

A

1003-8639（2017）11-0051-04

2017-07-25；

2017-09-21

河源职业技术学院教改基金（2016-jy03）

谢智阳（1985-），男，硕士研究生，讲师，主要从事汽车电子电路和嵌入式系统设计方面的教学与研究。

（信息来源：2017.10.10 Green Car Congress） 戴朝典 编译