基于单片机的汽车天窗控制系统的设计
2021-12-09梁东云吴晓云
梁东云, 吴晓云
(商洛学院 电子信息与电气工程学院, 陕西 商洛 726000)
0 引言
汽车天窗已经是汽车的标配，它不仅是汽车的一个装饰，还能在车内温湿度改变时及时调节天窗的开合，怎样实现它随着车内的温度、湿度、光线的改变自动开合成为了一个研究课题[1]。本设计改善了车内空气的温度和湿度，弥补了传统天窗的不足，最大程度地提高了采光率[2]。它能在驾驶时把人解放出来，减少外界环境的改变对驾驶员的干扰，专心驾车，增加了车内环境的舒适度，提高安全性。
1 硬件设计
硬件设计是一个设计的基础，是软件设计和运行的前提，本设计以STC89C52单片机为核心，将传感器模块采集到的温度、湿度和光照强度进行转换后并通过显示模块进行显示，STC89C52微控制器经过信息的判断和处理后发送指令驱动电机的旋转，通过直流电机的正转和反转来模拟汽车天窗的开与合，达到车内温湿度以及光照强度的自动调节[3-4]。设计主要包括控制模块、传感器模块，显示模块和电机驱动模块4大部分，系统总体框架如图1所示。
图1 系统框架总图
1.1 温湿度采集模块
DHT12是一款新型单总线数字式温湿度传感器，内部包括一个感湿元件和一个NTC测温元件，微处理器之间具有独特的单总线通讯方式[5]。外部电路如图2所示。
图2 与单片机接口图
1.2 光照采集模块
通过光敏二极管PD采集光线，集成运算放大器将PD电流转化为PD电压，再由模数转换器获取16位数字数据，然后被逻辑和IC界面进行数据处理和储存[6-7]。引脚中SDA管脚与单片机的P1.0口连接，SCL管脚与单片机的P1.1口连接，利用I2C协议进行通信。
1.3 液晶显示模块
本设计采用LCD1602与STC89C52单片机进行不断通信，利用1602液晶的显示特性，将车内温湿度，光照强度以及天窗开合等信息在液晶显示屏上实时显示出来[8]。
1.4 直流电机
本设计选择TB6612电机驱动模块，该模块具有体积小、效率高、在额定范围内芯片发热量低的特点。本设计通过单片机控制电机的运动模式，实现直流电机的正传、反转和停止[9]。
1.5 按键电路的设计
本设计采用3个独立按键，分别接单片机P1.4、P1.5、P1.6，由程序扫描这3个口，其中SW2是设置按键，SW3和SW4分别对应加减按键，通过这3个按钮来设定车内温湿度的阈值。按键与单片机接口如图3所示。
图3 键电路
2 系统软件设计
2.1 DHT12温湿传感模块
2.1.1 数据格式
DHT12与单片机之间通过单总线协议进行数据传输。每次传送40位的数据，其数据格式为8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位[10]。若8bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据=校验码，则表示校验通过，代表这次读取出来的温度湿度正确[11]；若校验不通过，那么就代表这次读取出来的温湿度值是错误的，单片机将自动删除数据。
2.1.2 DHT12的通信流程
DHT12与单片机的通信过程中，DHT12为从机，STC89C52单片机为主机，通信流程如下：①主机发送起始信号②DHT12响应信号③DHT12通知主机准备接受信号④DHT12发送准备好的数据⑤DHT12发送结束信号⑥DHT12内部重新检测室内环境温湿度并记录数据，等待下一次主机发送的起始信号[12]。主机、从机的通信过程如图4所示。
图4 DHT12时序图
2.2 BH1750光照传感模块
BH1750光照传感器的通信流程，BH1750为从机，STC89C52单片机为主机，具体的通信流程分2步。
(1) 主机向从机发送起始信号，发送设备地址和写信号，发送完毕后等待BH1750应答，然后单片机再发送内部寄存器地址，等待从机的应答，得到回应后停止发送命令[13]。再发送“连续高分辨率模式”指令，时序如图5所示。
图5 写操作
(2) 单片机等待BH1750的回应，读取BH1750返回的信息，信息有16位数据，数据分为高8位和低8位。先读取高8位数据，并发送应答信号，再读取低8位数据，随后主机发送停止信号，整个采集过程结束。时序如图6所示。
图6 读操作
2.3 系统软件设计流程
汽车天窗开合控制系统软件设计主程序框架设计如图7所示。
图7 主程序设计框架
3 系统功能测试
以室内温湿度模拟车内温湿度对汽车天窗开合控制系统进行测试，通过按键电路设定温湿度阈值，检测系统是否能正确地按照指令进行开关窗操作。
(1) 系统初始化：给系统供电，使控制系统中的各个模块初始化，显示程序设定，第一行是温度和湿度，第二行是光照强度。系统初始化如图8所示。
图8 实物图
(2) 当温度不在设定范围时：设定温度阈值max=25 ℃，min=20 ℃，湿度阈值max=60%，min=30%，当温度T=26 ℃，湿度RH=43%，温度T不在阈值范围内时，电机正转，显示开窗标志00。控制系统工作正常。如图9所示。
图9 液晶显示开窗标志图
(3) 当湿度不在设定范围时：设定温度阈值max=30 ℃，min=20 ℃，湿度阈值max=25%，min=20%，当温度T=29 ℃，湿度RH=29%，湿度不在阈值范围内时，电机正转，显示开窗标志00。控制系统工作正常。如图10所示。
图10 液晶显示开窗标志
3 总结
本设计利用STC89C51单片机作为控制芯片，温湿度传感器作为车内温湿度的采集模块，液晶显示屏实时显示车内温湿度，当温湿度不再设定范围时，芯片及时控制电动机开合及关闭，实现了汽车天窗及时的开合及关闭，本设计简单明了，造价低，具有美好的市场前景。
