汽车电动座椅课程设计

1 摘要摘要 现在的生活中 随着人们生活水平的提高 汽车已经成为人们必不可缺的交通 工具 汽车座椅的舒适度密切关系着驾驶员出行 座椅的不适可能引起驾驶员产生 较大的不舒适感 从而影响驾车质量 即而增加了交通事故发生的概率 而现今为 止 汽车座椅位置的调节基本有两大方式 一是传统的采用基于手动调节方式的机 械 这种方式现在仍广为运用 二是较为先进的电动控制 本文所设计的就是使用 51 系列单片机控制的电动座椅控制系统 采用几个开关来控制电机的正反转 从 而可以方便的调节座椅的位置 使驾驶员能够根据自己的需求有效的增加驾驶的舒 适度 本文主要由垂直方向 水平方向 靠背倾角三个方向调节座椅的位置 并使 用行程开关防止电机在极限位置继续运转而烧毁 关键词关键词 电动座椅 89C52单片机 双向直流电机 位置传感器 2 第一章第一章 绪论绪论 1 1 电动座椅研究的背景电动座椅研究的背景 如今 汽车的功能已不单纯是代步 还代表着身份等 汽车座椅也不再是简单 的一个座椅 而是应市场需求 被厂家赋予了更多的功能 比如温度湿度的控制功 能 自动按摩功能等等 都是人们追求更高生活质量在汽车座椅设计上的体现 除 了汽车座椅整体的变化外 汽车座椅面料也在发生着变化 总体看来 汽车座椅面 料的发展方向是 通过大力创新 提升自主开发设计能力 在用料的考究上 织纹 与材质色彩的协调上 力求表现产品的经典 尊贵等特点 突出多样化 个性化 以应对众多消费群体挑剔的选择 因此 未来汽车座椅面料应综合体现它的美学要 求 性能要求 安全要求 卫生要求及环保要求等方面的内容 1 2 电动座椅研究的意义电动座椅研究的意义 3 驾驶座椅状态主要是指驾驶座椅与方向盘距离的远近 座椅面的高低和座椅靠 背的俯仰角度 而驾驶员座椅状态是否合适 将直接影响到驾驶员的身心状态以及 视野大小 从而影响到行车安全 而实现座椅状态在人员要求下的自动调整 将会 使得调整变得轻松和快捷 现如今 座椅的舒适性不仅要让驾乘人员坐在座椅上时 感到舒服 还应综合考虑驾乘人员的各种感官知觉 比如视觉 触觉 听觉和嗅觉 心里感觉和功能性感觉 是否符合人际工程 等 这将在未来的座中变得越来越重要 电动座椅 座椅加热的通风装置 双密度的坐垫泡沫等技术的普及也将大大提升座 椅的舒适性 而且 在今天座椅的设计和开发过程更注重采用绿色环保材料 例如 采用可再生的原材料生产坐垫等用品 另外 轻量化的产品设计 即采用更少的材 料也是提高产品环保性的一大举措 电动座椅是指以电动机为动力 通过传动装置和执行机构来调节座椅的各种位 置 为驾驶员提供便于操作 舒适而又安全的驾驶位置 为乘客提供不易疲劳 舒 适而又安全的乘坐位置 按人体工程学的要求 座椅必须具有良好的静态与动态舒 适性 其外形必须符合人体生理功能 在不影响舒适性的前提下 力求美观大方 座椅应采用最经济的结构 尽可能地减少质量 随着人们生活水平的提高 对汽车 座椅的舒适性要求也越来越高 要求对汽车座椅地调节能够更加简单 方便 快捷 更简单更轻松的调整座椅位置 减轻驾驶疲劳 使人更舒适的操控汽车 汽车电动 座椅以驾驶者的座椅为主 从服务对象出发 电动座椅必须要满足便利性和舒适性 两大要求 也就是说驾驶者通过键钮操纵 既可以将座椅调整到最佳的位置上 使 驾驶者获得最好视野 得到易于操纵方向盘 踏板 变速杆等操纵件的便利 还可 以获得最舒适和最习惯的乘坐角度 1 3 课题的要求课题的要求 1 座椅负载 150kg 2 电源 车用电源 3 车型 微型轿车 4 各方向调节范围 前后 250mm 俯仰 60 度 高低 150mm 4 第二章第二章 电动座椅的组成部分电动座椅的组成部分 为满足不同体型 不同坐姿的驾驶员的喜好 驾驶员座椅通常具有较大范围的 调节功能 座椅由 3 个直流电机牵引 其中高度调节电机 1 个以支撑驾驶者在垂直 方向做上下移动 水平调节和靠背调节电机各 1 个用来控制座椅靠背的角度变化和 水平位置 直流电动机电枢电压为 12V 汽车座椅自动控制系统 89C52 单片机 驱动模块 传动机构以及按键开关构成 电动机的转速和座椅的位置信息由安装在 电机上的霍尔传感器检测 经整形和放大后送入单片机 构成系统的速度反馈 通 过手动开关控制直流电动机正反转 改变传动轴的行程和方向 从而调节汽车座椅 的位置 电动座椅主要由座椅开关 控制部分 位置传感器 执行机构的传动机构 五大部分组成 开关包括座椅各位置 靠背 滑动 垂直 的电动开关 单片机内 容包括对于电机控制 本设计中主要采用的是 89C51 单片机 执行机构主要包括座 椅调整的驱动电动机等 而且这些电动机均可灵活地进行正反转 以执行各种装置 的调整功能 座椅电控系统框图和整体结构图如图 1 图 1 控制开关单片机 电机 霍尔传 感器 传动装置 座椅动作 5 整体结构图 第三章第三章 电动座椅执行系统结构电动座椅执行系统结构 3 1 电动机电动机 电动座椅大多采用永磁式电动机驱动 此类电动机多采用双向电动机 其电枢 的旋转方向随电流的方向改变而改变 从而使电动机按照不同的电流方向进行正传 或反转 并通过装在座位侧板上或门扶手上的肘节式控制开关来控制电路通路和电 流方向 使某一电动机按所需的方向运转 以达到调整座椅的目的 为了防止电动 机过载 大多数永磁式电动机内装有热过载保护断路器 有些电动座椅采用直流电 动机来驱动 并装有两个磁场线圈 使其可作双向运转 这种电动机多使用继电器 6 控制电流方向 3 2 调节开关调节开关 它主要是用来调整座椅的各种位置 当按下此开关后 电控单元就会控制相应 电动机运转 按照驾驶员的要求调整座椅的位置 3 3 控制部分控制部分 单片机是最小的应用控制系统 本课题的控制部分我主要采用 89C52 单片机控 制电机的运转 但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部 如晶振 复位电路等 需要在片外加接相应的电路 对于片内无程序存储器的单片机 还应 该配置片外程序存储器 构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟 电路和复位电路即可 座椅位置信号取自变阻器上的电压降 根据每个自由度上的 电动机驱动座椅 从而使变阻器随动 根据变阻器的电压降 控制单元识别座椅的 运动机构是否到达 死点 如果到达 死点 位置时 电控单元及时切断供电电 源 保护电动机和座椅驱动机构 3 4 位置传感器位置传感器 位置传感器主要是用来检测座椅的各种位置 其结构如图 2 所示 设计中我采 用的是霍尔传感器 它主要由齿轮 滑块和螺旋杆 可变电阻器 组成 其工作原 理和一般电位计相似 螺旋杆由电动机通过齿轮驱动旋转 并带动滑块在电阻器上 滑动 从而使输出电压信号发生变化 电控单元根据此电压信号决定座椅的位置 7 图 2 座椅位置传感器 图 3 霍尔式座椅位置传感器的结构图 第四章第四章 电动座椅的传动机构电动座椅的传动机构 传动机构由永磁式直流电动机 位置传感器 滑块 涡轮蜗杆 导轨等构成 8 在座椅底部的支撑架上 有导轨 涡轮和位置反馈传感器 电机安装在座椅的底部 电机的转子轴驱动蜗轮转动 涡轮转动拖动座椅在导轨方向前后移动 实现座椅前 后位置的控制 位置反馈传感器仅仅用于前后极限位置测量 具体的移动位置测量 采用霍尔传感器 其输出的脉冲数量和移动的距离成比例 因此在前后位置 汽车 座椅安装时 需要进行初始位置调校 移动的距离都是以初始位置为参考 4 1 座椅的前后调节机构座椅的前后调节机构 纵向调整机构由蜗杆 涡轮 齿条 导轨等组成 齿条装在导轨上 调整时 电动机转矩经蜗杆传至两侧的蜗轮上 经导轨上的齿条 带动座椅前后移动 图4 纵向调整机构 1 支撑及导向元件 2 导轨 3 齿条 4 蜗轮 5 反馈信号电位计 6 调整电动机 9 4 2 座椅的高度调整机构座椅的高度调整机构 高度调整机构由蜗杆轴 涡轮心轴等组成 调整时 蜗杆轴在电动机的驱动 下 带动涡轮转动 从而保证心轴旋进或旋出 实现座椅的上升与下降 图5 高度调整机构 1 铣平面 2 止推垫片 3 心轴 4 涡轮 5 挠性驱动蜗杆轴 4 3 座椅的靠背倾斜部分座椅的靠背倾斜部分 调角器是对靠背 坐垫夹角进行调整和锁止的机构 调角器分为机械调角器和 电动调角器 机械调角器又包括机械板式调角器 机械杆式调角器 双联动调角器 等 机械板式调角器一般是采用棘轮棘爪或齿条齿板工作原理及板簧式复位结构 最大能够实现180度范围有级调节及折叠 适用于各类汽车驾驶员座椅 电动调角 器一般采用齿差行星齿轮传动原理或齿差双联摆线针轮行星齿轮传动原理 具有传 动平稳 强度高 调解范围大等优点 适用于高档汽车驾驶员座椅 这里采用行星 10 齿 轮结构 可以实现汽车座椅背靠角度的无极调整 在电机的驱动下 行星齿轮的传 动使心轴转动 心轴转动会驱动滑块上下移动 滑块是和座椅靠背骨架固定在一起 的 滑块位置改变使座椅靠背的角度改变 滑块向上移动 座椅靠背推动人体坐直 滑块向下移动人体自然会向后仰 滑块和心轴之间 靠机械齿合 当心轴转动时 给滑块以推力 当心轴静止时 机械齿支撑靠背和人体后靠的重量 图 6 靠背调整机构 1 行星齿轮结构 2 滑块 3 心轴 4 反馈信号电位计 5 调整电机 6 调整齿轮 第五章第五章 电动座椅的控制部分电动座椅的控制部分 单片机是由运算器 控制器 存储器 输入设备以及输出设备共五个基本部分 11 组成的 单片机是把包括运算器 控制器 少量的存储器 最基本的输入输出口电 路 串行口电路 中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上 MCS 51 单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器 引线 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入端和输出端 单片机内部虽然有振荡电路 但要形成时钟 外 部还需附加电路 MCS 51 单片机的复位是靠外部电路实现的 MCS 51 单片机工作 后 只要在它的 RST 引线上加载 10ms 以上的高电平 单片机就能够有效地复位 5 1 内部时钟方式内部时钟方式 利用其内部的振荡电路在 XTAL1 和 XTAL2 引线上外接定时元件 内部振荡电路 便产生自激振荡 用示波器可以观察到 XTAL2 输出的时钟信号 最常用的是在 XTAL1 和 XTAL2 之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器 如图 3 1 所示 晶体可在 1 2 12MHz 之间选择 MCS 51 单片机在通常应用情况下 使用振荡 频率为 6MHz 的石英晶体 而 12Hz 频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用 C1 和 C2 可在 20 100pF 之间取值 一般取 30pF 左右 5 2 外部时钟方式外部时钟方式 在由单片机组成的系统中 为了各单片机之间时钟信号的同步 应当引入惟一 的合用外部振荡脉冲作为各单片机的时钟 外部时钟方式中是把外部振荡信号源直 接接入 XTAL1 或 XTAL2 由于 HMOS 和 CHMOS 单片机外部时钟进入的引线不同 其 外部振荡信号源接入的方式也不同 HMOS 型单片机由 XTAL2 进入 外部振荡信号 接至 XTAL2 而内部反相放大器的输入端 XTAL1 应接地 如图 3 2 所示 由于 XTAL2 端的逻辑电平不是 TTL 的 还要接上接电阻 CHMOS 型单片机由 XTAL1 进入 外部振荡信号接至 XTAL1 而 XTAL2 可不接地 5 3 复位电路复位电路 MCS 51 单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式 最简单的复位电 路即在上电瞬间 RC 电路充电 RST 引线端出现正脉冲 只要 RST 端保持 10ms 以 上的高电平 就能使单片机有效地复位 在实际的应用系统中 为了保证单片机可靠地工作 常采用 看门狗 监视单 12 片机的运行 采用 MAX690 的复位电路如图 3 5 所示 该电路具有上电复位和监视 MCS 51 单片机的 P3 3 的输出功能 一旦 P3 3 不输出高低电平交替变化的脉冲 MAX690 就会自动产生复位信号使单片机复位 5 4 复位状态复位状态 复位电路的作用是使单片机执行复位操作 复位操作主要是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从程序存储器的 0000H 单元开始执行程序 程序存储器的 0003H 单元即 MCS 51 单片机的外部中断 0 的中断处理程序的入口地址 留出的 0000H 0002H 3 个单元地址 仅能够放置一条转移指令 因此 MCS 51 单片机的 主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令 5 5 时钟电路和复位电路图时钟电路和复位电路图 13 通常 单片机由单个集成电路芯片构成 内部包含有计算机的基本功能部件 中央处理器 存储器和 I O 接口电路等 因此 单片机只需要和适当的软件及外部 设备相结合 便可成为一个单片机控制系统 其整体控制部分如图所示 89C52 单 片 机 按键电路 升降电机 前后位移电机 背垫俯仰电机 时钟电路 14 15 5 6 整体控制电路图整体控制电路图 16 第六章第六章 设计总结设计总结 通过这次汽车座椅系统的课程设计 对自己学习机电控制系统有了更深刻的认 识 在学习本科目时首先感觉内容很多 而且有些理解很抽象 所以在做设计的时 候遇到比较大的阻碍 在老师发给我们设计题目的时候 感觉思路没有打开 通过看网上的相关文献 以及去图书馆找资料慢慢看出了些眉头后 通过请教老师把部分不懂的细节弄清了 完成这个艰难的第一步后 对整个题目解析宏观的把握 对整个系统的设计也有了 大致思路 第二步就是详细分析并作出整体的结构框图 这一步相对进行的比较顺 利 接下来就是理清思路选取试适用的机械结构 电机 控制器等 后面比较轻松 地完成了整个系统的设计 这次的课程设计还有着一层特殊含义 那就是它是与毕业设计挂钩的 所以我 更用心地去摸清了设计的每一个环节 发现问题时立即向老师或同学或者上网寻求 解决办法 我相信会在之后的毕业设计中发挥作用 在本次的电动座椅系统课程设 计中 我重新了认识到 我们对掌握的知识还不扎实 在考完之后或是经过一段时 间我们就对前面学过的知识没有印象了 这主要是因为没有理解性学习 所以