基于单片机的汽车车窗控制系统【毕业论文】

北华大学毕业设计（论文）摘要本文设计的汽车电动车窗自适应控制系统采用司机主控面板和乘客子控面板双控制的方式来控制车窗的关闭和开启。为了充分保障司机对整车的控制权，主控面板的控制级别要高于分控制面板的控制。系统设有防夹功能，当车窗上升过程中遇到障碍物无法前进时会自动停止上升并下降一定幅度，并等待下次指令发出。此外为了满足突发情况发生时乘客强行关窗的需要，在司机主控面板处设有强行关窗指令按键，此时将忽略防夹功能进行强行关窗。系统对车内空气实时监测，对烟雾、酒精、丙烷等有害、可燃或其他危及车内人员身体健康或人身安全的气体进行检测，当此类气体达到一定浓度后会自行开窗通风。为了防止汽车高速行驶时发生意外，在高速行驶时会自动关窗并上锁，此时只有司机处的主控开关能够控制车窗开启。该电动车窗自适应控制系统线路比较简单，为了节省成本同时为了便于维护和升级本系统采用独立控制模式。采用AT89C52单片机作为主控器进行指令采集、运算分析、车窗动作控制和障碍物判断等；采用键盘扫描的方式采集指令节省线路的同时节省控制器的接口资源；采用LM298驱动芯片结合光栅对车窗升降电机进行驱动和闭环控制，并实现障碍物判断；采用MQ-2气体传感器对车内空气检测并在浓度过高时触发主控器进行控制操作。本设计具有线路简单、易实现、功能全和可维护性高等特点，并通过实物演示可知本文设计的系统可以完整的实现预设功能。关键词：汽车电子；电动车窗；车窗防夹；烟雾检测；单片机AbstractThe design of the adaptive control car windows system in this paper using two control panel the drivers master control panel and passenger sub-control panel to control the closing and opening of windows. In order to fully guarantee the drivers control power of the car, the control level of the main control panel is higher than the level of sub-control panel. The system is equipped with anti-trap function, the car window will stop rise and decline a certain range if encounter to obstacles when the car window is during the ascent and whit the next command. And in addition , the need of force closing of the window in some emergence situation, the system also with an button of force close command in the drivers main control panel, in this situation system will ignore the obstacle to force rise. System real-time monitoring of the air inside the vehicle, detection the gas of alcohol, methane and other harmful, flammable or other endanger the body health or safety of personnel inside the vehicle. The windows will open to ventilate when these harmful gas reaches a certain concentration. In order to prevent accidents when the car is in the process of high speed, windows will be closed and locked in the process. At this time , only the drivers main control panel can control the windows .This systems circuit is simple. In order to save costs and facilitate the maintenance and upgraded, this system with independent control mode. The AT89C52 microcontroller as a master instruction acquisition, operational analysis, windows motion control and obstacle judge; Keyboard scanning to acquisition instruction in order to reduce lines at the same time saving interface resources; LM298 driver chip combined with the grating on the window lift motor drive and closed-loop control; Using the MQ-2 gas sensor for detection of air inside the vehicle and in the concentration is too high to trigger the master control operations.Key Words：Electric Vehicle；Power windows ；Window anti-trap; smoke detectors； MCUThe design is Simple circuit, Easy to implement and Maintainability. The design of the system In this paper can complete default features through in-kind demonstration shows.目录摘要1Abstract2引言11 设计方案21.1 方案及功能概述21.2 方案论证31.2.1 升降和特殊功能按钮连接方案31.2.2 车窗完全关闭和完全打开判断方案41.2.3 防夹功能实现方案41.2.4 车窗电机驱动方案41.2.5 室内空气检测方案51.2.6 主电源断电检测方案51.3 器件的选型51.3.1 单片机选型51.3.2 电机驱动芯片选型51.3.3 气体检测传感器选型62 系统主要器件介绍72.1 主控器STC89C52单片机介绍72.1.1 STC89C52单片机主要引脚介绍82.1.2 STC89C52单片机主要特性112.2 L298N驱动芯片介绍122.3 LM393电压比较器介绍163 硬件设计183.1 电动车系统总体硬件组成183.2 系统各模块的设计183.2.1 单片机系统电路设计183.2.2 键盘扫描电路设计193.2.3 电机驱动模块的设计203.2.4 脉冲防夹检测模块的设计213.2.5 空气检测模块的设计223.3 系统硬件实物图224 系统软件设计和算法实现254.1 单片机开发软件Keil介绍254.2 程序设计思想和流程图264.2.1 整体程序控制流程264.2.2 自适应障碍物判断程序284.2.3 电机控制程序294.2.4 一键关窗上锁功能程序304.3 重要控制模块的实现程序314.3.1 指令识别与判断314.3.2 电机驱动程序324.3.3 特色功能实现程序335 系统调试365.1 指令识别模块调试365.2 空气检测模块调试365.3 PWM控制电机速度调试365.4 系统联调375.5 调试过程中遇到的问题37结论38参 考 文 献39附录A系统其他主体程序补充41致谢45- 4 -北华大学毕业设计（论文）引言电动车窗，是指以电为动力带动电机转动，从而使车窗玻璃自动升降的车窗。它是由驾驶员或乘员按动升降按钮或其他信号来控制车窗升降电动机，电动机产生动力通过一系列的机械传动，使车窗玻璃按要求进行升降。车窗控制器是汽车电子中的重要组成部件，过去车窗设计普遍采用手摇式车窗控制器，随着电子技术的发展，手摇式车窗正逐渐淘汰，取而代之的是越来越普及的电动车窗控制器。随着电动车窗的普及，电动车窗控制器的性能与功能设计的人性化与否直接影响到乘客对整车的性能及舒适程度的评价。因而设计出一款性能稳定、功能齐全和高度人性化的控制器越来越受汽车电子行业的重视。90年代中期以来，电子模块化设计被引入汽车电子中，汽车电动车窗控制技术得到了迅猛发展。早期的电动车窗控制器采用三极管等分立式元件，通过设计硬件电路的方式实现控制功能。这种设计方式由于分立元件的离散性较大且性能不稳定等原因决定该设计方式具有很大的局限性，且功能单一、电路复杂，维护性较差。随着微型计算机和汽车电子的迅猛发展，越来越多的数字和智能原件用于汽车电子中，汽车电动车窗控制器也开始引入智能控制器件，现在已经有很多中高端车型采用价格低廉、性能稳定的单片机作为车窗控制器的主控器，结合其他按键、转速等检测及信号传输电路实现控制功能。这种控制方式具有易实现、智能化提升空间大、可维护性好等优越性能，越来越受到各大汽车厂商的青睐，必然成为将来车窗控制器的主流控制方式。然而令人不甚满意的是目前车窗控制器存在着许多有待提高的地方。具有智能化程度不够高，功能设计不够人性化等缺点。大多数控制器还不具备防夹功能或者虽具备防夹功能却极易发生由于使用时间的增加而造成的车窗玻璃上升阻力增大误认为是遇到障碍物，或者是车窗已经升到顶端却认为是遇到障碍物而又下降等误判现象。令外还有少数控制器会发生由于阻力增大引起上升速度下降等原因造成车窗还未升到顶端就停止上升，造成车窗无法关严的严重后果。该系统充分考虑现有系统的上述缺点并加以改进和创新设计，并大量加入人性化设计，在充分保障以人为本的基础上加入多种自动控制方案。另外系统的设计还充分考虑安全因素，加入了多种保障车辆行驶及车内乘员安全的控制策略。1 设计方案1.1 方案及功能概述本系统设计为独立控制模快的方式：设有司机主控升降按钮和各乘客各位置的子控升降按钮；采用单片机作为主控器，负责各模块电路的协调运作及数据采集和处理并输出控制信号；采用4*4键盘的扫描和特殊按键直接读取的方式收集指令；采用直流电机做为车窗玻璃升降动力来源；气体传感器进行车内空气进行实时检测。系统总体方案框图如图1.1所示。图1.1 系统方案框图系统功能描述如下： 首先该系统可以完整的实现车窗基本的升降功能，既司机主控和各乘客位置子控结合的升降功能； 设有车窗完全关闭和完全打开识别功能，防止因按钮松开滞后造成电机堵转的现象发生，判断出后完全关闭或完全打开后自动释放电机，有效减少电机伤害，延长使用寿命； 为了满足在车内有儿童或其他情况需要手动锁窗的要求，在司机主控面板处设有一键关窗上锁和解锁按钮，一键关窗上锁功能只需按动一个按键便可使所有窗户关闭并上锁； 为了防止汽车在高速行驶状态时开窗会有强气流进入造成不必要的麻烦，系统设有高速自动关窗上锁功能，此时子控按钮失效。为了保障司机控制权，主控按钮依然有效，并在汽车车速降下后一切控制功能自动恢复； 系统具有关窗防夹功能，在车窗关闭过程中若遇到障碍物阻挡车窗上升，为了防止夹伤，车窗会停止上升并下降一定距离，等待下次动作指令发出； 具有车窗防夹自适应功能，随着使用时间的增加，车窗上升阻力会增大，造成车窗上升速度变慢，普通车窗控制器在这种条件下很容易发生误判。该系统具有自适应的学习功能，自动根据车窗参数变化改变障碍物判断条件，进而杜绝误判的发生； 系统具有强制关窗功能，在遇到紧急情况时，如歹徒蓄意阻挡关窗等情况，可按下强制关窗按钮后再进行关窗，此时将忽略障碍物的阻挡，强制关窗直至完全关闭，以保证车内乘员人身财产安全； 系统具有车内空气实时检测功能，系统通过气体传感器，实时感知车内烟雾、酒精、丙烷等有害或易燃易爆气体浓度，当此类气体达到一定浓度后会自动开窗并产生灯光报警，以维护车内空气清新保障乘员健康和整车安全。另外由于天气或个人原因不希望自动开窗通风的可通过主控面板处的取消烟雾检测按钮取消该功能，取消后该功能在下次人员主动开窗后自动恢复； 系统具有掉电检测并关窗上锁功能，本系统将关闭整车电源的情况认为车内无人，此时立刻调用自身备用电源自动关窗上锁； 1.2 方案论证1.2.1 升降和特殊功能按钮连接方案控制车窗升降的按钮，包括司机主控按钮和乘客子控升降按钮一共有十四个，加上一键关窗上锁按钮和解锁按钮正好十六个按键。以此十六个按键为基本功能控制按键组，采用4*4键盘扫描的方式采集控制指令。根据4*4扫描的方式设置按键组合次序，保证司机主控按键的控制级别高于子控按键。另外系统设有的特殊功能按钮，如强制关窗按钮、取消烟雾检测按钮等采用独立识别的方式直接连接到主控单片机接口上。1.2.2 车窗完全关闭和完全打开判断方案市场上现有车窗控制器中有很多根本没有此判断功能，会在按键延迟释放时造成电机堵转，严重影响电机和控制线路的使用寿命。也有一些控制器采用直接位移测量或计算上升和下降时间的间接位移测量的方式来判断，此判断方式在随着使用时间的增加，系统各参数发生变化后极易发生误判。本系统采用最简单直接却又能保证100%杜绝误判的判断方案：采用在车窗顶部和底部各设一个行程开关，利用车窗玻璃自身来按下或松开相应按键，再由单片机直接判断这些按键来识别车窗是否完全关闭或打开，并及时释放电机转动指令的方案。因为该方案利用的是车窗玻璃自身的行程来控制，固能保证100%正确判断。1.2.3 防夹功能实现方案防夹功能中的障碍物判断方案是本系统的最重要的创新点之一。市场上现有控制器大多采用电机堵转电流检测法判断障碍物的方案，这种方案需要结合电流采样电路和A/D转换电路来实现。该检测方案有很很多不足之处，首先是增加了电路的复杂性，并且随着时间的增加，车窗上升阻力会增大，自然会造成电机驱动电流增大，这样采用电流检测法的判断方案就极易发生误判。对障碍物的判断，本系统采用全新的判断思路，在电机转轴的延伸轴上安装光栅，并用红外对管通过光栅产生结合其他电路产生计数脉冲。通过单片机的脉冲计数功能对该脉冲进行计数，再结合单片机自身的定时功能就可以实现一定时间间隔内对电机转动圈数的测量。在一定时间间隔内如果电机转动圈数为零，就可以认为是遇到了障碍物。此时系统立刻停止车窗上升并自动下降一段距离以释放障碍物，同时产生灯光报警。最值得一提到是本系统在此功能中加入了自适应控制方法，在上述方案中提到的“一定时间间隔”是系统通过自适应学习而自动设定的，并会根据车窗实际参数和上升速度进行改变，从而避免了因车窗参数发生变化而造成的误判。尽管时间间隔是由系统自动设定的，系统也完全可以保证在遇到障碍物0.5秒内做出反应，这一点也在实际测试中得到验证。1.2.4 车窗电机驱动方案系统通过单片机I/O口输出PWM控制数字电机驱动电路，通过驱动电路将信号放大产生驱动电流，进而驱动电机通过各级机械传动及导轨机构带动车窗玻璃，通过电机的正反装实现车窗玻璃上升与下降。1.2.5 室内空气检测方案采用能够检测多种危险气体的数字气体传感器检测车内气体，将检测信号传给单片机，单片机进行实时检测，一旦信号传来就判断当前车的行驶状况和车窗当前状况，当状态允许时自动开窗通风。1.2.6 主电源断电检测方案系统备有自己独立的供电电源，当主电源接通时，车窗控制系统由主电源供电，此时备用电源处于充电状态。当电源断开时，主电源关闭检测电路将信号直接传至单片机，系统自动调用自身备用电源将车窗自动关闭，并屏蔽其他一切功能。1.3 器件的选型1.3.1 单片机选型本系统属于整车电子系统中的从属模块，对运行速度和接口资源要求都不是很高。本系统的主控器的选择只需要满足以下几点要求即可：四个以上八位I/O口；三个以上定时/计数器；与TTL电平兼容。考虑以上系统对主控器的要求， 本系统选择STC公司的STC89C52单片机作为主控器。该款单片机有着较久应用历史，技术十分成熟；在八位单片机市场中应用最为普遍且价格十分低廉。它具有四个八位I/O口，三个定时/计数器，TTL接口电平，还有其他外部中断等。完全满足系统需求，且性能稳定价格低廉。1.3.2 电机驱动芯片选型电机驱动是车窗上升与下降的动力源泉，电机转动产生的转矩通过多种传递、减速等连接和转换装置将电机的转动位移转化为玻璃的直线位移。因此电机驱动的选取一定要能够提供足够的驱动电流，并且能够为可能发生的堵转和强制上升留有一定的电流余量。且其控制电平应与TTL电平兼容。本系统选用L298电机驱动芯片作为车窗电机的驱动，该芯片具有两个全桥控制电路一片芯片，一个芯片可以同时控制两个电机的正反转。其典型输出电流高达2A，最大电流可超过3A。足够驱动车窗玻璃升降所用，但是如果考虑本系统所设有的强制关窗功能，可以将一个芯片的两路驱动电流接至一个电机上，以保证强制关窗时的强劲关窗动力。每个芯片设有两路使能信号，可根据需要配置驱动使能。且经过多年市场检验证明其性能十分稳定，价格相对其他驱动芯片也便宜很多。1.3.3 气体检测传感器选型本系统对车内空气实时检测，检测目标气体包括：对身体有害的气体，如烟雾等；有刺激性气味的气体，如酒精等；威胁人身安全的易燃易爆气体，如甲烷、丙烷等。车内这三类气体如果浓度过高时都会对行车及车内人身安全造成极大威胁。因此在选择气体传感器的时候要满足能够准确检测尽可能多的此类气体浓度，并尽量少占用单片机的接口资源，能长时间稳定工作的要求。经过比较，本系统选择MQ-2气体传感器，他的气体检测范围宽，能够完全涵盖需要检测的气体，驱动电路简单，且性能稳定寿命长价格低廉。结合上比较器对其输出的模拟电压与设定阈值电压进行比较，将气体超过设定浓度信号的传感器电压转化为单片机可以直接识别的低电平信号。这样只需一跟数据信号线接至单片机，简单实用。2 系统主要器件介绍2.1 主控器STC89C52单片机介绍STC89C52是STC公司推出的一款一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读FLASF程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），该芯片采用ATMEL高密度、非易失性存储技术生产，完全兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。功能强大的STC89C52单片机可满足多种较复杂系统控制应用场合。STC89C52共有40个引脚，STC89C52的引脚图如图（二），32个双向输入/输出（I/O）端口，同时内含3个16位可编程定时计数器,2个外中断口， 2个全双工串行通信接口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。它将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。STC89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义.图2.1 STC89C52引脚图2.1.1 STC89C52单片机主要引脚介绍1）P0 口P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。2） P1 口P1端口（P1.0P1.7，18引脚）是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表2.1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）3）P2 口P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 4）P3 口P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（TTL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 表2.2 P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）5）RST复位输入引脚当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。复位电路如图2.2所示.图2.2单片机复位电路6）XTAL1/XTAL2时钟震荡输入引脚XTAL1是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2是振荡器反相放大器的输出端。两个引脚结合起来构成单片机的震荡电路接口，是单片机工作的“心脏”。震荡电路如下：图2.3单片机震荡电路2.1.2 STC89C52单片机主要特性 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051； 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机） 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz； 用户应用程序空间为8K字节； 片上集成512字节RAM； 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻； ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成； 具有EEPROM功能； 具有看门狗功能； 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2； 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒； 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART； 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）； PDIP封装；2.2 L298N驱动芯片介绍L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，是一个单片集成电路，集成了两个全桥电机驱动电路，是一个款高电压、高电流的双全桥驱动器。可以接受TTL逻辑电平输入，可以驱动如继电器，直流电机和步进电机等感性负载。两个使能输入端可以在不影响输入信号的情况下独立的允许或禁止器件的两个输入信号输入。每个桥电路的下部晶体管的发射极连接在一起，并与相应的外部引脚相连，可用于连接外部检测，检测电流状态变化。器件提供了一个额外的电源连接电路可为逻辑部分提供工作所需的低电压。芯片引脚图如下图：图2.4 L298N引脚图L298N的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。其主要性能指标如下： 工作电压：控制信号直流5V；电机电压直流3V46V（建议使用36伏以下） 最大工作电流：2.5A 额定功率：25WL298N芯片内部结构图如下：图2.5 L298N内部结构图在芯片内部结构图中可以清楚的看到两个独立桥式电路并行连接，并分别由独立的两路输入引脚和一个使能引脚控制(In1In2EnA和In3In4EnB)，其中使能引脚通过与门直接控制允许与屏蔽输入信号的进入。可以在OUT1与OUT2之间和OUT3与OUT4之间分别连接一个电机，就可以独立的控制两个电机的正反转。以OUT1和OUT2接电机为例，其控制方式和电机转动方向如下表所示表2.3 L298N控制表EnAIn1In2OUT1OUT2转向低XX高高停止高高低高低右转高低高低高左转高低低低低停止高高高高高堵转说明：“高”表示高电平；“低”表示低电平；“X”表示任意；表中灰色行表示禁止此状态气体传感器MQ-2介绍MQ-2气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。可以将输出信号接到A/D转换器上将模拟信号转化为数字信号传至单片机进行运算处理，也可以把输出信号接至电压比较器，调整基准电压，可以实现浓度达到一定程度后输出有效电平直接供单片机使用。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-2气体传感器灵敏度特性如下图所示：图2.6 MQ-2气体传感器灵敏度特性说明： 测试条件：温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度：21% RL=5k Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0: 元件在洁净空气中的电阻值。MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图八所示由微型Al2O3陶瓷管、SnO 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，内部结构图见图8 所示，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流，其中A-A 和 B-B 管脚在电路中是短接的，引脚图如图9所示。图2.7内部结构简图图2.8 MQ-2气体传感器外形和引脚图下表为MQ-2气体传感器的部件构成及各自所用材料表2.4 MQ-2气体传感器的部件构成及各自所用材料部件 材料1气体敏感层 二氧化锡2电极 金（Au）3测量电极引线 铂（Pt ）4加热器 镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管 三氧化二铝6防爆网 100目双层不锈钢（SUB316）7卡环 镀镍铜材（Ni-Cu）8基座 胶木9针状管脚 镀镍铜材（Ni-Cu）2.3 LM393电压比较器介绍LM393是由两个独立的高精度电压比较组成的集成电路其内部结构框图如图2.9所示，失调电压低，最低为2.0mv。它可以单电源供电也可以双电源供电，而且无论电源电压大小，消耗的电源电流都很低。还有一个显著的特性，即使是单电源供电，比较器共模输入电压范围也接地电平。图2.9 LM393内部结构框图 图2.10 基本比较电路主要用于脉冲发生器、简单的数模转换、方波发生器、限幅器、延时发生器、宽频压控振荡器、多频正当器和高电平数字逻辑门电路等。393被设计成能直接连接TTL和CMOS；当用双电源供电时，能够兼容MOS逻辑电路，这是393相对于标准比较器的显著优势。本系统英语LM393的脉冲产生功能，也就是只需最基本的比较电路就能实现该功能，基本比较电路如图2.10所示。L393主要有一下几个特点： 电压范围宽：单电源 2V36V；双电源+1V+18V; 电源电流消耗很低：0.4mA; 输入偏执电流低：25nA; 输入失调电流低：+5nA； 最大输入失调电压：3mV； 输入共模电压范围接近地电平； 差模输入电压范围等于电源电压； 输入饱和电压低：250mV at 4mA； 输出电平兼容TTL，DTL，ECL，MOS和CMOS逻辑系统；3 硬件设计3.1 电动车系统总体硬件组成图3.1为系统硬件的结构框图，系统采用STC89C51单片机作为主控器，键盘扫描电路负责对控制按钮进行扫描识别，气体检测传感器、防夹脉冲电路和车锁状态反馈电路都将相应信号传至单片机，单片机进行运算处理后控制电机驱动电路，并在一定状态下控制灯光报警电路进行灯光报警。 图3.1 车窗控制系统总体硬件结构框图3.2 系统各模块的设计3.2.1 单片机系统电路设计单片机系统电路设计包括单片机工作的最基本的最小系统电路、接口引出电路、指示灯电路和下载程序必需的下载电路。尤其是下载电路，采用了最近发展起来的较为方便的USB下载电路。其电路图如下：图3.2 单片机系统电路图3.2.2 键盘扫描电路设计本系统对按键的识别采用4*4键盘扫描的方式，这样可以节省单片机接口资源的同时增强识别效率。根据键盘扫描的顺序合理安放控制按钮，可以方便的实现按钮控制优先权的配置。电路图如下图所示：图3.3 键盘扫描电路3.2.3 电机驱动模块的设计L298是一款双全桥集成电路，其本身工作电路十分简单。但本模块电路设计充分考虑使用的方便性，增加了一些跳线和指示灯电路。另外由于L298可以驱动的电压和电流交高，但其工作逻辑电路的工作电压只有5V，因此该模块电路设计了两种为逻辑部分供电的方式：（1）当电及驱动电压在7V16V之间时可以将JP7的跳线接上，通过7805将驱动电压稳压至5V共芯片逻辑部分工作；（2）当电压驱动电压不属于上述供电范围时，将JP7跳线断开，采用直接外接5V电源供电的方式为L298供电。电路如图3.4所示。图中JP1JP7为跳线端子，可以根据需要进行跳线选择；JP8为单片机控制端，其中INPUT1INPUT4为单片机产生的PWM输入口，ENABLE_A和ENABLE_B是两个全桥电路输入信号的使能端；P2既芯片的OUT1OUT4为电机驱动电压输出口；SEN_A和SEN_B为电流检测端，当不需要此功能时可以通过跳线直接将其接地。图3.4 L298电机驱动电路图3.2.4 脉冲防夹检测模块的设计本系统检测一定时间内电机转动圈数来检测是否遇到障碍物。在电机转动轴上设有同轴转动的光栅，通过红外对管来检测光栅出现的次数来反映电机转动圈数。再将红外感应的电压变化通过电压比较器LM393转化成为单片机能够直接读取的TTL高低电平，从而实现单片机对电机运行状态的监控，实现障碍物的判断。下图为该模块电路图：图3.5 脉冲防夹检测电路图3.2.5 空气检测模块的设计本系统采用的MQ-2气体传感器，MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。经过简单的电路可以将电导率的变化转化为电压信号的变化，再将该电压信号送至电压比较器LM393上去基准电压进行比较。当电压达到一定值时，也就是检测气体达到一定浓度时，电压比较器会输出一个低电平。将该低电平送至单片机进行判断处理，进而实现了单片机对车内气体检测的目的。该模块电路图如下：图3.6 空气检测模块电路图3.3 系统硬件实物图系统硬件实物主要包括单片机、电机驱动、空气检测和防夹脉冲检测等几个模块，其实物图分别如下所示：图3.7 系统整体实物图图3.8 单片机及4*4键盘实物图图3.9 空气检测模块实物图图3.10 电机驱动模块实物及与电机连接示意图图3.11 防夹脉冲检测模块实物图图3.12 主电源开关模拟模块4 系统软件设计和算法实现4.1 单片机开发软件Keil介绍Keil C51是Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 Keil提供了包括C编译器、宏汇编、库管理、连接器和功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成的开发环境（uVision）将这些组成部分组合在一起。Keil软件在WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统上都可以完美运行。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其强大的软件仿真调试工具、方便易用的集成环境也会令软件设计工作事半功倍。Keil C51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外很重要的一点就是Keil生成的代码效率高，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能充分体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码非常紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。2009年2月发布Keil Vision4，Keil Vision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，还添加了一些其他新功能。本系统程序开发就是基于Keil Vision4上的开发，充分体验到了Keil Vision4窗口设计和编程过程中的细节功能上的人性化。为编程工作省下不少精力和时间。下面是Keil Vision4的主界面图4.1 Keil Vision4主界面4.2 程序设计思想和流程图系统程序设计的总体思路就是安全第一，在安全的基础上兼顾人性化和智能化。基于这个主题思路进行程序设计就有了控制优先权的顺序，主要有一些几条设计原则：一切控制器的功能都要在考虑安全的因素下进行；另外就是智能化要从属于人为控制，人是车的主人，再智能的功能也不能喧宾夺主，所以一切自动控制的功能都是在人为控制因素允许或闲置状态下进行；最后要考虑司机是整车的控制人员，一切控制包括其他乘客的人为控制都要从属于司机的控制，而且司机的要再司机位置上能够控制到所有车窗，并且具有其他乘客所不具有的控制功能。4.2.1 整体程序控制流程整体程序的设计主要可以分为以下几个部分：(1)模块和变量初始化；(2)车窗目前状态识别；(3)指令采集和识别；(4)汽车车内气体状况和汽车行驶状态识别；(5)车窗动作判断程序；(6)车窗电机动作（既PWM输出