戚昊琛 張鑒 楊文華 王墨林

（合肥工業(yè)大學(xué)）

獨(dú)立于ECU的外后視鏡智能控制模塊設(shè)計(jì)*

戚昊琛 張鑒 楊文華 王墨林

（合肥工業(yè)大學(xué)）

利用單片機(jī)結(jié)合PCB電路設(shè)計(jì)了一種外后視鏡智能控制模塊。該模塊采用原車載12V電源供電，不依賴ECU而獨(dú)立工作；該模塊包含降壓電路及電機(jī)控制電路，可調(diào)節(jié)外后視鏡的翻轉(zhuǎn)角度；通過軟件編程可實(shí)現(xiàn)倒車時(shí)外后視鏡同步翻轉(zhuǎn)、定位及復(fù)位功能。以模塊化的PCB板載芯片與器件實(shí)現(xiàn)了樣品試制，經(jīng)仿真及裝車測(cè)試驗(yàn)證，該模塊可良好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，且與車輛電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無干擾匹配。

1 前言

傳統(tǒng)的汽車外后視鏡在使用過程中存在一定的盲區(qū)，特別是倒車時(shí)無法看到車后輪附近的障礙物。較常見的解決方式是加裝輔助鏡面，但其面積較小，成像嚴(yán)重變形，無法準(zhǔn)確判斷障礙物大小及距離；另一種方式是各汽車廠家通過行車電腦ECU控制[1]，但一般只有高端車型才予以配置，且不同廠家、不同車型間無法通用。本文設(shè)計(jì)了一種不改變?cè)嚱Y(jié)構(gòu)、不依賴于行車電腦、安裝簡單的智能外后視鏡控制模塊，基于單片機(jī)控制器與PCB外圍電路，可實(shí)現(xiàn)外后視鏡倒車時(shí)自動(dòng)下翻等控制功能。該設(shè)計(jì)適用于帶外后視鏡電機(jī)的車型，可為汽配、改裝等市場(chǎng)提供一種外后視鏡智能控制的解決方案。

2 硬件電路方案及設(shè)計(jì)

本模塊以單片機(jī)為主控制器，加以晶振電路、降壓電路、繼電器電路等實(shí)現(xiàn)外后視鏡的翻轉(zhuǎn)與復(fù)位。具體硬件電路方案為：通過原車外后視鏡驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)節(jié)開關(guān)對(duì)外后視鏡直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)；通過降壓電路將原車12 V驅(qū)動(dòng)電壓降至單片機(jī)供電電壓標(biāo)準(zhǔn)；通過降壓電路將原車掛倒擋時(shí)倒車燈輸出的12 V倒車信號(hào)降至單片機(jī)中斷觸發(fā)電壓標(biāo)準(zhǔn)，該倒車信號(hào)的存在與否，用于判斷是否驅(qū)動(dòng)外后視鏡翻轉(zhuǎn)和復(fù)位；通過晶振電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，確保時(shí)間的精確性；通過繼電器開關(guān)控制外后視鏡電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。具體控制過程通過單片機(jī)的軟件編程實(shí)現(xiàn)。

硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 單片機(jī)選型

所選單片機(jī)需帶有定時(shí)器功能、電源管理寄存器PCON、不少于一個(gè)外部中斷、4個(gè)IO口等，各種品牌或封裝的單片機(jī)均可使用。根據(jù)試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)要求，當(dāng)模塊安裝于車門內(nèi)后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)下方時(shí)，安裝空間較為充裕，本文選用的是通用型40PIN直插式STC89C52單片機(jī)，元器件采用直插式；當(dāng)模塊安裝于外后視鏡內(nèi)時(shí)，安裝空間狹小，因此采用20PIN AT89C2051單片機(jī)，元器件采用貼片式。圖2為采用的AT89C2051單片機(jī)部分電路。

2.2 降壓電路

所選單片機(jī)供電電壓為5 V，為了能直接使用車內(nèi)原外后視鏡12 V的驅(qū)動(dòng)電源，需通過一個(gè)降壓電路把12 V電壓降至5 V為單片機(jī)供電；同時(shí)，倒車信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)也需從12 V降至5 V。降壓芯片采用LM7805。降壓電路如圖3所示。

2.3 電機(jī)控制電路

外后視鏡驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制電路由兩組繼電器組成，其中三極管基極分別連接單片機(jī)的兩個(gè)I/O口，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)。本電路采用的繼電器為DC5V繼電器。

電機(jī)控制電路如圖4所示。其中，Rx為電阻，Sx為直流電機(jī)，Kx為DC 5V繼電器，Dx為肖特基二極管，Vdd為外后視鏡12 V供電電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

因倒車不是經(jīng)常進(jìn)行的操作，模塊必須實(shí)現(xiàn)低功耗模式以節(jié)約電能[2]，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到對(duì)電源管理寄存器PCON最低位PD的設(shè)定，以決定單片機(jī)是否進(jìn)入掉電休眠模式[3，4]。

具體軟件流程為：無倒車信號(hào)時(shí)單片機(jī)休眠；當(dāng)有倒車信號(hào)輸入外部中斷接口時(shí)，單片機(jī)復(fù)位，進(jìn)行初始化；再次檢測(cè)倒車信號(hào)，通過延時(shí)0.5 s來判斷是否為誤操作（若掛倒擋為誤操作，一般會(huì)在0.5 s內(nèi)修正）；確認(rèn)倒車信號(hào)無誤，啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制倒車鏡下翻固定角度，電機(jī)停；倒車信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)恢復(fù)至原位，電機(jī)停；3 s內(nèi)再無倒車中斷輸入則單片機(jī)進(jìn)入休眠；等待下一個(gè)倒車信號(hào)的喚醒。其中，時(shí)間通過定時(shí)器精確控制。

3.1 軟件流程

軟件流程如圖5所示。

3.2 主控制程序的部分語句

主控制程序部分定時(shí)器、中斷及電源管理器的程序設(shè)計(jì)如下：

4 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

4.1 仿真及裝車試驗(yàn)

按照上述軟硬件設(shè)計(jì)原則，利用PROTEUS軟件完成硬件電路搭建，利用KEIL軟件完成單片機(jī)的軟件編程與調(diào)試，并在PROTEUS內(nèi)完成軟硬件的聯(lián)合仿真[5]。

通過聯(lián)合仿真后，使用萬能板和相應(yīng)元器件完成電路焊接，裝載相關(guān)程序后進(jìn)行實(shí)際裝車測(cè)試，表明本智能模塊可成功實(shí)現(xiàn)汽車擋位掛至倒擋時(shí)外后視鏡自動(dòng)翻轉(zhuǎn)固定角度。如對(duì)于奇瑞QQ3試驗(yàn)車，設(shè)定下翻角度為10°時(shí)，可通過定時(shí)器精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)2.15 s來實(shí)現(xiàn)定位；掛至其他擋位時(shí)，后視鏡自動(dòng)恢復(fù)至原位。

4.2 PCB版圖及產(chǎn)品

本設(shè)計(jì)最后以PCB電路板形式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輸出，插口設(shè)計(jì)考慮無損安裝，采用專用插頭對(duì)插，不破壞原車線路。設(shè)計(jì)有安裝在左側(cè)車門內(nèi)后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)下方的直插式PCB電路板和安裝在后視鏡內(nèi)的貼片式PCB電路板兩種形式，以方便不同的改裝需求且對(duì)原車外觀無破壞。

因外圍12 V供電電流相對(duì)較大，因此設(shè)置供電網(wǎng)絡(luò)線寬為45mil，以防止發(fā)熱和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。其他網(wǎng)絡(luò)線寬設(shè)為28mil。

直插式PCB電路板版圖如圖6所示，產(chǎn)品實(shí)物照片如圖7所示。其尺寸為6 cm×7 cm，可安裝于汽車左側(cè)車門內(nèi)的外后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)下方空間，安裝方便，完全內(nèi)置，外部不可見。

貼片式PCB電路板版圖如圖8所示，實(shí)物照片如圖9所示。其尺寸為5.5 cm×72.5 cm，可直接安裝于后視鏡內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)后方空間，安裝方便，完全內(nèi)置，外部不可見。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述直插式及貼片式外后視鏡控制模塊進(jìn)行功能測(cè)試，任選以下被測(cè)車型進(jìn)行相關(guān)測(cè)試后得到下翻角度測(cè)試值如表1所示。

表1 同等時(shí)間各車型下翻角度

由表1可見，本模塊適用于各種被測(cè)車型，自動(dòng)擋與手動(dòng)擋汽車均可使用，雖同樣設(shè)置下翻時(shí)間為2.15 s時(shí)各車型外后視鏡下翻角度略有不同，但均不影響實(shí)際使用。外后視鏡下翻前、后對(duì)比如圖10所示。

由于智能控制模塊相對(duì)于原車系統(tǒng)為外加負(fù)載，試驗(yàn)還考察了其對(duì)于原電氣系統(tǒng)的影響。在上述車輛穩(wěn)定停止?fàn)顟B(tài)下，將汽車檢測(cè)儀接至蓄電池負(fù)極對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行測(cè)試，模塊安裝前、后靜態(tài)電流均無變化。事實(shí)上，模塊在不工作時(shí)具備掉電休眠功能，可見其對(duì)汽車原車電氣性能不造成影響。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種不破壞汽車原車外觀、性能及內(nèi)部電路的通用型后視鏡智能控制模塊，其以PCB板為載體。根據(jù)多項(xiàng)試驗(yàn)與檢測(cè)結(jié)果可知，該模塊可良好地解決隨選車型日常倒車時(shí)無法看到車輪及其附近障礙物的情況，且對(duì)原車電氣系統(tǒng)不造成影響，是一種實(shí)現(xiàn)外后視鏡智能控制的無損解決方案。

1 曹志婉.電動(dòng)后視鏡.汽車電器，2004（04）:58～59.

2 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,2004:25～26.

3 徐本財(cái),鮑宇.轎車智能電動(dòng)后視鏡開關(guān)及控制線路優(yōu)化設(shè)計(jì).黑龍江交通科技，2008（11）：105～107.

4 劉剛,秦永左,朱杰斌.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:北京大學(xué)出版社，2006，76～98，134～155.

5 吳志紅,吳庚澤,朱元,魏學(xué)哲,王佳元.基于XC164CS單片機(jī)的混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).汽車技術(shù)，2009（4）:15～18.

6 肖軍.聚焦汽車后視鏡.交通與運(yùn)輸，2009（3）:52～53.

7 何雍奧,張衛(wèi)波.新款汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研發(fā).海峽科學(xué)，2010（12）:41～43.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年7月1日。

Design of an Intelligent Control Module for Exterior Mirror Independent of ECU

Qi Haochen,Zhang Jian,Yang Wenhua,Wang Molin
（Hefei University of Technology）

An intelligent control module for exterior mirror is designed using MCU and PCB circuit.This module is powered by 12V vehicle-mounted power supplies,and is independent from electronic control unit(ECU)of the vehicles.It consists of buck converter and motor controlling circuit.The adjustable turning angle of the exterior mirror can be realized by this module.After programmed,the functions of exterior mirror synchronous turning when reversing,angle location and reset can be realized.At last,the product is put to pilot production based on a modular PCB on board chip and electronic devices.This module is capable of performing the designed functions,and can match the original electrical system of the car with no interference,which are testified by experiments.

Exterior Mirror，Intelligent Control Module，MCU，PCB，ECU

外后視鏡 智能控制 單片機(jī) PCB ECU

U463.68

A

1000-3703（2015）11-0057-04

國家自然科學(xué)青年基金（61404042）；合肥工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究發(fā)展基金（J2014HGXJ0091，J2014HGXJ0082）。