左 岐,肖 鈞,祝環(huán)環(huán)（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制學(xué)院,北京 100144）

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一種低功耗遙控車(chē)位鎖的設(shè)計(jì)

左 岐,肖 鈞,祝環(huán)環(huán)
（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制學(xué)院,北京 100144）

摘 要：在現(xiàn)有對(duì)車(chē)位鎖的調(diào)研基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的電動(dòng)遙控車(chē)位鎖。該車(chē)位鎖具有低功耗，智能化程度高，自動(dòng)限位等特點(diǎn)，可解決司機(jī)下車(chē)開(kāi)鎖的麻煩，為用戶的使用帶來(lái)了便利。設(shè)計(jì)中采用了低功耗設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行模式。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置可以在大于15米距離進(jìn)行遙控開(kāi)啟、停止動(dòng)作，對(duì)于7AH的蓄電池，系統(tǒng)充電周期大于4個(gè)月。論文最后對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出今后的努力方向。

關(guān)鍵詞：車(chē)位鎖； 遙控模塊； 位置檢測(cè)； 編碼解碼

1 引言

當(dāng)前車(chē)主使用的車(chē)位鎖大多為機(jī)械式。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)出停車(chē)位時(shí)，車(chē)主都要下車(chē)把車(chē)位鎖的升降桿放倒或立起，然后上鎖，使用非常麻煩，機(jī)械式車(chē)位鎖存在以下不足：（1）自動(dòng)化程度低，當(dāng)汽車(chē)進(jìn)、出停車(chē)位時(shí)，司機(jī)首先需要將車(chē)停在公共過(guò)道，然后下車(chē)開(kāi)鎖和上鎖，影響其它車(chē)輛的通行；（2）遇有雨天，司機(jī)需要一只手撐傘，另一只手開(kāi)、鎖車(chē)位，很不方便；（3）女司機(jī)經(jīng)常忘記拉手剎，易造成溜車(chē)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)有可能發(fā)生車(chē)輛事故；（4）車(chē)內(nèi)有兒童時(shí)，兒童會(huì)隨意按動(dòng)車(chē)內(nèi)機(jī)構(gòu)、按鈕等，增大事故概率。

遙控車(chē)位鎖是一種用手持遙控器進(jìn)行升降控制的自動(dòng)化裝置，作用是防止別人占用自己的汽車(chē)泊位，自己進(jìn)入或離開(kāi)車(chē)位時(shí)進(jìn)行遙控控制，省去上下車(chē)處理的麻煩。然而，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一些在銷(xiāo)車(chē)位鎖大多存在智能化水平低，使用壽命不常的缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)反復(fù)調(diào)查，一種智能化程度更高、功耗更低的高性能車(chē)位鎖被開(kāi)發(fā)研制，其主要特點(diǎn)如下：（1）以MSP430單片機(jī)為核心，具有更低的功耗、更高的可靠性、更加緊湊的電路結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的抗干擾能力，適應(yīng)于一般停車(chē)場(chǎng)或者露天場(chǎng)所安放；（2）具有LED燈閃光報(bào)警和充電提示功能；（3）遙控距離遠(yuǎn)，使用更方便。

2 無(wú)線遙控原理

無(wú)線遙控系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器兩部分組成。PT2262/PT2272 是我國(guó)臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編碼碼電路，可提供多達(dá)12 位三態(tài)地址，實(shí)現(xiàn)531441個(gè)不同的地址編碼組合。目前多數(shù)遙控器由PT2262/PT2272組合實(shí)現(xiàn)。

發(fā)射器通常由PT2262設(shè)計(jì)而成，主要包括指令按鍵、指令編碼電路、調(diào)制電路、發(fā)射電路等幾部分。當(dāng)發(fā)射器無(wú)按鍵按下時(shí)，PT2262 電源斷開(kāi)，高頻發(fā)射電路不工作；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262接通工作電源，高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)。發(fā)射器通常放置在車(chē)內(nèi)由司機(jī)操作，處于良好的工作環(huán)境，因此購(gòu)買(mǎi)市場(chǎng)上成品進(jìn)行編碼設(shè)置即可。發(fā)射芯片2262將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得十分簡(jiǎn)潔。

接收器由PT2272設(shè)計(jì)而成，主要包括選頻網(wǎng)絡(luò)、放大、整形等功能模塊。PT2272 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳輸出高電平。該高電平信號(hào)被單片機(jī)接收后經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，城市控制信號(hào)，以控制繼電器動(dòng)作，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的作用。

可根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)PT2262/2272的外接振蕩電阻進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越低，編碼的寬度越大，遙控距離越遠(yuǎn)越可靠。為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，通常選取PT2262為4.7MΩ、PT2272為820KΩ的匹配電阻。

3 控制模塊

3.1 位置檢測(cè)

位置傳感器是用來(lái)感應(yīng)升降桿位置的傳感器。當(dāng)升降桿升起到垂直位置時(shí)，位置傳感器S1感應(yīng)到位置信號(hào)并將信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制命令使電機(jī)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，升降桿停止上升。當(dāng)升降桿下降到水平位置時(shí)，位置傳感器S2感應(yīng)到位置信號(hào)并將信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)再次控制電機(jī)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，升降桿停止下降。

常用位置傳感器有霍爾集成開(kāi)關(guān)傳感器、光電位置傳感器、機(jī)械觸點(diǎn)位置傳感器等。其中霍爾式傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。光電開(kāi)關(guān)多由可見(jiàn)光或紅外光等光電耦合器件，使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)機(jī)械磨損、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械式開(kāi)關(guān)通常采用長(zhǎng)壽命的機(jī)械限位開(kāi)關(guān)。

此外，設(shè)計(jì)中還要考慮是否有車(chē)輛停在車(chē)位上，防止誤動(dòng)作而影響車(chē)輛的正常移動(dòng)。為防止車(chē)輛停在車(chē)位上時(shí)，由于誤操作使車(chē)位鎖升起而卡在車(chē)底，造成不必要的麻煩和損失，可增加超聲波距離檢測(cè)傳感器等方法進(jìn)行車(chē)輛探測(cè)。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

目前，市場(chǎng)上存在的電機(jī)種類(lèi)有很多，3V,5V,12V,24V直流電機(jī)，220V交流、直流電機(jī)，還有步進(jìn)電機(jī)等。其中步進(jìn)電機(jī)定位準(zhǔn)確，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。根據(jù)電動(dòng)車(chē)位鎖的實(shí)際狀況，電機(jī)并不需要時(shí)刻精確定位，因此步進(jìn)電機(jī)步滿足此需求。車(chē)位鎖工作環(huán)境為室外，因此不適合用220V交流供電。而汽車(chē)蓄電池多為12VDC，因此使用12V或6V的蓄電池作為供電電源，可方便于直接由汽車(chē)的12V蓄電池來(lái)對(duì)電動(dòng)車(chē)位鎖進(jìn)行充電，避免了將笨重的電池移回家充電的麻煩，因此電機(jī)選用12V直流電動(dòng)機(jī)。

本次設(shè)計(jì)中選用電機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm經(jīng)減速器后為2.5rmp的12V直流電機(jī)，計(jì)算得知此時(shí)車(chē)位鎖從水平位置上升到垂直位置需要的時(shí)間為6s,能滿足實(shí)際需求。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要功能是對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)與控制。根據(jù)PT2272提供的遙控指令，控制驅(qū)動(dòng)電路為電機(jī)正反轉(zhuǎn)提供所需的電源。通用驅(qū)動(dòng)模塊有L298n芯片提供的H橋驅(qū)動(dòng)電路。其原理如圖1所示，圖中Q1,Q2,Q3,Q4為開(kāi)關(guān)管，M為電機(jī)。當(dāng)Q1，Q4導(dǎo)通且Q2，Q3截至?xí)r，電機(jī)正傳實(shí)現(xiàn)升降桿上升；當(dāng)Q1，Q4截至而Q2，Q3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)使升降桿下降從而實(shí)現(xiàn)鎖車(chē)位的功能。

3.3 二級(jí)保護(hù)

由于系統(tǒng)升降與停止完全取決于位置傳感器的狀態(tài)，若位置傳感器失靈，則計(jì)算機(jī)將控制電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng)，直到被卡住堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)位置開(kāi)關(guān)S1、S2失效，二級(jí)保護(hù)開(kāi)關(guān)S3、S4起作用對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行雙重保護(hù)。

系統(tǒng)主控制器由MSP430單片機(jī)，外圍控制電路，位置檢測(cè)電路等構(gòu)成（見(jiàn)圖2）。主要的控制部分是MSP430單片機(jī)，接收遙控器信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)出控制指令，控制繼電器的動(dòng)作，從而控制車(chē)位鎖的上升、下降。

4 性能測(cè)試

4.1 遙控距離

按PCB設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行焊接與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線遙控信號(hào)的接收功能，并對(duì)遙控距離進(jìn)行測(cè)試，由于遙控器與接收裝置之間設(shè)計(jì)的良好匹配，遙控距離可達(dá)15米（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)有一道承重墻遮擋），符合大多數(shù)停車(chē)場(chǎng)情況，能滿足司機(jī)的需求。

4.2 功耗

完成系統(tǒng)調(diào)試后，對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、靜態(tài)待機(jī)和單片機(jī)低功耗模式下系統(tǒng)電流的消耗進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果知：低功耗狀態(tài)下的電流為1mA，電流的消耗仍然較大，主要是高頻無(wú)線接收模塊需要提供較大的工作電流，若能降低該模塊的工作電流，將會(huì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)待機(jī)功耗。

表1 系統(tǒng)功耗測(cè)試

4.3 電池壽命計(jì)算

假設(shè)車(chē)主每天早上和晚上各使用一次車(chē)位鎖，以6s為周期計(jì)算，則一天當(dāng)中電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為24s,消耗電能約為0.0006Ah；一天當(dāng)中的待機(jī)時(shí)間約86400s，功耗約為0.036Ah，所以該系統(tǒng)一天消耗的總電量為0.0366Ah。

電池電量為7Ah的蓄電池在充滿電量的情況下的使用壽命計(jì)算。按蓄電池的電量80%計(jì)算（5.6Ah），因此可得出蓄電池使用壽命為：5.6/0.0366≈153（天）

蓄電池的使用壽命約為5個(gè)月。

5 結(jié)束語(yǔ)

遙控車(chē)位鎖的設(shè)計(jì)，解決了司機(jī)上下車(chē)的麻煩，可改善停車(chē)場(chǎng)的環(huán)境。本遙控車(chē)位鎖可實(shí)現(xiàn)待機(jī)時(shí)低功耗模式，有效節(jié)省了電能的消耗，延長(zhǎng)了充電周期。另外還進(jìn)行了防盜設(shè)計(jì)，只有車(chē)主可進(jìn)行車(chē)位鎖的拆卸操作，未經(jīng)授權(quán)人員不能進(jìn)行車(chē)位鎖的拆卸操作，因此具有有效的防盜功能。

1mA 的待機(jī)電流仍然是主要的電能消耗，降低該電流是節(jié)能的主要措施。

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項(xiàng)目：本文由北方工業(yè)大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.220