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        基于Arduino的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

        2017-12-05 04:51:12謝智陽(yáng)陳紀(jì)欽孫偉龍丘益志陳煒佳紀(jì)霖菁
        汽車電器 2017年11期
        關(guān)鍵詞:電動(dòng)車窗車窗電平

        謝智陽(yáng),陳紀(jì)欽,孫偉龍,丘益志,陳煒佳,紀(jì)霖菁

        (河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 河源 517000)

        基于Arduino的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

        謝智陽(yáng),陳紀(jì)欽,孫偉龍,丘益志,陳煒佳,紀(jì)霖菁

        (河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 河源 517000)

        為研究電動(dòng)車窗防夾控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù),搭建低成本、自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文提出基于歐姆龍光電編碼器E6B2-CWZ6C和電流傳感器模塊的防夾車窗方案,并進(jìn)行相關(guān)模塊的設(shè)計(jì),利用Arduino單片機(jī)對(duì)車窗控制系統(tǒng)探索和實(shí)踐,對(duì)防夾車窗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究。

        光電編碼器;電流;車窗防夾;Arduino單片機(jī)

        隨著汽車的普及,汽車電動(dòng)車窗的大規(guī)模使用,增加了人們的操作方便和行車舒適性,但同時(shí)也給人們帶來了一定的危險(xiǎn)性,車窗上升時(shí)夾傷人的事件頻繁發(fā)生,車窗安全問題引起人們的重視[1]。大多數(shù)車窗采用電流檢測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)防夾,但這種方式對(duì)車窗位置的判斷不夠精準(zhǔn),無(wú)法精確判斷是遇到障礙物還是車窗上升達(dá)到了頂端,比較容易出現(xiàn)誤判,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車窗電機(jī)在啟動(dòng)和到達(dá)頂端時(shí)都會(huì)發(fā)生較大的電流變化,導(dǎo)致電流檢測(cè)部分發(fā)生誤判[2],而本文所研究的車窗防夾已解決了這個(gè)問題,利用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的脈沖來計(jì)算車窗的位置和車窗電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,當(dāng)車窗上升過程中遇到障礙物時(shí),車窗電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化,車窗會(huì)停止上升并自動(dòng)下降,起到保護(hù)作用[3-4]。

        圖1 硬件框圖

        1 硬件設(shè)計(jì)

        1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

        1)用車窗電機(jī),歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E 6 B 2-CWZ6C,Arduino UNO控制板,兩路光耦繼電器驅(qū)動(dòng)板,電流檢測(cè)模塊以及支架搭建平臺(tái),如圖1所示。

        2)Arduino單片機(jī)通過開關(guān)的輸入信號(hào)來控制繼電器,達(dá)到讓電動(dòng)車窗自動(dòng)上升和下降的功能。

        3)歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C和電流傳感器連接Arduino單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳,對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)障礙物進(jìn)行判斷。

        4)兩路光耦繼電器板上有對(duì)應(yīng)的排針插口,可直接作為Arduino單片機(jī)的拓展板使用,節(jié)省空間和簡(jiǎn)化接線。

        1.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

        圖2為直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制具體電路圖,按下上升開關(guān)時(shí),Arduino單片機(jī)接收上升開關(guān)的電信號(hào)變化,程序會(huì)使Arduino單片機(jī)向繼電器1發(fā)送觸發(fā)信號(hào)(高電平),電動(dòng)車窗自動(dòng)上升;Arduino單片機(jī)接收下降開關(guān)的電信號(hào)變化,程序會(huì)使Arduino單片機(jī)向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)(高電平),從而實(shí)現(xiàn)一鍵升降。

        當(dāng)電動(dòng)車窗在自動(dòng)上升的過程中遇到阻力時(shí),程序會(huì)進(jìn)行判斷,當(dāng)防夾程序條件成立時(shí),Arduino單片機(jī)會(huì)向繼電器2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)(高電平),向繼電器1發(fā)送斷開信號(hào)(低電平)。電動(dòng)車窗自動(dòng)下降,從而達(dá)到防夾效果。1.3 實(shí)驗(yàn)線路

        圖2 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路圖

        1)單片機(jī)通過兩路繼電器的電平變化通斷的性質(zhì),來判斷實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

        2)電流傳感器模塊GY-712-5A與直流電機(jī)串聯(lián),通過電流接入來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)直流電機(jī)電流的變化。

        3)歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C的軸與電機(jī)的軸進(jìn)行連接,通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電機(jī)速度。

        2 軟件設(shè)計(jì)

        2.1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷與旋轉(zhuǎn)位置測(cè)量

        如圖3所示,用Arduino單片機(jī)采集A相和B相脈沖的電平變化,并開啟與A相相連的外部中斷引腳(2號(hào)引腳),當(dāng)A相電平發(fā)生變化時(shí),Arduino單片機(jī)觸發(fā)外部中斷進(jìn)入中斷子程序判斷A、B兩相電平狀態(tài)。當(dāng)A相和B相電平相同時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)(CW);當(dāng)A相和B相電平不相同時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)(CCW),從而使單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)的判斷以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的判斷。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

        #define EncoderA 2 //光電編碼器A相信號(hào)線與Arduino UNO 2號(hào)引腳(中斷引腳)相連

        #define EncoderB 3 //光電編碼器B相信號(hào)線與Arduino UNO 3號(hào)引腳(中斷引腳)相連

        volatile long MotorPos = 0;//定義變量MotorPos用于存放電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度

        void setup()

        圖3 歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C波形示意圖

        {

        pinMode(EncoderA,INPUT_PULLUP);//2號(hào)引腳設(shè)置為上拉模式輸入

        pinMode(EncoderB,INPUT_PULLUP);//3號(hào)引腳設(shè)置為上拉模式輸入

        attachInterrupt(0,Encoder_Interrupt,CHANGE);//開2號(hào)引腳外部中斷,電平變化時(shí)觸發(fā)中斷

        }

        void Encoder_Interrupt()

        {

        if (digitalRead(EncoderA) == digitalRead(EncoderB)) //當(dāng)A相電平變化時(shí),如果A相與B相信號(hào)相等,電機(jī)為正轉(zhuǎn),反之電機(jī)反轉(zhuǎn)

        MotorPos++;

        else

        MotorPos--;

        }

        2.2 電動(dòng)車窗防夾控制思路

        圖4為電動(dòng)車窗防夾控制整體流程。當(dāng)Arduino 單片機(jī)檢測(cè)到車窗上升的開關(guān)信號(hào)時(shí),Arduino 單片機(jī)輸出控制信號(hào)控制繼電器1導(dǎo)通,車窗電機(jī)正轉(zhuǎn),車窗上升。在上升過程中,Arduino 單片機(jī)不斷重復(fù)檢測(cè)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速是否會(huì)發(fā)生瞬變,如檢測(cè)到電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速異常,Arduino 單片機(jī)將輸出控制信號(hào)控制繼電器1斷開,繼電器2接通,使得電機(jī)反轉(zhuǎn),車窗下降,以達(dá)到防夾的效果。

        圖4 防夾控制軟件流程圖

        3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        3.1 實(shí)驗(yàn)條件

        設(shè)備廠家型號(hào)名稱:合肥盈拓E6B2-CWZ6C歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器。DC5~12 V,集電極開路輸出,負(fù)載電流20 mA,1 000 P/R;深圳捷訊GY-712-5A電流感應(yīng)模塊。Arduino單片機(jī),兩路繼電器拓展板,直流車窗電機(jī),實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所要無(wú)電磁干擾,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為電機(jī)固定無(wú)抖動(dòng)。

        3.2 實(shí)驗(yàn)方案

        為了研究車窗電機(jī)上升中障礙物質(zhì)量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流的影響,測(cè)試不同情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的變化。如表1所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)方案

        1)k1 車窗(含玻璃質(zhì)量)全程施加不同的重物啟動(dòng)上升;電動(dòng)車窗在負(fù)載玻璃的情況下,分別施加不同的重物G1=0.35 kg,G2=0.70 kg,G3=1.05 kg,G4=1.40 kg,使電動(dòng)車窗自動(dòng)上升;多次測(cè)試電動(dòng)車窗在不同重物下其電流I和轉(zhuǎn)速R的變化,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總。

        2)k2 車窗(含玻璃質(zhì)量)自動(dòng)上升過程中突然施加不同阻力,分別給予電動(dòng)車窗瞬間重物阻力G1=0.35 kg,G2=0.70 kg,G3=1.05 kg,G4=1.40 kg,多次測(cè)試電動(dòng)車窗在自動(dòng)上升過程中瞬間施加阻力其電流I和轉(zhuǎn)速R的變化,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總。

        3.3 測(cè)試步驟

        1)在電機(jī)(只負(fù)載玻璃)空載情況下,按下上升開關(guān)讓電機(jī)上升,記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)數(shù)據(jù)。

        2)電動(dòng)車窗增加一定的負(fù)載質(zhì)量(0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg),按下上升開關(guān)讓電機(jī)上升,記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)數(shù)據(jù)。

        3)在電機(jī)正常上升過程中突然施加重力(0.35 kg、0.70 kg、1.05 kg、1.40 kg),記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流變化數(shù)據(jù)。

        4)重復(fù)以上步驟,不停的收集數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù)來分析障礙物質(zhì)量對(duì)電機(jī)的影響情況。

        3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        選取測(cè)試樣本中不同測(cè)速情況較為明顯的圖表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,詳見圖5和圖6。

        根據(jù)圖5、圖6可以看出以下3點(diǎn)。

        1)車窗剛啟動(dòng)階段和到頂階段,有無(wú)負(fù)載重物,其電流和轉(zhuǎn)速數(shù)值都是紊亂的;在時(shí)間t<0,與t>110的范圍內(nèi),其轉(zhuǎn)速和電流的變化都是無(wú)線性化規(guī)律,其轉(zhuǎn)速和電流在20<t<110的范圍內(nèi)時(shí)是基本穩(wěn)定的,且穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

        2)車窗在上升的過程中,瞬間施加阻力,其轉(zhuǎn)速有明顯的低峰值R1,R2;且其變化為V形變化曲線,在轉(zhuǎn)速到達(dá)低峰值R1,R2時(shí),又逐漸上升回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

        3)車窗在上升的過程中,瞬間施加阻力,其電流有明顯的高峰值I1,I2;且其變化為V形變化曲線,在電流到達(dá)高峰值I1,I2時(shí),又逐漸下降回歸穩(wěn)定變化的數(shù)值。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文介紹的電動(dòng)車窗防夾控制系統(tǒng)采用的是Arduino UNO 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。Arduino UNO單片機(jī)是以Atmega328p單片機(jī)為核心,其I/O口滿足系統(tǒng)需求,且有2個(gè)中斷口,單片機(jī)的體積較小,功能強(qiáng)大,其使用IDE編譯,使程序易學(xué)簡(jiǎn)單。課題采用的是以編碼器和電流感應(yīng)模塊的雙向檢測(cè)方式,編碼器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況和位置情況,而電流檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)的電流,而繼電器部分采用拓展板模塊拔插式,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件,提高了整體系統(tǒng)工作的可靠性。經(jīng)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,編碼器能準(zhǔn)確識(shí)別車窗的位置及受到的阻力;電流感應(yīng)模塊能實(shí)時(shí)檢測(cè)車窗電機(jī)全程的電流情況,但車窗電機(jī)剛啟動(dòng)和到頂點(diǎn)時(shí),由于電流的不穩(wěn),其轉(zhuǎn)速與電流的數(shù)據(jù)會(huì)受影響,所以應(yīng)在編程過程中注意啟動(dòng)階段和到頂階段數(shù)據(jù)的影響。

        [1] 沈琛馳,朱志紅,朱元.基于電流檢測(cè)的車窗防夾算法探究[J].機(jī)電一體化,2012(9):40-43.

        [2] 杜延海.應(yīng)用雙霍爾傳感器的防夾電動(dòng)車窗設(shè)計(jì)[D].上海:東華大學(xué),2014.

        [3] 曹忠.基于卡爾曼濾波的電動(dòng)車窗[D].上海:華東理工大學(xué),2014.

        [4] 馬偉澤,張申科,汪宏杰.采用霍爾傳感器的汽車電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2008,30(12):1122-1124.

        (編輯 章 子)

        馬自達(dá)展出由SKYACTIV-X汽油火花控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念車

        在2017東京車展上展出的產(chǎn)品中,馬自達(dá)汽車公司將推出一款由最近發(fā)布的SKYACTIV-X汽油火花控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新概念車型。

        針對(duì)該SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī),馬自達(dá)聲稱已經(jīng)開發(fā)出一種用于HCCI(譯者注:均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火)燃燒的新型控制系統(tǒng),將HCCI范圍擴(kuò)展到負(fù)載圖更大的百分比。馬自達(dá)的火花控制壓縮點(diǎn)火(SPCCI)的精髓是使用通過火花點(diǎn)火作為第二活塞(“空氣活塞”)進(jìn)行膨脹的球形火焰前端,以進(jìn)一步壓縮空氣-燃料混合物,從而改善壓縮點(diǎn)火。

        馬自達(dá)表示,壓縮點(diǎn)火與增壓器相結(jié)合將提高燃油經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)提供巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng),并將當(dāng)前的SKYACTIV-G汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提高10-30%。

        該概念車產(chǎn)品,一輛緊湊型兩廂車還采用了SKYACTIV車輛架構(gòu),以最優(yōu)的功能適用于以人為本設(shè)計(jì)理念的下一代技術(shù)。

        Experiment and Analysis for Anti-pinch Power Window Lifter Based on Arduino

        XIE Zhi-yang,CHEN Ji-qin,SUN Wei-long,QIU Yi-zhi,CHEN Wei-jia,JI Lin-jing
        (Heyuan Polytechnic,Heyuan 517000,China)

        In order to study data of the anti-pinch power window lifter,a low-cost and automated experimental platform is designed. This paper proposes a anti-pinch lifter design based on OMRON photoelectric encoder E6B2-CWZ6C and current sensor module,explores the window control system using Arduino micro-controller,and analyzes experimental data of antipinch power window lifters.

        photoelectric encoder;current;anti-pinch window;Arduino micro-controller

        U463.853

        A

        1003-8639(2017)11-0051-04

        2017-07-25;

        2017-09-21

        河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改基金(2016-jy03)

        謝智陽(yáng)(1985-),男,碩士研究生,講師,主要從事汽車電子電路和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究。

        (信息來源:2017.10.10 Green Car Congress) 戴朝典?編譯

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