呂艷蕊， 賀 剛， 鄧達強

（廣州城市理工學院， 廣東 廣州 510800）

隨著中國居民收入的增加，更多人有了私家車，但是由于中國的城市交通體系建設管理水平和國外相比之下尚有較大的差異，且停車基礎建設并不完善，因此大部分私家車都是以裸車形式停放。但是由于裸車長時間停放會加快車內(nèi)用品的老化速度，易引起灰塵污垢、劃痕，所以對于汽車的長期外置維護也是非常有必要的。

目前國內(nèi)外對于自動車罩的研究已有諸多進展［1］，但是國內(nèi)外汽車現(xiàn)有車罩要么使用繁瑣，要么需要對車身設計做出相當大的改變，生產(chǎn)成本較高，并占據(jù)著相當?shù)能嚿砜臻g，對空間本來就不大的中小型汽車而言，難免會出現(xiàn)擁擠問題，很不實用［2］。因此本文將提供一個自動運行的車罩，該全自動車罩做到了全部智能化，利用遙控裝置可以實現(xiàn)車罩的打開和收回。車罩使用了納米防火阻燃材質(zhì)，該材料的主要優(yōu)點是可以防塵、防水、抗刮，并且能夠延長汽車內(nèi)部用品和零配件的使用壽命。

1 總體設計方案

本設計采用單片機ST89C52作為自動車罩控制裝置的核心控制板，控制各功能模塊正常工作。通過手動按鍵和遙控裝置控制車罩的伸縮，通過發(fā)光二極管顯示車罩的工作狀態(tài)，通過傳感器判斷環(huán)境的溫度與濕度，控制車罩的開關(guān)，通過限位開關(guān)防止車罩過轉(zhuǎn)。軟件部分在KeiluVision4軟件開發(fā)平臺上利用C語言編寫而成。整個軟件設計分以下幾部分：第一部分為主程序函數(shù)；第二部分為傳感器子函數(shù)，用于控制傳感器；第三部分為電機子函數(shù)，用于控制電機；第四部分為按鍵輸入子函數(shù)，用于控制按鍵。

2 機械結(jié)構(gòu)設計與應力分析

根據(jù)車體、車位的尺寸及對稱性，本設計的底座長度設計為3.45m，寬度設計為3.04m。其中車輛停放寬度（兩輪外側(cè)間距） 2m，車衣打開長度5.1m。車衣被設計為存儲于車衣艙內(nèi)，由牽引桿帶動拉出，牽引桿由拉簧與電機連接，電機正向轉(zhuǎn)動時，拉簧被拉緊的同時帶動牽引桿旋轉(zhuǎn)，車衣從車衣艙內(nèi)緩緩拉出，電機反向轉(zhuǎn)動時，拉簧被放松的同時帶動牽引桿旋轉(zhuǎn)，車衣被收回車衣艙。系統(tǒng)的機械部分整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，車衣艙部分設計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)

圖2 車衣艙部分的設計

考慮到系統(tǒng)整體安全性與可靠性的驗證，本設計在cosmol5.0 中對車罩的機械結(jié)構(gòu)部分進行了力學分析，主要分析其拉簧、牽引桿等部分受到電機拉力時的靜力分析。材料部分設置見表1。

表1 拉簧-牽引桿-齒輪結(jié)構(gòu)材料明細

1） 電機制動時，對拉簧部分的制動功率進行分析：在拉簧受到外力發(fā)生彈性形變的過程中，其制動功率在電機的每個周期內(nèi)均勻變化，因此不易出現(xiàn)拉斷及其它由于工件疲勞等原因造成的安全問題。

2） 牽引桿在每個運動周期內(nèi)，在剛剛抬起時受到的最大應力處于峰值，且主要受到z方向的關(guān)節(jié)力作用。

3） 牽引桿與齒輪件的關(guān)節(jié)力在運動周期內(nèi)，總是在剛剛抬起時處于峰值。所受到的最大關(guān)節(jié)力處于材料接受范圍內(nèi)，不易發(fā)生形變及斷裂。

牽引機構(gòu)中最主要的結(jié)構(gòu)件——牽引桿、拉簧、齒輪，其在采用時的實際安全系數(shù)一般需要滿足1.5，其安全系數(shù)為材質(zhì)的屈服強度與實際內(nèi)部受力情況之間的差值。生產(chǎn)制作時，材質(zhì)標準為45鋼、ZG230-450、40Cr，通過查看材質(zhì)手冊可以得知，盡管最大的內(nèi)部應力值均不能達到相應材質(zhì)的最大屈服強度，不過也可以統(tǒng)計得出其實際安全系數(shù)依次為1.38、2.33、1.44，牽引機構(gòu)部分的安全系數(shù)基本滿足了實際應用要求。

3 硬件設計

3.1 最小系統(tǒng)模塊

基于本文的設計需求，全自動+半自動的感應式系統(tǒng)一般采用DSP或者單片機作為系統(tǒng)控制器。本章根據(jù)二者優(yōu)缺點，用STC89C52單片微型計算機系統(tǒng)用作控制器。

STC89C52是一款電壓需求非常低、運行速度非常高的單片機，具有40針插針以及32個外部的雙向輸入/輸出（I/O）設備，同時包括了2個外中斷設備，3個16比特的程序化計算器，2個全雙工串行通信設備以及2個讀寫連接線。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP以及PLCC等3個標準封裝形態(tài)，可滿足各種電子產(chǎn)品的需要。

3.2 液晶顯示電路

液晶顯示屏是一款電子顯示器配件，擁有小容積、輕體重、低耗電量等特點［3］。本設計使用的1602型是一種物美價廉的液晶顯示屏，能夠表示2行標準文字，各列共16個文字。在通信控制系統(tǒng)、電子智能控制儀器以及企業(yè)辦公機械設備的智能化系統(tǒng)中被普遍使用，由于主要是表示ASCII文字，所以被叫做“文字型表示設備裝置”。液晶模塊的硬件電路接線圖如圖3所示。

圖3 液晶模塊電路圖

3.3 時鐘電路

本章所講述的實時時鐘集成電路DS1302，是美國DALLAS有限公司的一款具備對潺細電流充電功能的集成電路，主要特征是采用串聯(lián)方法傳輸，還能為掉電保護工作電源系統(tǒng)實現(xiàn)可程序化的補充功用，但同樣也可禁用補充功能。

時鐘電路模塊的硬件接線圖如圖4所示，其中第1腳和第4腳是時鐘電路模塊的電源和搭鐵端?？紤]到在切斷主電源的供電后還能夠保證芯片的正常工作，使用第8腳作為備用電源端，接入了一個紐扣電池用作時鐘芯片的后備電池。第2腳和第3腳使用了一個32.768K的晶振給存儲器供電時鐘脈沖。

圖4 DS1302模塊電路圖

3.4 光照強度采集電路

本設計的自動車罩裝置由于具有光控自動開關(guān)的功能，所以需要通過收集周圍環(huán)境中的燈光照射強度，從而實現(xiàn)對燈光照射強度的估算以及對車衣開關(guān)的控制。光照強度收集應用的主要方案設計為光敏電阻，因為通過光敏電阻收集到的是光照強度的模擬量，所以可以通過ADC832把照度模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再送到單片機中進行處理。該模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 光照強度采集電路

3.5 電機驅(qū)動模塊

若通過單片機控制板的I/O口直接驅(qū)動電機，則功率無法滿足要求，因此需要在單片機控制板與步進電機之間加驅(qū)動電路，本設計選用TI公司所制造的高抗壓、大電流達林頓陣列晶片ULN2003用作步進電機的驅(qū)動晶片。ULN2003具備電壓增益高、工作電壓高、工作溫度范圍廣、帶負荷能力強等優(yōu)勢，適合于各種需要較高大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。電機驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路

同時在電機控制模塊中設置了限位開關(guān)，限位開關(guān)在電路中起到電源的開關(guān)作用，用來保證系統(tǒng)檢測到車罩的位置時，實現(xiàn)車罩的的防過卷。限位開關(guān)的其中一腳接DC電源插口電源腳，常開的另一腳接電路的VCC。

3.6 按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊也是人和數(shù)字單片機之間的重要裝置。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計的立足點出發(fā)來考慮，只進行鍵盤掃描方式，判斷當前時間的按鍵狀況是不足的，而且尚有許多難題需妥善解決，否則單人操縱按鍵輸入模塊就極易發(fā)生誤動作和動作喪失的現(xiàn)象。本文使用最常見的技術(shù)，即延遲重復數(shù)字化掃描技術(shù)，克服不平滑問題。延遲法的基本原理是：由于“毛刺”脈沖的時間極短，僅為幾毫秒，但鼠標的動作時間通常都要超過這個時間，于是可以在單片機偵測到所有的鼠標動靜之后再延遲，一段時間后再確定其電平能否維持在原來狀態(tài)，若是則為有效按鍵，否則無效。本設計采用獨立按鈕的方法，一共5個按鈕，對應5種模式：模式轉(zhuǎn)換、時間設定、閾值設定、加、減。

4 軟件設計

本系列的軟件工作流程是最開始時要實現(xiàn)液晶和鐘表晶片的初始化，然后就展開了一套循環(huán)數(shù)據(jù)處理的流程。其中首先讀出鐘表晶片的日期時刻數(shù)，然后在1602液晶上顯示出來，然后再讀出光照強度并顯示。再往下是按鍵掃描，一旦檢查到有按鍵按下去了，則根據(jù)不同類型的按鈕實現(xiàn)不同類型的任務管理。

1） 1602液晶程序設計。液晶在顯示前應預先設定起始地址，以此來說明要在什么地方開始顯示，設定起始地址后即可開始顯示內(nèi)容。初始設定完成后，每次顯示文字或數(shù)字時，液晶會自動跳轉(zhuǎn)到之前定位的位置，因為不需要每次顯示都進行定位。

2） 讀出DS1302的時間信息。液晶顯示屏上的時間不斷地更新是因為單片機芯片一直在讀取時鐘芯片DS1302上的數(shù)據(jù)，并在讀取后發(fā)送到液晶顯示屏上進行更新。讀取時鐘芯片數(shù)據(jù)的過程，以月份為例，是先輸入月份寄存器地址0x89，然后再讀出月份的數(shù)字。讀寫年份、日、時、分、秒的過程也一樣，區(qū)別僅在于寄存器地址不同。

5 功能仿真分析

本設計的硬件、軟件部分完成后開始進行功能仿真，包括硬件功能仿真和軟件功能仿真兩部分。硬件功能仿真通過機械設計軟件Solid works完成，軟件功能仿真則通過單片機仿真軟件Proteus完成。

5.1 硬件部分的仿真

在裝配體中設置步進電機為系統(tǒng)的動力驅(qū)動后，通過控制電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來控制車罩的開關(guān)與閉合。具體仿真過程如圖7、8所示。圖7中，Solid works中的電機（模擬馬達） 正轉(zhuǎn)，帶動拉簧伸長，拉簧驅(qū)動支撐桿旋轉(zhuǎn)并將車罩拉出，完全拉開的車罩如圖8所示。

圖7 車罩在電機正轉(zhuǎn)過程中拉開

圖8 車罩完全拉開的狀態(tài)

5.2 軟件部分的仿真

軟件部分的仿真在Proteus8.0中完成，具體仿真操作如下。

1） 通過輸入按鍵可進行3種工作模式的切換，包括手動模式、定時模式和光控模式。處于手動模式時，自動車罩的狀態(tài)不受傳感器模塊及定時功能模塊的控制，通過車主手動按鍵來控制開啟和關(guān)閉。

2） 手動模式：液晶屏上第2行左側(cè)字母顯示M時，系統(tǒng)進入手動模式，此時溫度、濕度、光照傳感器模塊僅在液晶屏中顯示具體數(shù)值，不參與車罩電機部分的控制，由按鍵部分直接控制車罩的開關(guān)。通過開車衣和關(guān)車衣鍵對車衣進行控制。

3） 定時模式：首先通過模式切換按鍵，切換至定時模式，此時液晶屏第2行左側(cè)字母顯示T，此時溫度、濕度、光照傳感器模塊僅顯示具體數(shù)值，不參與電機的控制，車主通過按鍵設置車罩開啟的時間。當時間到達設定時間時，車罩自動打開。

4） 傳感器控制模式：首先通過模式切換按鍵，切換至傳感器控制模式，此時液晶屏第2行右側(cè)字幕顯示L。此時溫度、濕度、光照傳感器實時監(jiān)測當前環(huán)境下的溫度數(shù)值、濕度數(shù)值與光照數(shù)值，通過按鍵設置溫度、濕度、光照的設置值，當其中任何一項的實時數(shù)據(jù)大于設置值時開啟車罩，當3項都小于設置值時關(guān)閉車罩。

5） 步進電機在各種模式下進行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，控制車衣的打開與關(guān)閉。Proteus中的電機下方的數(shù)值顯示的是電機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與方向，如圖9和10所示。圖9中顯示為-14.2時代表電機正處于反轉(zhuǎn)過程中，此時對應的模擬狀態(tài)為車衣關(guān)閉過程，紅色LED燈處于熄滅狀態(tài)；圖10中顯示+135時代表電機正處于正轉(zhuǎn)過程中，此時對應的模擬狀態(tài)為車衣打開過程，紅色LED燈處于亮起狀態(tài)。

圖9 車衣關(guān)閉

圖10 車衣打開

6） 傳感器模塊在Proteus中會實時顯示當前環(huán)境下的濕度與溫度，在仿真過程中，檢測到的該數(shù)值被實時傳輸至LED顯示部分。

6 結(jié)論

經(jīng)過仿真實驗，系統(tǒng)的機械部分可以按照電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制車罩的開關(guān)，完成了本設計的基本要求。在系統(tǒng)的軟硬件部分，單片機可以實時顯示時間、模式和當前的濕度、溫度、光照數(shù)據(jù)，并通過按鍵切換系統(tǒng)的手動、定時、傳感器控制3種模式，從而控制電機的運轉(zhuǎn)。在手動控制模式下，可以通過按鍵直接控制車罩的開關(guān)；在定時控制模式下，可以設置車罩打開的時間，使車罩在設定的時間自動打開；在傳感器控制模式下，系統(tǒng)將按照設定的濕度、溫度、光照，在3個數(shù)值中有一個達到設定時打開車罩，在三者都小于設定值時關(guān)閉車罩。綜上所述，整個系統(tǒng)的設計基本符合預期。