一种自动车罩控制装置的设计*
吕艳蕊， 贺 刚， 邓达强
（广州城市理工学院， 广东 广州 510800）
随着中国居民收入的增加，更多人有了私家车，但是由于中国的城市交通体系建设管理水平和国外相比之下尚有较大的差异，且停车基础建设并不完善，因此大部分私家车都是以裸车形式停放。但是由于裸车长时间停放会加快车内用品的老化速度，易引起灰尘污垢、划痕，所以对于汽车的长期外置维护也是非常有必要的。
目前国内外对于自动车罩的研究已有诸多进展［1］，但是国内外汽车现有车罩要么使用繁琐，要么需要对车身设计做出相当大的改变，生产成本较高，并占据着相当的车身空间，对空间本来就不大的中小型汽车而言，难免会出现拥挤问题，很不实用［2］。因此本文将提供一个自动运行的车罩，该全自动车罩做到了全部智能化，利用遥控装置可以实现车罩的打开和收回。车罩使用了纳米防火阻燃材质，该材料的主要优点是可以防尘、防水、抗刮，并且能够延长汽车内部用品和零配件的使用寿命。
本设计采用单片机ST89C52作为自动车罩控制装置的核心控制板，控制各功能模块正常工作。通过手动按键和遥控装置控制车罩的伸缩，通过发光二极管显示车罩的工作状态，通过传感器判断环境的温度与湿度，控制车罩的开关，通过限位开关防止车罩过转。软件部分在KeiluVision4软件开发平台上利用C语言编写而成。整个软件设计分以下几部分：第一部分为主程序函数；
第二部分为传感器子函数，用于控制传感器；
第三部分为电机子函数，用于控制电机；
第四部分为按键输入子函数，用于控制按键。
根据车体、车位的尺寸及对称性，本设计的底座长度设计为3.45m，宽度设计为3.04m。其中车辆停放宽度（两轮外侧间距） 2m，车衣打开长度5.1m。车衣被设计为存储于车衣舱内，由牵引杆带动拉出，牵引杆由拉簧与电机连接，电机正向转动时，拉簧被拉紧的同时带动牵引杆旋转，车衣从车衣舱内缓缓拉出，电机反向转动时，拉簧被放松的同时带动牵引杆旋转，车衣被收回车衣舱。系统的机械部分整体结构如图1所示，车衣舱部分设计如图2所示。
图1 系统的整体硬件结构
图2 车衣舱部分的设计
考虑到系统整体安全性与可靠性的验证，本设计在cosmol5.0 中对车罩的机械结构部分进行了力学分析，主要分析其拉簧、牵引杆等部分受到电机拉力时的静力分析。材料部分设置见表1。
表1 拉簧-牵引杆-齿轮结构材料明细
1） 电机制动时，对拉簧部分的制动功率进行分析：在拉簧受到外力发生弹性形变的过程中，其制动功率在电机的每个周期内均匀变化，因此不易出现拉断及其它由于工件疲劳等原因造成的安全问题。
2） 牵引杆在每个运动周期内，在刚刚抬起时受到的最大应力处于峰值，且主要受到z方向的关节力作用。
3） 牵引杆与齿轮件的关节力在运动周期内，总是在刚刚抬起时处于峰值。所受到的最大关节力处于材料接受范围内，不易发生形变及断裂。
牵引机构中最主要的结构件——牵引杆、拉簧、齿轮，其在采用时的实际安全系数一般需要满足1.5，其安全系数为材质的屈服强度与实际内部受力情况之间的差值。生产制作时，材质标准为45钢、ZG230-450、40Cr，通过查看材质手册可以得知，尽管最大的内部应力值均不能达到相应材质的最大屈服强度，不过也可以统计得出其实际安全系数依次为1.38、2.33、1.44，牵引机构部分的安全系数基本满足了实际应用要求。
3.1 最小系统模块
基于本文的设计需求，全自动+半自动的感应式系统一般采用DSP或者单片机作为系统控制器。本章根据二者优缺点，用STC89C52单片微型计算机系统用作控制器。
STC89C52是一款电压需求非常低、运行速度非常高的单片机，具有40针插针以及32个外部的双向输入/输出（I/O）设备，同时包括了2个外中断设备，3个16比特的程序化计算器，2个全双工串行通信设备以及2个读写连接线。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP以及PLCC等3个标准封装形态，可满足各种电子产品的需要。
3.2 液晶显示电路
液晶显示屏是一款电子显示器配件，拥有小容积、轻体重、低耗电量等特点［3］。本设计使用的1602型是一种物美价廉的液晶显示屏，能够表示2行标准文字，各列共16个文字。在通信控制系统、电子智能控制仪器以及企业办公机械设备的智能化系统中被普遍使用，由于主要是表示ASCII文字，所以被叫做“文字型表示设备装置”。液晶模块的硬件电路接线图如图3所示。
图3 液晶模块电路图
3.3 时钟电路
本章所讲述的实时时钟集成电路DS1302，是美国DALLAS有限公司的一款具备对潺细电流充电功能的集成电路，主要特征是采用串联方法传输，还能为掉电保护工作电源系统实现可程序化的补充功用，但同样也可禁用补充功能。
时钟电路模块的硬件接线图如图4所示，其中第1脚和第4脚是时钟电路模块的电源和搭铁端。考虑到在切断主电源的供电后还能够保证芯片的正常工作，使用第8脚作为备用电源端，接入了一个纽扣电池用作时钟芯片的后备电池。第2脚和第3脚使用了一个32.768K的晶振给存储器供电时钟脉冲。
图4 DS1302模块电路图
3.4 光照强度采集电路
本设计的自动车罩装置由于具有光控自动开关的功能，所以需要通过收集周围环境中的灯光照射强度，从而实现对灯光照射强度的估算以及对车衣开关的控制。光照强度收集应用的主要方案设计为光敏电阻，因为通过光敏电阻收集到的是光照强度的模拟量，所以可以通过ADC832把照度模拟量转变成数字量，再送到单片机中进行处理。该模块的电路图如图5所示。
图5 光照强度采集电路
3.5 电机驱动模块
若通过单片机控制板的I/O口直接驱动电机，则功率无法满足要求，因此需要在单片机控制板与步进电机之间加驱动电路，本设计选用TI公司所制造的高抗压、大电流达林顿阵列晶片ULN2003用作步进电机的驱动晶片。ULN2003具备电压增益高、工作电压高、工作温度范围广、带负荷能力强等优势，适合于各种需要较高大功率驱动的系统。电机驱动电路如图6所示。
图6 电机驱动电路
同时在电机控制模块中设置了限位开关，限位开关在电路中起到电源的开关作用，用来保证系统检测到车罩的位置时，实现车罩的的防过卷。限位开关的其中一脚接DC电源插口电源脚，常开的另一脚接电路的VCC。
3.6 按键输入模块
按键输入模块也是人和数字单片机之间的重要装置。站在系统监控软件设计的立足点出发来考虑，只进行键盘扫描方式，判断当前时间的按键状况是不足的，而且尚有许多难题需妥善解决，否则单人操纵按键输入模块就极易发生误动作和动作丧失的现象。本文使用最常见的技术，即延迟重复数字化扫描技术，克服不平滑问题。延迟法的基本原理是：由于“毛刺”脉冲的时间极短，仅为几毫秒，但鼠标的动作时间通常都要超过这个时间，于是可以在单片机侦测到所有的鼠标动静之后再延迟，一段时间后再确定其电平能否维持在原来状态，若是则为有效按键，否则无效。本设计采用独立按钮的方法，一共5个按钮，对应5种模式：模式转换、时间设定、阈值设定、加、减。
本系列的软件工作流程是最开始时要实现液晶和钟表晶片的初始化，然后就展开了一套循环数据处理的流程。其中首先读出钟表晶片的日期时刻数，然后在1602液晶上显示出来，然后再读出光照强度并显示。再往下是按键扫描，一旦检查到有按键按下去了，则根据不同类型的按钮实现不同类型的任务管理。
1） 1602液晶程序设计。液晶在显示前应预先设定起始地址，以此来说明要在什么地方开始显示，设定起始地址后即可开始显示内容。初始设定完成后，每次显示文字或数字时，液晶会自动跳转到之前定位的位置，因为不需要每次显示都进行定位。
2） 读出DS1302的时间信息。液晶显示屏上的时间不断地更新是因为单片机芯片一直在读取时钟芯片DS1302上的数据，并在读取后发送到液晶显示屏上进行更新。读取时钟芯片数据的过程，以月份为例，是先输入月份寄存器地址0x89，然后再读出月份的数字。读写年份、日、时、分、秒的过程也一样，区别仅在于寄存器地址不同。
本设计的硬件、软件部分完成后开始进行功能仿真，包括硬件功能仿真和软件功能仿真两部分。硬件功能仿真通过机械设计软件Solid works完成，软件功能仿真则通过单片机仿真软件Proteus完成。
5.1 硬件部分的仿真
在装配体中设置步进电机为系统的动力驱动后，通过控制电机的正转反转来控制车罩的开关与闭合。具体仿真过程如图7、8所示。图7中，Solid works中的电机（模拟马达） 正转，带动拉簧伸长，拉簧驱动支撑杆旋转并将车罩拉出，完全拉开的车罩如图8所示。
图7 车罩在电机正转过程中拉开
图8 车罩完全拉开的状态
5.2 软件部分的仿真
软件部分的仿真在Proteus8.0中完成，具体仿真操作如下。
1） 通过输入按键可进行3种工作模式的切换，包括手动模式、定时模式和光控模式。处于手动模式时，自动车罩的状态不受传感器模块及定时功能模块的控制，通过车主手动按键来控制开启和关闭。
2） 手动模式：液晶屏上第2行左侧字母显示M时，系统进入手动模式，此时温度、湿度、光照传感器模块仅在液晶屏中显示具体数值，不参与车罩电机部分的控制，由按键部分直接控制车罩的开关。通过开车衣和关车衣键对车衣进行控制。
3） 定时模式：首先通过模式切换按键，切换至定时模式，此时液晶屏第2行左侧字母显示T，此时温度、湿度、光照传感器模块仅显示具体数值，不参与电机的控制，车主通过按键设置车罩开启的时间。当时间到达设定时间时，车罩自动打开。
4） 传感器控制模式：首先通过模式切换按键，切换至传感器控制模式，此时液晶屏第2行右侧字幕显示L。此时温度、湿度、光照传感器实时监测当前环境下的温度数值、湿度数值与光照数值，通过按键设置温度、湿度、光照的设置值，当其中任何一项的实时数据大于设置值时开启车罩，当3项都小于设置值时关闭车罩。
5） 步进电机在各种模式下进行正转与反转，控制车衣的打开与关闭。Proteus中的电机下方的数值显示的是电机旋转的转速与方向，如图9和10所示。图9中显示为-14.2时代表电机正处于反转过程中，此时对应的模拟状态为车衣关闭过程，红色LED灯处于熄灭状态；
图10中显示+135时代表电机正处于正转过程中，此时对应的模拟状态为车衣打开过程，红色LED灯处于亮起状态。
图9 车衣关闭
图10 车衣打开
6） 传感器模块在Proteus中会实时显示当前环境下的湿度与温度，在仿真过程中，检测到的该数值被实时传输至LED显示部分。
经过仿真实验，系统的机械部分可以按照电机的正转反转控制车罩的开关，完成了本设计的基本要求。在系统的软硬件部分，单片机可以实时显示时间、模式和当前的湿度、温度、光照数据，并通过按键切换系统的手动、定时、传感器控制3种模式，从而控制电机的运转。在手动控制模式下，可以通过按键直接控制车罩的开关；
在定时控制模式下，可以设置车罩打开的时间，使车罩在设定的时间自动打开；
在传感器控制模式下，系统将按照设定的湿度、温度、光照，在3个数值中有一个达到设定时打开车罩，在三者都小于设定值时关闭车罩。综上所述，整个系统的设计基本符合预期。