汽车电动座椅自动控制系统的研制

0引言

随着人们生活水平的提高，对汽车座椅的舒适性要求也越来越高，要求对汽车座椅地调节能够更加简单、方便、快捷。目前，汽车座椅位置的调节多采用基于手动调节方式的机械和电动控制两种方式。汽车座椅位置的调节主要有三个方向，即高度调节、水平位置调节以及座椅靠背倾角的调节。

对于家庭使用的汽车，往往由多个成员驾驶同一辆汽车；当不同的驾驶者坐在同一个座椅时，由于个人的身体差异，所需要的汽车座椅的位置各不相同，需经常调节座椅位置；而目前的大部分汽车座椅没有记忆功能，使同一个人在不同的时间驾驶汽车时，汽车座椅的位置可能被其他成员改变，而需重新调节座椅各个方向位置，比较繁琐。

座椅在汽车内安装时，由于不同汽车的内部空间不相同，座椅在各方向所能移动的位置极限也不同；汽车电动座椅在电动机牵引下移动，而目前汽车电动座椅不能自动测量安装的极限位置，座椅很容易在到达极限位置时仍继续运行，容易使电动机因长时间工作在堵转状态而烧毁。

文中提供一种具有自动测量和记忆功能的汽车电动座椅自动控制系统的设计方法。

1系统基本工作原理

汽车自动座椅结构原理如图1所示，座椅由4个直流电机牵引，其中高度调节电机2个，水平调节和靠背调节电机各1个；直流电动机电枢电压为12V，电源从汽车电瓶上获得。汽车座椅自动控制系统由内部带有非易失性数据存储器的C8051F311单片机、驱动模块、传动机构以及操作手柄构成。电动机的转速和座椅的位置信息由安装在电机上的霍尔传感器检测，经整形和放大后送入单片机，构成系统的速度反馈。

汽车电动座椅是在传统的汽车座椅上安装直流电动机、蜗轮结构、传动轴，一起组成传动机构，牵引座椅移动；在汽车座椅的下面垂直安装两个直流电动机，以支撑驾驶者在垂直方向做上下移动；在座椅的靠背方向安装一个直流电动机，用来控制座椅靠背的角度变化；在座椅的水平方向安装一个直流电动机，用来控制汽车座椅在水平方向前后移动。操作手柄上设有多个手动调节按键，通过手动调节控制直流电动机，改变传动轴的行程和方向，从而调节汽车座椅的位置，如座椅上下位置，前后位置以及靠背的角度变化；并设有多个存储按键，用来记忆或恢复座椅的位置信息。在控制系统上安装有一个自学习按键，用来自动测量座椅在汽车内部所能移动极限位置，防止座椅在到达极限位置后使电动机长时间工作在堵转状态而烧毁。

2系统硬件设计

C8051F311是美国Silicon Labs 公司推出的以传统8051单片机为核心的微控制器，它有25个I/O口，所有I/O口线都具有强大的控制功能，可以编程为弱上拉或推挽输出，也可设置成漏极开路；加上上拉电阻后可以与TTL电平直接接口。单片机具有独特的数字开关阵列，可以将单片机的内部硬件资源（如外部中断、UART、SPI等）配置到I/O口P0、P1和P2口上^[1]。如图2所示，单片机的外部中断0（INT0）被配置到端口P0的P0.0。C8051F311单片机具有较大程序存储器FLASH ROM和片内RAM，单片机16K的FLASH存储器可用来存放程序代码和非易失性的数据，汽车电动座椅各直流电动机的位置信息以及记忆的位置信息等数据，都作为非易失性数据存储在FLASH ROM内^[2][3]。

自动座椅系统的硬件设计如图2所示： 3×4的矩阵键盘作为系统的操作手柄；P1口连接驱动电路，用来控制4个直流电动机，整型电路将霍尔传感器信号放大、整型成与单片机直接接口的TTL电平信号。

操作手柄上设有3各存储按键，分别用来记忆和恢复3个不同的座椅位置。

2.1驱动电路设计

图3中，J1为直流电动机接线端口；其中端子3和4连接电动机的电枢；端子1和2连接霍尔传感器。

通过控制C8051F311单片机的P1.0和P1.1电平变化来控制电动机的转向^[4]。P1.0为高电平，P1.1为低电平时，晶体管Q2开通，继电器K1吸合；晶体管Q3断开，继电器K2闭合，直流电源经继电器K1常开触点和K2的常闭触点与电动机电枢相联，假设此时电动机正转。当P1.0为低电平，P1.1为高电平时，电动机反转。通过控制C8051F311单片机的P1口电平的变化来控制电动机转动的方向及转动时间，从而控制汽车座椅各方向移动。

霍尔传感器的整型电路，将反馈的霍尔传感器＋2V左右弱信号，经放大、整型成能与单片机接口的TTL电平，连接至C8051F311单片机外部中断0（P0.0），用中断方式对霍尔传感器产生的脉冲数进行计算，从而计算电动机的转速和位置数据。

3 软件设计

安装在汽车座椅上的直流电动机的电源取至汽车电瓶，由于汽车电瓶的电压会随汽车运行状态不同而产生波动，电动机的转速也会随之变化，通过电动机的转速来计算汽车座椅所移动的距离时，汽车座椅的位置数据也会变化；因此，文中采取通过计算电动机在一个方向所转动的圈数，即计算电动机上霍尔传感器时所产生脉冲数^[4]，来标识电动机在此方向所行进的距离。

3.1手动调节

操作手柄上设有8个手动调节按键，分别用来控制座椅上各电动机在各方向的转动，手动调节采用点动控制方式。通过操作手柄的手动按键，控制座椅各电动机，经传动机构牵引座椅移动，调节座椅的移动方向和移动距离，从而调节座椅的位置。

3.2记忆功能的设计

汽车座椅记忆功能的设计原理是：通过手动调节按键手动控制座椅各方向的电动机，使座椅到达感觉最舒适的位置，同时计算各电机上霍尔传感器所产生的脉冲数（即座椅的位置信息），然后按下存储按键时间超过3秒，系统将此时座椅各电动机的位置信息存入FLASH ROM的指定单元中，则完成座椅位置的记忆。当需要恢复所记忆的座椅位置时，按下相应的存储按键时间不超过3秒，系统将记忆的座椅各电动机位置信息从FLASH ROM中读出，并与当前的座椅位置信息比较，控制电机移动至所记忆的位置；系统设有多个存储按键，用来记忆多个座椅位置。

3.3 测量位置极限的自学习功能

由于汽车内部空间的大小不同，汽车座椅在车内所能移动的最大距离也各不相同；汽车自动座椅安装时应设置好极限位置，以便汽车座椅在极限位置内能安全移动；在设置座椅极限位置时，由于不同的汽车内部空间不同，使得所设置的极限位置各不同；因此必须设计一个自学习功能软件，使系统能够自动测量座椅在车内所能移动的极限位置。

电动机运行在堵转状态时，转速变低，甚至停转；汽车座椅移动到极限位置时，由于受到汽车内部空间的限制，而使电动机堵转。利用电动机的堵转状态，可以测量出座椅的极限位置。

在电动机转动过程中，监视电动机的转速，当转速远低于电动机的正常转速时，即可判断电动机此时处于堵转状态，使电动机停车，此时的位置则是汽车座椅的一个极限位置；然后控制电动机往相反方向转动，可以判断出另一个极限位置；设一个极限位置为零点，另一个则为最大极限位置，将最大极限位置的位置数据存放于单片机内的FLASH ROM内。汽车座椅在移动达到极限位置时，控制电动机停车，且控制座椅此时只能朝相反方向转动，以防止电动机因堵转时间过长而烧毁。

4 结语

本文作者创新点：研制一种以C8051F311单片机为核心的座椅自动控制系统，系统具有自动测量座椅安装的位置极限，记忆多个座椅位置等功能，使电动座椅的安装变得更加简便，座椅的位置调节方便、快捷；可以大大提高座椅的可控性，提高乘坐者的舒适感，即使在行驶中的汽车也可轻松地调整的汽车座椅位置，减少驾驶者的疲劳感。座椅自动控制系统也可以在医院病床上得到很好的应用，它可以帮助行动较困难的病人轻松地坐立，甚至站立起来。座椅自动控制系统也可以做为CAN_BUS总线上的一个节点并入汽车的控制系统中。

参考文献

[1]  童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程.北京:北京航空航天大学出版社.2005
[2]  C8051F31X Datasheet. USA.Silicon Labs，2003
[3]  黄颖，李瑞强，张鹿平.基于C8051F的耐压阻抗测试系统的设计.微计算机信息，2005(8-2):65-66,147
[4]  王晓明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社.2002.5