汽車電動座椅課程設計

1、摘要現(xiàn)在的生活中，隨著人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為人們必不可缺的交通工具。汽車座椅的舒適度密切關(guān)系著駕駛員出行，座椅的不適可能引起駕駛員產(chǎn)生較大的不舒適感，從而影響駕車質(zhì)量，即而增加了交通事故發(fā)生的概率。而現(xiàn)今為止，汽車座椅位置的調(diào)節(jié)基本有兩大方式，一是傳統(tǒng)的采用基于手動調(diào)節(jié)方式的機械，這種方式現(xiàn)在仍廣為運用，二是較為先進的電動控制。本文所設計的就是使用51系列單片機控制的電動座椅控制系統(tǒng)。采用幾個開關(guān)來控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而可以方便的調(diào)節(jié)座椅的位置，使駕駛員能夠根據(jù)自己的需求有效的增加駕駛的舒適度。本文主要由垂直方向，水平方向，靠背傾角三個方向調(diào)節(jié)座椅的位置，并使用行程開關(guān)防止電機在極限

2、位置繼續(xù)運轉(zhuǎn)而燒毀。關(guān)鍵詞：電動座椅、89C52單片機、雙向直流電機、位置傳感器第一章 緒論1.1 電動座椅研究的背景如今，汽車的功能已不單純是代步，還代表著身份等。汽車座椅也不再是簡單的一個座椅。而是應市場需求，被廠家賦予了更多的功能。比如溫度濕度的控制功能、自動按摩功能等等，都是人們追求更高生活質(zhì)量在汽車座椅設計上的體現(xiàn)。除了汽車座椅整體的變化外，汽車座椅面料也在發(fā)生著變化?？傮w看來，汽車座椅面料的發(fā)展方向是：通過大力創(chuàng)新，提升自主開發(fā)設計能力，在用料的考究上，織紋與材質(zhì)色彩的協(xié)調(diào)上，力求表現(xiàn)產(chǎn)品的經(jīng)典、尊貴等特點，突出多樣化、個性化，以應對眾多消費群體挑剔的選擇。因此，未來汽車座椅面料應

3、綜合體現(xiàn)它的美學要求、性能要求、安全要求、衛(wèi)生要求及環(huán)保要求等方面的內(nèi)容。1.2 電動座椅研究的意義駕駛座椅狀態(tài)主要是指駕駛座椅與方向盤距離的遠近，座椅面的高低和座椅靠背的俯仰角度。而駕駛員座椅狀態(tài)是否合適，將直接影響到駕駛員的身心狀態(tài)以及視野大小，從而影響到行車安全。而實現(xiàn)座椅狀態(tài)在人員要求下的自動調(diào)整，將會使得調(diào)整變得輕松和快捷?，F(xiàn)如今，座椅的舒適性不僅要讓駕乘人員坐在座椅上時感到舒服，還應綜合考慮駕乘人員的各種感官知覺(比如視覺、觸覺、聽覺和嗅覺)、心里感覺和功能性感覺(是否符合人際工程)等，這將在未來的座中變得越來越重要。電動座椅、座椅加熱的通風裝置、雙密度的坐墊泡沫等技術(shù)的普及也將大

4、大提升座椅的舒適性。而且，在今天座椅的設計和開發(fā)過程更注重采用綠色環(huán)保材料，例如采用可再生的原材料生產(chǎn)坐墊等用品。另外，輕量化的產(chǎn)品設計，即采用更少的材料也是提高產(chǎn)品環(huán)保性的一大舉措。電動座椅是指以電動機為動力，通過傳動裝置和執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)座椅的各種位置，為駕駛員提供便于操作、舒適而又安全的駕駛位置；為乘客提供不易疲勞、舒適而又安全的乘坐位置。按人體工程學的要求，座椅必須具有良好的靜態(tài)與動態(tài)舒適性。其外形必須符合人體生理功能，在不影響舒適性的前提下，力求美觀大方。座椅應采用最經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)，盡可能地減少質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高，對汽車座椅的舒適性要求也越來越高，要求對汽車座椅地調(diào)節(jié)能夠更加簡單

5、、方便、快捷。更簡單更輕松的調(diào)整座椅位置，減輕駕駛疲勞，使人更舒適的操控汽車。汽車電動座椅以駕駛者的座椅為主。從服務對象出發(fā)，電動座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求。也就是說駕駛者通過鍵鈕操縱，既可以將座椅調(diào)整到最佳的位置上，使駕駛者獲得最好視野，得到易于操縱方向盤、踏板、變速桿等操縱件的便利，還可以獲得最舒適和最習慣的乘坐角度。1.3 課題的要求1.座椅負載：150kg；2.電源：車用電源；3.車型：微型轎車；4.各方向調(diào)節(jié)范圍：前后250mm，俯仰60度，高低150mm。第二章 電動座椅的組成部分為滿足不同體型、不同坐姿的駕駛員的喜好，駕駛員座椅通常具有較大范圍的調(diào)節(jié)功能，座椅由3個直流

6、電機牽引，其中高度調(diào)節(jié)電機1個以支撐駕駛者在垂直方向做上下移動，水平調(diào)節(jié)和靠背調(diào)節(jié)電機各1個用來控制座椅靠背的角度變化和水平位置。直流電動機電樞電壓為12V。汽車座椅自動控制系統(tǒng)89C52單片機、驅(qū)動模塊、傳動機構(gòu)以及按鍵開關(guān)構(gòu)成。電動機的轉(zhuǎn)速和座椅的位置信息由安裝在電機上的霍爾傳感器檢測，經(jīng)整形和放大后送入單片機，構(gòu)成系統(tǒng)的速度反饋。通過手動開關(guān)控制直流電動機正反轉(zhuǎn)，改變傳動軸的行程和方向，從而調(diào)節(jié)汽車座椅的位置。電動座椅主要由座椅開關(guān)、控制部分、位置傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的傳動機構(gòu)五大部分組成。開關(guān)包括座椅各位置（靠背、滑動、垂直）的電動開關(guān)。單片機內(nèi)容包括對于電機控制，本設計中主要采用的是89

7、C51單片機。執(zhí)行機構(gòu)主要包括座椅調(diào)整的驅(qū)動電動機等，而且這些電動機均可靈活地進行正反轉(zhuǎn)，以執(zhí)行各種裝置的調(diào)整功能。座椅電控系統(tǒng)框圖和整體結(jié)構(gòu)圖如圖1。圖1 控制開關(guān)單片機電機霍爾傳感器傳動裝置座椅動作整體結(jié)構(gòu)圖第三章 電動座椅執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1 電動機電動座椅大多采用永磁式電動機驅(qū)動，此類電動機多采用雙向電動機。其電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流的方向改變而改變，從而使電動機按照不同的電流方向進行正傳或反轉(zhuǎn)。并通過裝在座位側(cè)板上或門扶手上的肘節(jié)式控制開關(guān)來控制電路通路和電流方向，使某一電動機按所需的方向運轉(zhuǎn)，以達到調(diào)整座椅的目的。為了防止電動機過載，大多數(shù)永磁式電動機內(nèi)裝有熱過載保護斷路器。有些電動座椅

8、采用直流電動機來驅(qū)動，并裝有兩個磁場線圈，使其可作雙向運轉(zhuǎn)。這種電動機多使用繼電器控制電流方向。3.2 調(diào)節(jié)開關(guān)它主要是用來調(diào)整座椅的各種位置。當按下此開關(guān)后，電控單元就會控制相應電動機運轉(zhuǎn)，按照駕駛員的要求調(diào)整座椅的位置。3.3 控制部分單片機是最小的應用控制系統(tǒng)。本課題的控制部分我主要采用89C52單片機控制電機的運轉(zhuǎn)。但由于應用系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯片內(nèi)部，如晶振、復位電路等，需要在片外加接相應的電路。對于片內(nèi)無程序存儲器的單片機，還應該配置片外程序存儲器。構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時只要將單片機接上外部的晶體或時鐘電路和復位電路即可。座椅位置信號取自變阻器上的電壓降。根據(jù)每個自由度上的

9、電動機驅(qū)動座椅，從而使變阻器隨動。根據(jù)變阻器的電壓降，控制單元識別座椅的運動機構(gòu)是否到達“死點”，如果到達“死點”位置時，電控單元及時切斷供電電源，保護電動機和座椅驅(qū)動機構(gòu)。3.4 位置傳感器位置傳感器主要是用來檢測座椅的各種位置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。設計中我采用的是霍爾傳感器。它主要由齒輪、滑塊和螺旋桿（可變電阻器）組成，其工作原理和一般電位計相似。螺旋桿由電動機通過齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，并帶動滑塊在電阻器上滑動，從而使輸出電壓信號發(fā)生變化。電控單元根據(jù)此電壓信號決定座椅的位置。圖2 座椅位置傳感器圖3 霍爾式座椅位置傳感器的結(jié)構(gòu)圖第四章 電動座椅的傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)由永磁式直流電動機、位置傳感器、滑塊

10、、渦輪蝸桿、導軌等構(gòu)成。在座椅底部的支撐架上，有導軌、渦輪和位置反饋傳感器，電機安裝在座椅的底部，電機的轉(zhuǎn)子軸驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)動拖動座椅在導軌方向前后移動，實現(xiàn)座椅前后位置的控制，位置反饋傳感器僅僅用于前后極限位置測量，具體的移動位置測量采用霍爾傳感器，其輸出的脈沖數(shù)量和移動的距離成比例，因此在前后位置，汽車座椅安裝時，需要進行初始位置調(diào)校，移動的距離都是以初始位置為參考。4.1 座椅的前后調(diào)節(jié)機構(gòu)縱向調(diào)整機構(gòu)由蝸桿、渦輪、齒條、導軌等組成。齒條裝在導軌上，調(diào)整時，電動機轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸桿傳至兩側(cè)的蝸輪上，經(jīng)導軌上的齒條，帶動座椅前后移動。 圖4 縱向調(diào)整機構(gòu) 1支撐及導向元件 2導軌 3齒條 4

11、蝸輪 5反饋信號電位計 6調(diào)整電動機 4.2 座椅的高度調(diào)整機構(gòu)高度調(diào)整機構(gòu)由蝸桿軸、渦輪心軸等組成。調(diào)整時，蝸桿軸在電動機的驅(qū)動下，帶動渦輪轉(zhuǎn)動，從而保證心軸旋進或旋出，實現(xiàn)座椅的上升與下降。 圖5 高度調(diào)整機構(gòu) 1. 銑平面 2 止推墊片 3心軸 4渦輪 5撓性驅(qū)動蝸桿軸 4.3 座椅的靠背傾斜部分調(diào)角器是對靠背、坐墊夾角進行調(diào)整和鎖止的機構(gòu)。調(diào)角器分為機械調(diào)角器和電動調(diào)角器，機械調(diào)角器又包括機械板式調(diào)角器、機械桿式調(diào)角器、雙聯(lián)動調(diào)角器等。機械板式調(diào)角器一般是采用棘輪棘爪或齒條齒板工作原理及板簧式復位結(jié)構(gòu)，最大能夠?qū)崿F(xiàn)180度范圍有級調(diào)節(jié)及折疊，適用于各類汽車駕駛員座椅。電動調(diào)角器一般采用

12、齒差行星齒輪傳動原理或齒差雙聯(lián)擺線針輪行星齒輪傳動原理，具有傳動平穩(wěn)、強度高、調(diào)解范圍大等優(yōu)點，適用于高檔汽車駕駛員座椅。這里采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)汽車座椅背靠角度的無極調(diào)整，在電機的驅(qū)動下，行星齒輪的傳動使心軸轉(zhuǎn)動，心軸轉(zhuǎn)動會驅(qū)動滑塊上下移動，滑塊是和座椅靠背骨架固定在一起的，滑塊位置改變使座椅靠背的角度改變，滑塊向上移動，座椅靠背推動人體坐直，滑塊向下移動人體自然會向后仰?；瑝K和心軸之間，靠機械齒合，當心軸轉(zhuǎn)動時，給滑塊以推力，當心軸靜止時，機械齒支撐靠背和人體后靠的重量。圖6 靠背調(diào)整機構(gòu)1. 行星齒輪結(jié)構(gòu)2. 滑塊3. 心軸4. 反饋信號電位計5. 調(diào)整電機6. 調(diào)整齒輪第五章 電

13、動座椅的控制部分單片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成的。單片機是把包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。MCS-51單片機內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的。MCS-51單片機工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機就能夠有效地復位。5.1 內(nèi)部時鐘方式利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上

14、外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激震蕩器，如圖3-1所示。晶體可在1.212MHz之間選擇。MCS-51單片機在通常應用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12Hz頻率的晶體主要是在高速串行通信情況下才使用。C1和C2可在20100pF之間取值，一般取30pF左右。5.2 外部時鐘方式在由單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入惟一的合用外部振蕩脈沖作為各單片機的時鐘。外部時鐘方式中是把外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS

15、和CHMOS單片機外部時鐘進入的引線不同，其外部振蕩信號源接入的方式也不同。HMOS型單片機由XTAL2進入，外部振蕩信號接至XTAL2，而內(nèi)部反相放大器的輸入端XTAL1應接地，如圖3-2所示。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，還要接上接電阻。CHMOS型單片機由XTAL1進入，外部振蕩信號接至XTAL1，而XTAL2可不接地。5.3 復位電路MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式。最簡單的復位電路即在上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效地復位。在實際的應用系統(tǒng)中，為了保證單片機可靠地工作，常采用“看門

16、狗”監(jiān)視單片機的運行。采用MAX690的復位電路如圖3-5所示，該電路具有上電復位和監(jiān)視MCS-51單片機的P3.3的輸出功能。一旦P3.3不輸出高低電平交替變化的脈沖，MAX690就會自動產(chǎn)生復位信號使單片機復位。5.4 復位狀態(tài)復位電路的作用是使單片機執(zhí)行復位操作。復位操作主要是把PC初始化為0000H，使單片機從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲器的0003H單元即MCS-51單片機的外部中斷0的中斷處理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3個單元地址，僅能夠放置一條轉(zhuǎn)移指令，因此，MCS-51單片機的主程序的第一條指令通常情況下是一條轉(zhuǎn)移指令。5.5 時鐘電路和復

17、位電路圖通常，單片機由單個集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。其整體控制部分如圖所示。89C52 單 片 機按鍵電路升降電機前后位移電機背墊俯仰電機時鐘電路 5.6 整體控制電路圖 第六章 設計總結(jié)通過這次汽車座椅系統(tǒng)的課程設計，對自己學習機電控制系統(tǒng)有了更深刻的認識。在學習本科目時首先感覺內(nèi)容很多，而且有些理解很抽象，所以在做設計的時候遇到比較大的阻礙。在老師發(fā)給我們設計題目的時候，感覺思路沒有打開。通過看網(wǎng)上的相關(guān)文獻，以及去圖書館找資料慢慢看出了些眉頭后，通過請

18、教老師把部分不懂的細節(jié)弄清了。完成這個艱難的第一步后，對整個題目解析宏觀的把握，對整個系統(tǒng)的設計也有了大致思路。第二步就是詳細分析并作出整體的結(jié)構(gòu)框圖，這一步相對進行的比較順利。接下來就是理清思路選取試適用的機械結(jié)構(gòu)、電機、控制器等。后面比較輕松地完成了整個系統(tǒng)的設計。這次的課程設計還有著一層特殊含義，那就是它是與畢業(yè)設計掛鉤的。所以我更用心地去摸清了設計的每一個環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)問題時立即向老師或同學或者上網(wǎng)尋求解決辦法。我相信會在之后的畢業(yè)設計中發(fā)揮作用。在本次的電動座椅系統(tǒng)課程設計中，我重新了認識到，我們對掌握的知識還不扎實。在考完之后或是經(jīng)過一段時間我們就對前面學過的知識沒有印象了，這主要是因為沒有理解性學習。所以，在