基于單片機的汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化1071指導(dǎo)教師工作單位武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院設(shè)計(論文)題目汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：雨刷器是汽車的重要部件之一， 要求根據(jù)汽車的行駛工作原理，設(shè)計汽車智能雨刷系統(tǒng), 當下雨時雨刷自動判斷并開啟，雨停時自動關(guān)閉，并能根據(jù)雨量的大小自動調(diào)節(jié)雨刷工作速度。要求完成的主要任務(wù)及其時間安排:1查閱相關(guān)文獻資料，要求中文不少于10篇，英文不少于2篇。2熟悉汽車行駛工作原理，了解目前汽車雨刷國內(nèi)外生產(chǎn)應(yīng)用情況。3設(shè)計汽車自動雨刷控制系統(tǒng)，要求如下：（1）當下雨時雨刷自動判斷并開啟，雨停時自動關(guān)閉。（2）能根據(jù)雨量大小自動調(diào)節(jié)雨刷擺動速度的快慢

2、。（3）對系統(tǒng)進行仿真模擬。4書寫設(shè)計說明書，要求不少于10000字。進度安排：第3周-第4周 查閱文獻資料，了解國內(nèi)外汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計方法。第5周-第6周 確定方案，提交開題報告。第7周-第12周 系統(tǒng)設(shè)計。第13周-第15周 撰寫論文。第16周 論文答辯。必讀參考資料：1 李華.MCS-51系列單片機接口技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)出版社. 1993.2070.2 李光飛.單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)M.北京航空航天大學(xué)出版社. 2004.5065.3 高光天.模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)M.2001年第1版.科學(xué)技術(shù)出版社. 2001.4 楊幫文. 現(xiàn)代新潮傳感器應(yīng)用手冊M.第一版. 北京：機械工業(yè)

3、出版社. 2006.80120.5 張洪潤，張亞凡. 單片機原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社. 2004. 指導(dǎo)教師簽名： 教研室主任簽名： 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計1目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）： 汽車雨刷的主要功能為刮除附著于擋風玻璃上的水漬及污垢，以提供駕駛者清新的視野。當下雨時，駕駛者須以人為判斷前擋風玻璃承受落雨量之模糊程度，故采用手動方式調(diào)整雨刷啟動按鈕，如此不僅使駕駛者分心，亦使玻璃落雨量刮除之清晰度不一，兩者均與駕駛安全相關(guān)，因此雨刷系統(tǒng)性質(zhì)屬于主動性安全裝置。主動性安全系統(tǒng)為汽車系統(tǒng)工程師的努力目標之一，且雨刷系統(tǒng)必然為擋風玻璃保持清晰的唯一選擇

4、。利用自動雨刷系統(tǒng)可以減少駕駛者于行駛間的分心，確保玻璃落雨量刮除保持定量，以提升車輛的安全性。雨刷器這項技術(shù)是自動化科學(xué)中與產(chǎn)業(yè)部門連接最緊密、服務(wù)最為廣泛的一個。自從世界的第一輛汽車的制造出來，雨刷器就被聰明的人們用在了汽車上。在汽車制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，汽車中已經(jīng)安裝了越來越多的自動控制系統(tǒng)增加主動和被動安全性。據(jù)統(tǒng)計，全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛者手動操作雨刷引起的，所以，一種具有極高可靠性能的汽車自動雨刷控制系統(tǒng)顯得非常的重要，汽車自動雨刷控制系統(tǒng)使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效提高了雨天行車的安全性和雨刷的可靠度。如果開發(fā)出在汽車行駛中檢測到雨滴后雨刷器就自動工作的智能

5、雨刷系統(tǒng)，至少可以將現(xiàn)在的雨刷器減少3個開關(guān)。這樣，駕駛者就無需調(diào)節(jié)雨刷器設(shè)置來迅速停止刮片的運動或者得到更好的視角。當在濕路上行駛時，駕駛者就無需動手來打開雨刷器，所以駕駛者就可以集中精神開車?；仡檱鴥?nèi)外已發(fā)表的文獻資料，可發(fā)現(xiàn)自動雨刷感測系統(tǒng)基本可分為以下幾類：包括早期以壓電形式感測，電性改變電阻大小感測，光學(xué)反射行感測，影像處理配合模糊邏輯判斷。汽車自動感測雨刷由1985年Shiraishi et al.1提出以壓電元件所研發(fā)之雨滴感測器，利用落雨時雨滴落在擋風玻璃的重量轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝佑嵦?，再以壓電元件將力轉(zhuǎn)換成電訊號，并以放大電路將訊號放大藉以判斷雨刷間歇時間的長短；1996年Cheok

6、et al.3采用模糊邏輯法則控制智慧型自動雨刷系統(tǒng)，將雨滴感測器所測得雨量配合M68HC11微控制器來決定自動雨刷的刮除速度，并有模糊邏輯判斷何種雨勢；2000年MiljkovicH et al.4以電性作為判別雨勢大小基礎(chǔ)；2001年Ertunc et al.5則是利用銅線傳導(dǎo)性來感測雨量，當銅線間無雨滴時電阻為無窮大，雨滴落下時銅線的電阻值則會隨雨量的多寡而變化，再由驅(qū)動電路使雨刷啟動；2001年Kurahashi et al.6以光學(xué)反射型之雨滴感測器來量測，光源采用紅外線并搭配感測器，探討此自動雨刷系統(tǒng)之可靠度，建立自動雨刷系統(tǒng)的控制法則；2006年P(guān)ark et al.7以視覺影像

7、處理配合模糊邏輯控制來判斷雨勢大小，此智慧型雨刷系統(tǒng)可準確判別雨滴有無落在前擋風玻璃，并在反應(yīng)時間內(nèi)啟動自動雨刷。國內(nèi)外許多汽車廠商研制以雨水傳感器為基礎(chǔ)的汽車制動控制系統(tǒng)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)的雨刷器，但不是價格昂貴就是系統(tǒng)不完善?，F(xiàn)在開發(fā)的汽車雨刷控制系統(tǒng)中，將雨滴傳感器檢出的雨水強度實成時測量值變電信號，根據(jù)電信號的大小，自動設(shè)定雨刮器工作的時間間隔，控制雨刮器動作。近年來由于車用電子開始發(fā)展，每年全球約有5000萬輛新車在市場中銷售，而已經(jīng)成為現(xiàn)代車輛標準配備的各種車用電子設(shè)備，也成為一項商業(yè)無窮的明星產(chǎn)業(yè)，吸引世界各國科技廠商爭相投入。而新起的“雨刷科技”在近期有許多相關(guān)研究與產(chǎn)品出

8、現(xiàn)，自動感測雨刷系統(tǒng)主要訴求為安全性與可靠性，因此，能準確測得擋風玻璃上雨量多寡進而控制雨刷作動頻率，期望以不同方式改善其效率與生產(chǎn)成本即為研發(fā)重點。本系統(tǒng)中采用步進電機取代傳統(tǒng)的雨刷電機（傳統(tǒng)的雨刷電機為直流電機），目的是運用步進電機控制精度高等特點，是系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。此次設(shè)計中我們采用了單片機系統(tǒng)的微處理器AT89C2051芯片、TA8435H步進電機驅(qū)動芯片等硬件，而且它們具有集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低價格等優(yōu)點。所以汽車雨刷自動控制系統(tǒng)是個值得推廣的一種方法，且具有很好的市場推廣價值。2基本內(nèi)容和技術(shù)方案： 基本內(nèi)容： 運用汽車雨量傳感器對環(huán)境雨量大小的檢測，把信

9、號輸單片機系統(tǒng)，通過程序控制步進電機根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動。比如當下小雨時，雨刷器自動工作在小雨運行方案（雨刷電機轉(zhuǎn)動一個來回后停止10s后繼續(xù)運行），當中下大雨時，雨刷器自動工作在中大雨運行方案（雨刷電機轉(zhuǎn)動一個來回后停止5s后繼續(xù)運行），當下大雨時，雨刷器自動工作在大雨運行方案（雨刷電動機轉(zhuǎn)動一個來回后繼續(xù)運行）。本設(shè)計中單片機運用AT89C2051、步進電機用TA8435H進行驅(qū)動。 技術(shù)方案：本系統(tǒng)主要由電源電路、驅(qū)動電路、中央處理單元等組成。系統(tǒng)中所用的單片機為AT89C2051單片機，其是一種性能優(yōu)良的集成可編程的單片機，其功能的強大，它把CPU、存儲器、及I/O集成到一個芯

10、片上，只要外加少許電子零件便可以構(gòu)成一套簡易的控制系統(tǒng)。步進電機運用細分發(fā)進行控制，這樣可以使電機工作更穩(wěn)定，并通過編程實現(xiàn)對汽車雨刷的控制。通過這些可以降低設(shè)計出來的產(chǎn)品的硬件成本和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂品桨副容^設(shè)計中運用的單片機為AT89C2051, 它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與INTEL公司的MCS51系列單片機高度兼容，加上我們也學(xué)習過該類型的單片機，應(yīng)用相對順手。在傳統(tǒng)的雨刷電機中大多采用直流電機，但綜合考慮，采用了步進電機作為雨刷電極。設(shè)計中鍵盤、電機驅(qū)動芯片的也需要做出合理的選擇，下面對幾種主要器件進行比較。（1）AT89C1051、AT89C2051的比較選擇AT89C1051是一種

11、帶1K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C1051是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種靈活性高且價廉的解決方案。AT89C1051有以下特點：1k字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz

12、/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實現(xiàn)的功能跟AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)升級到2K，還有內(nèi)部RAM為128字節(jié)。由上可知，為了降低難度，增加系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，因為在武漢的電子城中AT89C2051容易購買，所以選用了AT89C2051。（2）電機的選擇本設(shè)計中運用步進電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電極（傳統(tǒng)的雨刷電機為直流電機）其相比傳統(tǒng)雨刷具有控制

13、靈活、精度高等優(yōu)點。因為其是純粹的數(shù)字控制電動機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。在性能上相比步進電機很適合做雨刷電機，且在價格方面步進電機也很便宜，市場供貨也很多。所以設(shè)計中采用步進電機，根據(jù)汽車雨刷條件，選用12V的四相六線制步進，其也可以作為兩相電機使用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。 圖1 四相六線制步進原理圖（3）電動機驅(qū)動芯片的選擇根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計的核心部分就是對步進電動機進行

14、控制。最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式，大多數(shù)專用的步進電機驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式調(diào)速控制。TA8435H和L298都是比較常用，性能比較穩(wěn)定可靠的集成有橋式電路的電機專用芯片。TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細分二相步進電機驅(qū)動專用芯片,TA8435主要由1個解碼器，2個橋式驅(qū)動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。工作電壓范圍寬（1040V）L298是ST公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成有兩個橋式電路的電機驅(qū)動專用芯片，它驅(qū)動的電壓可達到46V，單個橋直流電流可達到2A。具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電

15、路。其外，L298的兩個橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機，直流電流可達到4A。其實對于本設(shè)計來說，上述兩塊芯片都可用。不過在市場上，TA8435H使用比較廣，而且控制起來也很方便，所以本設(shè)計選用TA8435H作為電機的驅(qū)動芯片。（4）雨量傳感器選擇目前市場上的雨水傳感器大都是依據(jù)以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應(yīng)傳感器。相比較各類雨水傳感器的性能和價格，設(shè)計中采用的是第三種方案

16、的雨量傳感器，其是基于光強變化的原理，提出了一種新的紅外線雨水傳感器。傳感器由紅外光發(fā)射電路和紅外光接收電路組成，實驗證明，這種雨水傳感器反應(yīng)靈敏，實時性好，性能穩(wěn)定。 原理方框圖該系統(tǒng)主要由控制單元、檢測部分、驅(qū)動部分和接口單元電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電源電路傳感器時鐘電路復(fù)位電路單片機步進電機驅(qū)動芯片步進電機 圖2汽車自動雨刷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3進度安排：第3周-第4周 查閱文獻資料，了解國內(nèi)外汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計方法。第5周-第6周 確定方案，提交開題報告。第7周-第9周 完成汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。第10周-第11周 完成汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第12周 對

17、系統(tǒng)或相關(guān)環(huán)節(jié)進行調(diào)試、仿真或試驗，驗證設(shè)計的正確性、可行性。第13周-第15周 完成不少于10000字的畢業(yè)設(shè)計論文。第16周 論文答辯。4指導(dǎo)老師意見：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日鄭 重 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人簽名： 日期： 目 錄摘 要 1Abstract 21 緒論 31.1 研究背景 31.2 研究動機與目的 42 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計和主要特點 52.1 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思

18、路52.2 方案的選擇設(shè)計與原理方框圖52.2.1 控制方案比較52.2.2 原理方框圖72.3 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的主要特點73 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計83.1電源電路的設(shè)計與分析83.2 中央控制器AT89C2051 93.2.1 AT89C2051的特點93.2.2 AT89C2051的功能描述93.2.3 AT89C2051的管腳說明103.3 電機控制電路分析與設(shè)計123.3.1 步進電機的基本原理及特點123.3.2 步進電機驅(qū)動芯片143.3.3 步進電機與驅(qū)動芯片連接電路設(shè)計173.4 復(fù)位電路的設(shè)計183.4.1 單片機復(fù)位電路基本原理及特點183.4.2 單片機復(fù)

19、位后的狀態(tài)分析183.5 時鐘電路的設(shè)計與工作原理分析193.5.1 振蕩器特性193.5.2 時鐘電路的設(shè)計193.5.3 單片機的基本時序單位20 3.6 檢測電路的設(shè)計與分析203.6.1 雨水傳感器工作原理213.6.2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)224 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計244.1 主程序設(shè)計244.1.1 主程序的初始化內(nèi)容244.1.2 代碼轉(zhuǎn)換程序254.2 中斷服務(wù)程序254.3 檢測脈沖及電機運行程序的設(shè)計265 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試275.1 電路圖的繪制與PCB板的制作275.1.1 電路圖的繪制275.1.2 PCB板的制作275.2 元件的識辯與檢測285

20、.3 元件的安裝焊接與系統(tǒng)功能調(diào)試285.3.1 元件安裝的基本要求與原則285.3.2 元器件的焊接295.3.3 系統(tǒng)調(diào)試與分析30總結(jié)與展望31參考文獻 32附 錄 33附錄一 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計程序清單 33附錄二 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)設(shè)計電路原理圖 36致 謝 37摘 要本設(shè)計主要完成以傳感作為檢測器并通過軟件的設(shè)計實現(xiàn)適時地對雨刷電機的轉(zhuǎn)停、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對汽車雨刷的自動控制。這次設(shè)計是傳感器技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，并且設(shè)計中運用步進電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電機，通過傳感器檢測到的雨量大小的信號，把信號輸入單片機AT89C2051中通過程序控制步進電機的啟動、

21、電機轉(zhuǎn)動速度及正反轉(zhuǎn)時間。設(shè)計中運用TA8435H作為步進電機的驅(qū)動芯片，其是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式，這樣能克服步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。此設(shè)計能免去駕駛員對雨刷的反復(fù)操作，提高了駕駛的安全性和舒適性，減少由于駕駛員對雨刷操作帶來的交通事故，也大大提高了汽車雨刷運行的可靠度。關(guān)鍵詞： 汽車雨刷自動控制系統(tǒng)；單片機；傳感器；步進電機 ABSTRACT The sensors designed mainly to the completion as a detector and software design to achieve a timely manner on the

22、 wipers to stop the motor, and are to reverse in order to achieve the automatic control of the vehicle wipers. The design is modern sensor technology and control technology in the automobile manufacturing industry in the application and use of the design of the stepper motor instead of the tradition

23、al wipers motor, sensor detected by the stepper motor instead of the traditional wipers motors, sensors detected by the size of the rainfall signal, the signal input in the SCM AT89C2051 Stepper motor controlled by the start of motor rotation speed and positive and time.DesignTA8435H use as a steppi

24、ng motor rotation speed and positive and time. Design TA8435 use as a stepping motor driver chip, it is the PWM chopper drive, so overcome stepper motor in the low-frequency work, there will be vibration, noise major shortcomings. This design can be removed from the driver of the wipers of repeated

25、operations, improve driving safety and comfort, reduce the pilot operation of the wipers the accident, greatly improving the reliability of the car wipers running.Key words: SCM; Sensors; Stepper motor; Automatic wipers Control System Design 1 緒論1.1 研究背景根據(jù)科學(xué)家針對消費者對中型房車產(chǎn)品屬性偏好之研究，結(jié)果顯示消費者對配備及式樣依序包括自動預(yù)縮

26、安全帶、駕駛座安全氣囊、前座乘客座安全氣囊、主動式護頸頭枕、晶片防盜器、前霧燈、可調(diào)式間歇式雨刷、電動收藏廣角后照鏡、車側(cè)轉(zhuǎn)向警示燈、倒車雷達?？梢?，關(guān)乎安全性之配備需求已超過舒適性。其中，可調(diào)式間歇式雨刷之需求排名第七，消費者對于雨刷必須具有可調(diào)頻率，以因應(yīng)不同車況及前擋風玻璃之落雨量之需求是相當殷切的，然而，以駕駛者人為判斷前擋風玻璃承受落雨量之模糊程度，再以手動方式調(diào)整雨刷啟動按鈕，不僅使駕駛座分心，亦使玻璃落雨量刮除清晰度不一，兩者均與駕駛安全相關(guān)。又因為汽車雨刷的主要功能為刮除附著于擋風玻璃上的水漬及污垢，以提供駕駛座清晰的視野，所以雨刷系統(tǒng)性屬主動性安全裝置。主動性安全系統(tǒng)為汽車系

27、統(tǒng)工程師的努力目標之一，且雨刷系統(tǒng)必然為擋風玻璃保持清晰的唯一選擇。加裝感測器之自動雨刷系統(tǒng)，乃目前各車廠亟需投注心力的開發(fā)方向。1.2 研究動機及目的汽車雨刷的主要功能為刮除附著于擋風玻璃上的水漬及污垢，以提供駕駛者清新的視野。當下雨時，駕駛者須以人為判斷前擋風玻璃承受落雨量之模糊程度，故采用手動方式調(diào)整雨刷啟動按鈕，如此不僅使駕駛者分心，亦使玻璃落雨量刮除之清晰度不一，兩者均與駕駛安全相關(guān)，因此雨刷系統(tǒng)性質(zhì)屬于主動性安全裝置。主動性安全系統(tǒng)為汽車系統(tǒng)工程師的努力目標之一，且雨刷系統(tǒng)必然為擋風玻璃保持清晰的唯一選擇。利用自動雨刷系統(tǒng)可以減少駕駛者于行駛間的分心，確保玻璃落雨量刮除保持定量，以

28、提升車輛的安全性?，F(xiàn)在開發(fā)的汽車雨刷控制系統(tǒng)中，將雨滴傳感器檢出的雨水強度實成時測量值變電信號，根據(jù)電信號的大小，自動設(shè)定雨刮器工作的時間間隔，控制雨刮器動作。目前市場上的雨水傳感器大都是依據(jù)以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器與控制器相連接，控制雨刷電機的工作。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應(yīng)傳感器。本次設(shè)計的汽車自動雨刷控制系統(tǒng)是基于AT89C2051單片機、汽車雨量傳感器和

29、雨刷電機并通過軟硬件的設(shè)計綜合實現(xiàn)的。而且本系統(tǒng)中采用步進電機取代傳統(tǒng)的雨刷電機（傳統(tǒng)雨刷電機為直流電機），目的是運用步進電機控制精度高等特點，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。本次設(shè)計也綜合應(yīng)用之前學(xué)校所學(xué)的單片機、微機控制、電路設(shè)計、電機拖動等方面的知識，進一步了鞏固我們的本專業(yè)知識?？紤]到設(shè)計成本，設(shè)計運用的這些材料相對于其他同類產(chǎn)品價格非常底。此次設(shè)計中我們采用了單片機系統(tǒng)的微處理器AT89C2051芯片、TA8435H步進電機驅(qū)動芯片等硬件，而且它們具有集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低價格等優(yōu)點。所以汽車自動雨刷控制系統(tǒng)是個值得推廣的一種方法，且具有很好的市場推廣價值。2 汽車自動雨

30、刷控制系統(tǒng)總體設(shè)計和主要特點本章重點產(chǎn)闡述汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計思路、控制方案的比較、設(shè)計電路的原理框圖以及本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點。 2.1 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計思路本次設(shè)計的設(shè)計思路是：運用汽車雨量傳感器對環(huán)境雨量大小的檢測，把信號輸單片機系統(tǒng)，通過程序控制步進電機根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動。比如當小雨時，雨刮器自動工作在小雨運行方案（雨刷電機轉(zhuǎn)動一個來回后停止10s后繼續(xù)運行），當中大雨時，雨刮器自動工作在中大雨運行方案（雨刷電機轉(zhuǎn)動一個來回后停止5s后繼續(xù)運行），當大雨時，雨刮器自動工作在大雨運行方案（雨刷電機轉(zhuǎn)動一個來回后繼續(xù)運行）。設(shè)計中單片機運用AT89C2051，步進

31、電機用TA8435H進行驅(qū)動。2.2 方案的選擇設(shè)計與原理方框圖本系統(tǒng)主要由電源電路、驅(qū)動電路、中央處理單元等組成。系統(tǒng)中所用的單片機為AT89C2051單片機，其是一種性能優(yōu)良的集成可編程的單片機，其功能的強大，它把CPU、存儲器、及I/O集成到一個芯片上，只要外加少許電子零件便可以構(gòu)成一套簡易的控制系統(tǒng)。步進電機運用細分發(fā)進行控制，這樣可以使電機工作更穩(wěn)定，并通過編程實現(xiàn)對汽車雨刷的控制。通過這些可以降低設(shè)計出來的產(chǎn)品的硬件成本和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2.1控制方案比較設(shè)計中運用的單片機為AT89C2051, 它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與INTEL公司的MCS51系列單片機高度兼容，加上我們也學(xué)

32、習過該類型的單片機，應(yīng)用相對順手。在傳統(tǒng)的雨刷電機中大多采用直流電機，但綜合考慮，采用了步進電機作為雨刷電極。設(shè)計中鍵盤、電機驅(qū)動芯片的也需要做出合理的選擇，下面對幾種主要器件進行比較。（1）AT89C1051、AT89C2051的比較選擇AT89C1051是一種帶1K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C1051是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一

33、種靈活性高且價廉的解決方案。AT89C1051有以下特點：1k字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實現(xiàn)的功能跟AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)升級到2

34、K，還有內(nèi)部RAM為128字節(jié)。由上可知，為了降低難度，增加系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，因為在武漢的電子城中AT89C2051容易購買，所以選用了AT89C2051。（2）電機的選擇本設(shè)計中運用步進電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電極（傳統(tǒng)的雨刷電機為直流電機）其相比傳統(tǒng)雨刷具有控制靈活、精度高等優(yōu)點。因為其是純粹的數(shù)字控制電動機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。在性能上相比步進電機很適合做雨刷電機，

35、且在價格方面步進電機也很便宜，市場供貨也很多。所以設(shè)計中采用步進電機，根據(jù)汽車雨刷條件，選用12V的四相六線制步進，其也可以作為兩相電機使用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1.。圖2.1 四相六線制步進原理圖（3）電動機驅(qū)動芯片的選擇根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計的核心部分就是對步進電動機進行控制。最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式，大多數(shù)專用的步進電機驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式調(diào)速控制。TA8435H和L298都是比較常用，性能比較穩(wěn)定可靠的集成有橋式電路的電機專用芯片。TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細分二相步進電機驅(qū)動專用芯片,TA8435主要由1個解碼器，2個橋式驅(qū)動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電

36、流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。工作電壓范圍寬（1040V）L298是ST公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成有兩個橋式電路的電機驅(qū)動專用芯片，它驅(qū)動的電壓可達到46V，單個橋直流電流可達到2A。具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。其外，L298的兩個橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機，直流電流可達到4A。其實對于本設(shè)計來說，上述兩塊芯片都可用。不過在市場上，TA8435H使用比較廣，而且控制起來也很方便，所以本設(shè)計選用TA8435H作為電機的驅(qū)動芯片。（4）雨量傳感器選擇目前市場上的雨水傳感器大都是依據(jù)以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳

37、感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應(yīng)傳感器。相比較各類雨水傳感器的性能和價格，設(shè)計中采用的是第三種方案的雨量傳感器，其是基于光強變化的原理，提出了一種新的紅外線雨水傳感器。傳感器由紅外光發(fā)射電路和紅外光接收電路組成，實驗證明，這種雨水傳感器反應(yīng)靈敏，實時性好，性能穩(wěn)定。2.2.2 原理方框圖該系統(tǒng)主要由控制單元、檢測部分、驅(qū)動部分和接口單元電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。電源電路傳感器時鐘電路復(fù)位電路單片機步進電機驅(qū)動芯

38、片步進電機圖2.2汽車雨刷自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的主要特點基于單片機AT89C2051對步進電機控制制作型的汽車控制系統(tǒng)的主要特點有： 本設(shè)計運用步進電機取代傳統(tǒng)的雨刷電機，從而使控制精度增加，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，外圍電路簡單易懂。 運用單片機控制系統(tǒng)，程序固化了，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。 雨水感應(yīng)式自動雨刷控制系統(tǒng)使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。 設(shè)計中運用元件價格便宜，適合推廣使用。 因為整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，因此體積小，功耗低。 通過以上方案的分析，就可以知道單片機技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計的發(fā)展的重要部分。采用單片機AT89C2051

39、和步進電機的結(jié)合的汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，無論是在性能，特點，還是原理圖上，或者是在電路設(shè)計上，材料選用上都具有簡單，使用性強等優(yōu)點。3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計按功能主要分為：電源模塊、檢測模塊、單片機控制模塊、電機控制模塊。其中，AT89C2051單片機是整個電路的核心。附圖1就是汽車自動雨刷控制系統(tǒng)總電路圖。在本章下面的幾個小節(jié)中，我們根據(jù)附圖1所示的硬件設(shè)計圖，對各個模塊的主要的一些電路進行詳細的設(shè)計和分析。3.1 電源電路的設(shè)計與分析穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO（或電壓可調(diào)范圍UOmin UOmax）和最大輸出電流IOmax是它的特性指標，這兩個指標決定了該

40、電源的適用范圍，同時也決定了穩(wěn)壓器的特性指標以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標，它們決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。圖3.1 穩(wěn)壓電源原理圖因為系統(tǒng)是由單片機直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓是十分重要的，所以我們設(shè)計了一個穩(wěn)壓電源，如圖3.1所示，本設(shè)計中控制部分的邏輯元件需要+5V的直流電，而我們設(shè)計使用的步進電動機的額定電壓為12V。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因為線性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾

41、小而且。由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個220V變12V的變壓器，一個整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（7812和7805）和四個電容。圖中C1是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于C1本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在C1傍邊并聯(lián)一個高頻濾波性能良好的小電容C2。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容C3和C4是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負載響應(yīng)特性。三腳穩(wěn)壓塊選擇：該裝置中的穩(wěn)壓塊選用LM7805和7812集成穩(wěn)壓塊。其原理都一樣，下面介紹LM7805系列集成穩(wěn)壓塊主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓：DC3V35V；最大輸出電

42、流：1.5A。LM7805系列穩(wěn)壓塊封裝：1腳為輸入端 ，2腳為公共端 ，3腳為輸出端。注意事項：引腳不能接錯，公共端不能懸空；為防止過熱應(yīng)安裝散熱片，其內(nèi)部原理圖如圖3.2所示，按圖我們來分析其原理：在本設(shè)計中應(yīng)輸出電壓為Vo=5V，則當Vo5V時，T2的b極電壓上升，進而T2的c極電壓下降，進而T1的b極電壓下降,進而T1的Vce極電壓上升，進而Vo趨于5V；反之當Vo5V時亦然。 圖3.2三端穩(wěn)壓電源內(nèi)部圖3.2 中央控制器 AT89C2051AT89C2051是由ATMEL公司推出的一種小型單片機。95年出現(xiàn)在中國市場。其主要特點為采用Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件

43、與MCS-51完全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗比較容易。3.2.1 AT89C2051的特點AT89C2051具有以下幾個特點： AT89C2051與MCS-51系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； 片內(nèi)有2k字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器； 全靜態(tài)工作,工作范圍:0Hz24MHz； 有2個程序保密位，保密位1被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，保密位2被編程之后，程序不能被讀出； 1288位內(nèi)部RAM； 32位雙向輸入輸出線； 兩個十六位定時器/計數(shù)器； 兩個串行中斷，兩個外部中斷源； 內(nèi)置一個模擬比較放大器； 間歇和掉電兩種工

44、作方式。3.2.2 AT89C2051的功能描述T89C2051是美國愛特梅爾（ATMEL CORPORATION）半導(dǎo)體制造公司生產(chǎn)的一種高性能的單片機，它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與INTEL公司的MCS51系列單片機高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作，廣泛的應(yīng)用于各種計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制、電訊設(shè)備、宇航設(shè)備及消費類產(chǎn)品中。由于ATMEL是全球最大的FLASH和EEPROM生產(chǎn)制造公司，加之以其EEPROM技術(shù)與INTEL的80C31內(nèi)核技術(shù)交換，使ATMEL從此擁有80C31內(nèi)核的使用權(quán)，從而該公司的89C51系列單片機具有極高的性能價格比。 AT89C2051的性能結(jié)構(gòu)上是一個功能強大的

45、單片機，它將AT89C51的P0口、P2口、EA/Vcc、ALE/PROG、 口線簡化后，形成的一種僅20個引腳的單片機，相當于INTEL8031的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對于一些不太復(fù)雜的控制場合，僅用一片AT89C2051就足夠了。由于將多功能的8位CPU和2KB閃速存儲器以及模擬電壓比較器集成到單個芯片上，從而成為一種多功能的微處理器，這為許多嵌入式控制提供了一種極佳的方案，使傳統(tǒng)的51系列單片機的體積大、功耗大、可選模式少等諸多困擾設(shè)計工程師們的致命弱點不復(fù)存在。 AT89C2051的主要特點：2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（FLASH EEPROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲

46、器（RAM）,可重復(fù)擦寫10000次，數(shù)據(jù)保存時間10年，工作電壓范圍：2.76V,工作頻率：024MHz ,15根可編程I/O引線，2個16位定時器/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器，兩級程序加密，輸出口可直接驅(qū)動LED顯示，低功耗的閑置和調(diào)電保護工作方式，以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。由于AT89C2051單片機功能強勁，且體積?。ㄐ酒挥?0個引腳），所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如機電式或電子式電度表，智能煤氣表，測速儀等智能儀器。3.2.3 AT89C2051的管角說明AT89C2051單片機為20引腳芯片如圖3.3所示：圖3.3

47、AT89C2051引腳分布圖AT89C2051是一個有20個引腳的芯片,引腳如圖10.1所示,與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個對外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對外引腳,因而芯片尺寸有所減少。 AT89C2051芯片的20個引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 2. GND：地。 3. P1口：P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當

48、P1口引腳寫入“1”時,其可用作輸入端。當引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)。 4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當P3口引腳寫入“1”時,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時,被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。 P3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表10-1所示。 P3口還接收一些用于

49、閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 5. RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當振蕩器正在運行時,持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 表3.1 P3口的功能P3口引腳 功能 P3.0 RXD(串行輸入端口) P3.1 TXD(串行輸出端口) P3.2 INT0(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時器0外部輸入) P3.5 T1(定時器1外部輸入) 從上述引腳

50、說明可看出,AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號,因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051之外擴展存儲器或I/O設(shè)備,也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片 機系統(tǒng)。表3.2 AT89C2051的主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)2K可反復(fù)擦寫(1000次)Flash Rom15個雙向I/O口6個中斷源兩個16位可編程定時計數(shù)器2.7-6.0V的寬工作電壓范圍時鐘頻率0-24MHz128 X8bit內(nèi)部RAM兩個外部中斷源兩個串行中斷可直接驅(qū)動LED兩級加密位低功耗睡眠功能內(nèi)置一個模擬比較放大器可編程UARL通道軟件

51、設(shè)置睡眠和喚醒功能3.3 電機控制電路分析與設(shè)計本設(shè)計運用步進電取代了傳統(tǒng)的雨刷電機，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。3.3.1 步進電機的基本原理及特點步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。常見的步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較