汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第頁(yè)目 錄摘 要.IVAbstract .V前 言.1第一章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和主要特點(diǎn).21.1 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路.21.2 方案的選擇設(shè)計(jì)與原理方框圖.21.2.1 控制方案比較.21.2.2 原理方框圖.51.3 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn).5第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).62.1 電源電路的設(shè)計(jì)與分析.62.2 中央控制器 AT89C2051.82.2.1 AT89C2051 的特點(diǎn).82.2.2 AT89C2051 的功能描述.82.2.3 AT89C2051 的管角說(shuō)明.92.3 電機(jī)控制電路分析與設(shè)計(jì).122.3.1 步進(jìn)

2、電機(jī)的基本原理及特點(diǎn).122.3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片.162.3.3步進(jìn)電與驅(qū)動(dòng)芯片連接電路設(shè)計(jì).202.4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì).202.4.1 單片機(jī)復(fù)位電路基本原理及特點(diǎn).202.4.1 單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)的分析.212.5 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)與工作原理分析.232.5.1 振蕩器特性.232.5.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì).23貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 I頁(yè)2.5.3 單片機(jī)的基本時(shí)序單位.242.6 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與分析.252.6.1 雨水傳感器工作原理.252.6.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).26第三章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).293.1 主程序設(shè)計(jì).293.1.1 主程序的初始化內(nèi)容.3

3、03.1.2 代碼轉(zhuǎn)換程序.303.2 中斷服務(wù)程序.303.2.1 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì).313.3 檢測(cè)脈沖及電機(jī)運(yùn)行程序的設(shè)計(jì).32第四章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試.334.1 電路圖的繪制與 PCB 板的制作.334.1.1 電路圖的繪制.334.1.2 PCB 板的制作.334.2 元件的識(shí)辯與檢測(cè).354.3 元件的安裝焊接與系統(tǒng)功能調(diào)試.364.3.1 元件安裝的基本要求與原則.364.3.2 元器件的焊接.374.3.3 系統(tǒng)調(diào)試與分析.38總 結(jié).39參 考 文 獻(xiàn).40致 謝.41附 錄.42附錄一 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序清單.42附錄二 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)電路原理圖.46貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 II頁(yè)附錄三 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路 PCB.47附錄四 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)元件圖.48貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第III 頁(yè)汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)主要完成以傳感器作為檢測(cè)器并通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適時(shí)地對(duì)雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)停、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車雨刷的自動(dòng)控制。這次設(shè)計(jì)是傳感器技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，并且設(shè)計(jì)中運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電機(jī)，通過(guò)傳感器檢測(cè)到的雨量大小的信號(hào)，把信號(hào)輸入單片機(jī)AT89C2051 中通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度及正反轉(zhuǎn)時(shí)間。設(shè)計(jì)中運(yùn)用 TA8435H 作

5、為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，其是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式，這樣能克服步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。此設(shè)計(jì)能免去駕駛員對(duì)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(duì)雨刷操作帶來(lái)的交通事故，也大大提高了汽車雨刷運(yùn)行的可靠度。 關(guān)鍵詞：汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)，單片機(jī)，傳感器，步進(jìn)電機(jī)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第IV 頁(yè)Automatic wipers Control System Design Abstract The sensors designed mainly to the completion as a detector and software design t

6、o achieve a timely manner on the 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 steppe

7、r 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. Design TA8435H use as a stepping motor driver chip, it is the PWM chopper

8、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 operations, improve driving safety and comfort, reduce the pilot operation of the wipers the accident, greatly improving

9、 the reliability of the car wipers running. Keyword：SCM，Sensors，Stepper motor，Automatic wipers Control System Design貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 0頁(yè)前 言在汽車制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，汽車中已經(jīng)安裝了越來(lái)越多的自動(dòng)控制系統(tǒng)增加主動(dòng)和被動(dòng)安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界雨天行車有 7的事故是由于駕駛員手動(dòng)操作雨刷引起的，所以，一種具有極高可靠性能的汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)顯的非常的重要，汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)使駕駛員免除手動(dòng)操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性和雨刷的可靠度。國(guó)內(nèi)外許多

10、汽車廠商研制以雨水傳感器為基礎(chǔ)的汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的雨刮器，但不是價(jià)格昂貴就是系統(tǒng)不完善?，F(xiàn)在開(kāi)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(qiáng)度實(shí)成時(shí)測(cè)量值變電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)的大小，自動(dòng)設(shè)定雨刮器工作的時(shí)間間隔，控制雨刮器動(dòng)作。目前市場(chǎng)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(qiáng)變化的傳感器與控制器相連接，控制雨刷電機(jī)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(fēng)擋玻璃駕駛室上，第三種把雨水傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過(guò)雨滴滴落在玻璃上引起反射光強(qiáng)

11、的變化感應(yīng)傳感器。本次設(shè)計(jì)的汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)是基于 AT89C2051 單片機(jī)、汽車雨量傳感器和雨刷電機(jī)并通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)綜合實(shí)現(xiàn)的。而且本系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)取代傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)（傳統(tǒng)雨刷電機(jī)為直流電機(jī)） ，目的是運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制精度高等特點(diǎn)，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。本次設(shè)計(jì)也綜合應(yīng)用之前學(xué)校所學(xué)的單片機(jī)、微機(jī)控制、電路設(shè)計(jì)、電機(jī)拖動(dòng)等方面的知識(shí)，進(jìn)一步了鞏固我們的本專業(yè)知識(shí)?？紤]到設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)運(yùn)用的這些材料相對(duì)于其他同類產(chǎn)品價(jià)格非常底。此次設(shè)計(jì)中我們采用了單片機(jī)系統(tǒng)的微處理器 AT89C2051 芯片、TA8435H 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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

12、靠性和低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。所以汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)是個(gè)值得推廣的一種方法，且具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 1頁(yè)第一章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和主要特點(diǎn)本章重點(diǎn)產(chǎn)闡述汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、控制方案的比較、設(shè)計(jì)電路的原理框圖以及本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 1.1 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路是：運(yùn)用汽車雨量傳感器對(duì)環(huán)境雨量大小的檢測(cè)，把信號(hào)輸單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)。比如當(dāng)小雨時(shí)，雨刮器自動(dòng)工作在小雨運(yùn)行方案（雨刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)來(lái)回后停止 10s后繼續(xù)運(yùn)行） ，當(dāng)中大雨時(shí)，雨刮器自動(dòng)工作在中大雨運(yùn)行方案（雨刷

13、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)來(lái)回后停止 5s 后繼續(xù)運(yùn)行） ，當(dāng)大雨時(shí)，雨刮器自動(dòng)工作在大雨運(yùn)行方案（雨刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)來(lái)回后繼續(xù)運(yùn)行） 。設(shè)計(jì)中單片機(jī)運(yùn)用 AT89C2051，步進(jìn)電機(jī)用TA8435H 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1.2 方案的選擇設(shè)計(jì)與原理方框圖本系統(tǒng)主要由電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、中央處理單元等組成。系統(tǒng)中所用的單片機(jī)為 AT89C2051 單片機(jī)，其是一種性能優(yōu)良的集成可編程的單片機(jī)，其功能的強(qiáng)大，它把 CPU、存儲(chǔ)器、及 I/O 集成到一個(gè)芯片上，只要外加少許電子零件便可以構(gòu)成一套簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用細(xì)分發(fā)進(jìn)行控制，這樣可以使電機(jī)工作更穩(wěn)定，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車雨刷的控制。通過(guò)這些可以降低設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)

14、品的硬件成本和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2.1 控制方案比較設(shè)計(jì)中運(yùn)用的單片機(jī)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(jī)高度兼容，加上我們也學(xué)習(xí)過(guò)該類型的單片機(jī)，應(yīng)用相對(duì)順手。在傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)中大多采用直流電機(jī)，但綜合考慮，采用了步進(jìn)電機(jī)作為雨刷電極。設(shè)計(jì)中鍵盤、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的也需要做出合理的選擇，下面對(duì)幾種主貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 2頁(yè)要器件進(jìn)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(chǔ)器(FLASH ROM)的低電壓、高性能 CMOS 8 位微控制器，該

15、器件采用 ATMEL 高密度、非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的解決方案。AT89C1051 有以下特點(diǎn)：1k 字節(jié) EPROM、64 字節(jié) RAM、15 根 I/O 線、2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5 個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、1 個(gè)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(shí)還具有加密陣列的二

16、級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)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(shí)，CPU 停止，而讓 RAM、定時(shí)/計(jì)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(shí)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(chǔ)器(FLASH ROM)升級(jí)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?yàn)樵谫F陽(yáng)的電子城中 AT89C2051 容易購(gòu)買，所以選用了 AT89C2051。（2）電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)中運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電極（傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)為直流電機(jī)）其相比傳統(tǒng)雨刷具有控制靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)

17、。因?yàn)槠涫羌兇獾臄?shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此非常合適單片機(jī)控制，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無(wú)累積誤差，精度高。在性能上相比步進(jìn)電機(jī)很適合做雨刷電機(jī)，且在價(jià)格方面步進(jìn)電機(jī)也很便宜，市場(chǎng)供貨也很多。所以設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)汽車雨刷條件，選用 12V 的四相六線制步進(jìn)，其也可以作為兩相電機(jī)使用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1.3。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 3頁(yè)圖 1.3 四相六線制步進(jìn)原理圖（3）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本

18、設(shè)計(jì)的核心部分就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式，大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)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(jī)專用芯片。TA8435 是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片,TA8435主要由 1 個(gè)解碼器，2 個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2 個(gè)輸出電流控制電路、2 個(gè)最大電流限制電路、1 個(gè)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(gè)橋式電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，它驅(qū)動(dòng)的電壓可達(dá)到 46V，單個(gè)橋直流電流可達(dá)到 2A。具有兩個(gè)使能控制端口，分

19、別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。其外，L298 的兩個(gè)橋式電路還可以并聯(lián)起來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，直流電流可達(dá)到4A。其實(shí)對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，上述兩塊芯片都可用。不過(guò)在市場(chǎng)上，TA8435H 使用比較廣，而且控制起來(lái)也很方便，所以本設(shè)計(jì)選用 TA8435H 作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。（4）雨量傳感器選擇目前市場(chǎng)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(qiáng)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(fēng)擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過(guò)雨滴滴落在玻璃上引起反射光強(qiáng)的變

20、化感貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 4頁(yè)應(yīng)傳感器。相比較各類雨水傳感器的性能和價(jià)格，設(shè)計(jì)中采用的是第三種方案的雨量傳感器，其是基于光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)證明，這種雨水傳感器反應(yīng)靈敏，實(shí)時(shí)性好，性能穩(wěn)定。1.2.2 原理方框圖該系統(tǒng)主要由控制單元、 、檢測(cè)部分、驅(qū)動(dòng)部分和接口單元電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.4 所示。圖 1.4 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)基于單片機(jī) AT89C2051 對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制制作型的汽車控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有： 本設(shè)計(jì)運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)取代傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)，從而使

21、控制精度增加，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路簡(jiǎn)單易懂。 運(yùn)用單片機(jī)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(dòng)雨刷控制系統(tǒng)使駕駛員免除手動(dòng)操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。 設(shè)計(jì)中運(yùn)用元件價(jià)格便宜，適合推廣使用。 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，因此體積小，功耗低。 通過(guò)以上方案的分析，就可以知道單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展的重要電源電路傳感器時(shí)鐘電路復(fù)位電路單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片步進(jìn)電機(jī)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 5頁(yè)部分。采用單片機(jī) AT89C2051 和步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合的汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，無(wú)論是在性能，特點(diǎn)，還是原理圖上，或者是在電路設(shè)計(jì)上，

22、材料選用上都具有簡(jiǎn)單，使用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 6頁(yè)第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)按功能主要分為：電源模塊、檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊。其中，AT89C2051 單片機(jī)是整個(gè)電路的核心。附圖 1 就是汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)總電路圖。在本章下面的幾個(gè)小節(jié)中，我們根據(jù)附圖 1 所示的硬件設(shè)計(jì)圖，對(duì)各個(gè)模塊的主要的一些電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。2.1 電源電路的設(shè)計(jì)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(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了該電源的適用范圍，同時(shí)也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及

23、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(biāo)，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 2.1 穩(wěn)壓電源原理圖因?yàn)橄到y(tǒng)是由單片機(jī)直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓是十分重要的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓電源，如圖 2.1 所示，本設(shè)計(jì)中控制部分的邏輯元件需要+5V 的直流電，而我們?cè)O(shè)計(jì)使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 12V。這樣我們就需要兩個(gè)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 7頁(yè)直流電源。為解決這個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾

24、小而且。由上圖可見(jiàn)，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只用了一個(gè)220V 變 12V 的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（7812 和 7805）和四個(gè)電容。圖中 C1 是一個(gè)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(duì)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(gè)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(fù)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

25、術(shù)參數(shù)：輸入電壓：DC3V35V；最大輸出電流：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(xiàng)：引腳不能接錯(cuò)，公共端不能懸空；為防止過(guò)熱應(yīng)安裝散熱片，其內(nèi)部原理圖如圖 2.2 所示，按圖我們來(lái)分析其原理：在本設(shè)計(jì)中應(yīng)輸出電壓為 Vo=5V，則當(dāng) Vo5V 時(shí)，T2 的 b 極電壓上升，進(jìn)而T2 的 c 極電壓下降，進(jìn)而 T1 的 b 極電壓下降,進(jìn)而 T1 的 Vce 極電壓上升，進(jìn)而Vo 趨于 5V；反之當(dāng) Vo5V 時(shí)亦然。 2.2 三端穩(wěn)壓電源內(nèi)部圖貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 8頁(yè)2.2 中央控制器 AT89C2051AT89C

26、2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機(jī)。95 年出現(xiàn)在中國(guó)市場(chǎng)。其主要特點(diǎn)為采用 Flash 存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS-51完全兼容，可以很快被中國(guó)廣大用戶接受，其程序的電可擦寫(xiě)特性，使得開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)比較容易。2.2.1 AT89C2051 的特點(diǎn)AT89C2051 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： AT89C2051 與 MCS-51 系列的單片機(jī)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(xiě)程序存儲(chǔ)器； 全靜態(tài)工作,工作范圍:0Hz24MHz； 有 2 個(gè)程序保密位，保密位 1 被編程之后，程序存儲(chǔ)器不能再被編程除非做一次擦除，保密位 2 被編

27、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(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 兩個(gè)串行中斷，兩個(gè)外部中斷源； 內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器； 間歇和掉電兩種工作方式。2.2.2 AT89C2051 的功能描述T89C2051 是美國(guó)愛(ài)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(jī)，它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與 INTEL 公司的 MCS51 系列單片機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)控制、電訊設(shè)備、宇航設(shè)備及消費(fèi)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

28、之以其 EEPROM 技術(shù)與 INTEL 的貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 9頁(yè)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(jī)具有極高的性能價(jià)格比。 AT89C2051 的性能結(jié)構(gòu)上是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，它將 AT89C51 的 P0口、P2 口、EA/Vcc、ALE/PROG、 口線簡(jiǎn)化后，形成的一種僅 20 個(gè)引腳的單片機(jī)，相當(dāng)于 INTEL8031 的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對(duì)于一些不太復(fù)雜的控制場(chǎng)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(chǔ)器以及模擬電壓比較器集成到單個(gè)芯片

29、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(jī)的體積大、功耗大、可選模式少等諸多困擾設(shè)計(jì)工程師們的致命弱點(diǎn)不復(fù)存在。 AT89C2051 的主要特點(diǎn)：2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FLASH EEPROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,可重復(fù)擦寫(xiě) 10000 次，數(shù)據(jù)保存時(shí)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(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，一個(gè)精密模擬比較器，兩級(jí)程序加密，輸出口可直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示，

30、低功耗的閑置和調(diào)電保護(hù)工作方式，以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。由于 AT89C2051 單片機(jī)功能強(qiáng)勁，且體積?。ㄐ酒挥?20 個(gè)引腳） ，所以它在許多嵌入式和便攜式測(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)電式或電子式電度表，智能煤氣表，測(cè)速儀等智能儀器。2.2.3 AT89C2051 的管角說(shuō)明AT89C2051 單片機(jī)為 20 引腳芯片如圖 2.3 所示：貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第10 頁(yè) 圖 2.3 AT89C2051 引腳分布圖AT89C2051 是一個(gè)有 20 個(gè)引腳的芯片,引腳如圖 10.1 所示,與 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051 減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即 P0、P2

31、 口）,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳,因而芯片尺寸有所減少。 AT89C2051 芯片的 20 個(gè)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。口引腳 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(dòng) LED 顯示。當(dāng) P1 口引腳寫(xiě)入“1”時(shí),其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7 用作輸入并被外部拉低時(shí),它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)

32、。 P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)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(gè)雙向 I/0 引腳。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第11 頁(yè)P(yáng)3.6 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問(wèn)。P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當(dāng) P3 口引腳寫(xiě)入“1”時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí),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(shí)現(xiàn) AT89C2051 的各種功能,如下表 10-1 所示。 P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 5.

33、 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(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需 12 個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 表 2.1 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(shí)器 0 外部輸入) P3.5 T1(定時(shí)器 1 外部輸入) 從上述引腳說(shuō)明可看

34、出,AT89C2051 沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào),因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備,也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片 機(jī)系統(tǒng)。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第12 頁(yè) 表 2.2 AT89C2051 的主要功能特性兼容 MCS51 指令系統(tǒng)2K 可反復(fù)擦寫(xiě)(1000 次)Flash Rom15 個(gè)雙向 I/O 口6 個(gè)中斷源兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器2.7-6.0V 的寬工作電壓范圍時(shí)鐘頻率 0-24MHz128 X8bit 內(nèi)部 RAM兩個(gè)外部中斷源兩個(gè)串行中

35、斷可直接驅(qū)動(dòng) LED兩級(jí)加密位低功耗睡眠功能內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器可編程 UARL 通道軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 2.3 電機(jī)控制電路分析與設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)運(yùn)用步進(jìn)電取代了傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。2.3.1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理及特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接

36、收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第13 頁(yè)常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB） ，永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)

37、角一般為 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB） 。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步

38、進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D 相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。(4)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)

39、) 第14 頁(yè)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用 m 表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 表示。=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗稱半步） 。定位轉(zhuǎn)

40、矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。(5)、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)：步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步

41、數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第15 頁(yè)運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然

42、，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流） ，平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。圖 2.4 步進(jìn)電機(jī)特性曲線其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高;曲線 1 電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180-250pps 之間（步距角 1.8 度）或在400pps 左右（步距角為 0.9 度） ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失

43、步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)為選用 32V 的四相六線制步進(jìn)，其也可以作為兩相電機(jī)使用。步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第16 頁(yè)2.3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

44、芯片實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多種方法，最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式，大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)方式，TA8435 就是其中一種芯片而在這里，我們所接為感性負(fù)載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此不能直接由單片機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。選用TA8435H 芯片，TA8435H 是東芝公司推出的一款單片步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片具有以下特點(diǎn)： (1）工作電壓范圍寬（1040V）； (2）輸出電流可達(dá) 1.5A（平均）和 2.5A（峰值）； (3）具有整步、半步、1/4 細(xì)分、1/8 細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇； (4）采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動(dòng)方式； (5）具有正/反轉(zhuǎn)控制功能； (6）帶有復(fù)位和使能引腳； (7）可選擇使用

45、單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。 AT8435H 芯片的引腳圖如下圖 2.5貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第17 頁(yè)圖 2.5 TA8435H 引腳圖TA8435H 采用 ZIP25 封裝形式，圖 2.5 為其引腳排列圖。各引腳功能如下：腳 1（S-GND）：信號(hào)地；腳 2（RESET）：復(fù)位端，低電平有效，當(dāng)該端有效時(shí)，電路復(fù)位到起始狀態(tài)，此時(shí)在任何激勵(lì)方式下，輸出各相都置于它們的原點(diǎn)；腳 3（ENABLE）：使能端，低電平有效；當(dāng)該端為高電平時(shí)電路處于維持狀態(tài)，此時(shí)各相輸出被強(qiáng)制關(guān)閉；腳 4（OSC）：該腳外接電容的典型值可決定芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)的斬波頻率（15KHZ80KHZ） ，計(jì)算公式為：fos

46、c1/5.15cosc式中，cosc 的單位為 Ffosc 的單位為。腳 5（CW/CCW）：正、反轉(zhuǎn)控制引腳；腳 6、7（CK2、CK1）：時(shí)鐘輸入端，可選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，最大時(shí)鐘輸入頻率為 5KHZ；腳 8、9（M1、M2）：選擇激勵(lì)方式，00 表示步進(jìn)電機(jī)工作在整步方式，貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第18 頁(yè)0 為半步方式，01 為 1/4 細(xì)分方式，11 為 1/8 細(xì)分方式；腳 10（REF IN）：VNF 輸入控制，接高電平時(shí) VNF 為 0.8V，接低電平時(shí)VNF 為 0.5V；腳 11（MO）：輸出監(jiān)視，用于監(jiān)視輸出電流峰值位置；腳 13（VCC）：邏輯電路供電引腳

47、，一般為 5V；腳 15、24（VMB、VMA）：B 相和 A 相負(fù)載電源端；腳 16、19（ B、B）：B 相輸出引腳；腳 17、22（PG-B、PG-A）：B 相和 A 相負(fù)載地；腳 18、21（NFB、NFA）：相和相電流檢測(cè)端，由該引腳外接電阻和REF-IN 引腳控制的輸出電流為：IOVNFRNF腳 20、23（ A、A）：A 相輸出引腳。AT8435H 的工作原理:TA8435 主要由 1 個(gè)解碼器，2 個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2 個(gè)輸出電流控制電路、2個(gè)最大電流限制電路、1 個(gè)斬波器等功能模塊組成。如圖 2.6貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第19 頁(yè)圖 2.6 TA8435H 原理圖在圖

48、2.6 中，第一個(gè) CK 時(shí)鐘周期時(shí)，解碼器打開(kāi)橋式驅(qū)動(dòng)電路，電流從VMA 流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng) RNFA 后與地構(gòu)成回路，由于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以 RNFB 上的電壓也隨之上升。當(dāng) RNFB 上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí)，比較器使橋式驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開(kāi)始衰減，RNFB上的電壓也相應(yīng)減??；當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時(shí)，橋式驅(qū)動(dòng)電路又重新導(dǎo)通，如此循環(huán)，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖 2.7 中 IA 波形的第 1 段，另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十 KHz，其頻率大小與所選用電容有關(guān)，在 OSC 作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認(rèn)為輸出電

49、流是直流。在第 2 個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)，輸出電流控制電路輸出電壓 Ua 達(dá)到第 2 階段，比較器正向電壓也相應(yīng)為第 2 階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第 1 階段也升至第二階段 2，電流波形如圖 IA 第 2 部分，第 3 時(shí)鐘周期，第 4 時(shí)鐘周期貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第20 頁(yè)TA8435 的工作原理與第 1、2 是一樣的，只有又升高比較器正向電壓而已，輸出電流波形如圖 IA 中第 3、4 部分。如此最終形成階梯電流，加在線圈 B 上的電流，如圖 2.7 中 IB。在 CK 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，流經(jīng)線圈 A 和線圈 B 的電流共同作用下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)細(xì)分步。圖 2.7 T

50、A8435 細(xì)分工作原理圖2.3.3步進(jìn)電與驅(qū)動(dòng)芯片連接電路設(shè)計(jì)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第21 頁(yè)圖 2.8 TA8435 與步進(jìn)電機(jī)工作電路圖圖 4 是單片機(jī)與 TA8435 相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖，引腳 M1 和 M2 決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式：M10、M20，電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn)；M11、M20，電機(jī)按半步方式運(yùn)轉(zhuǎn)；M10、M21，電機(jī)按 1/4 細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)；M11、M21，電機(jī)按 1/8 步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)，CW/CWW 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，CK1、CK2 時(shí)鐘輸入的最大頻率不能超過(guò) 5KHz，控制時(shí)鐘的頻率，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率。REFIN 為高電平時(shí)，NFA 和 NFB 的輸出電壓為

51、0.8V，REFIN 為低電平時(shí)，NFA 和 NFB輸出電壓為 0.5V，這 2 個(gè)引腳控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流，電流大小與 NF 端外接電阻關(guān)系式為：IOVref/Rnf。圖 4 中，設(shè) REFIN1，選用步進(jìn)電機(jī)額定電流為0.4A，R1，R2 選用 1.6 歐姆、2W 的大功率電阻，O、C 兩線不接。步進(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用，四相按二相使用時(shí)可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，D1D4 快恢復(fù)二極管用來(lái)泄放繞組電流。2.4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)2.4.1 單片機(jī)復(fù)位電路基本原理及特點(diǎn)在 51 系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，RST 引腳上保持到少兩個(gè)機(jī)器周期的高電平輸入信號(hào)，復(fù)位過(guò)程即可完成。為響應(yīng)這一不定期

52、程，CPU 發(fā)出內(nèi)部復(fù)位貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第22 頁(yè)信號(hào)。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) RST 為高電平后的第二個(gè)周期進(jìn)行的，并且此后每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 RST 變成低電平為止。針對(duì)復(fù)位電路對(duì)時(shí)間的需要，我們對(duì)上電復(fù)位電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，Vcc 電源的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，片內(nèi)振蕩器啟動(dòng)時(shí)間在 10ms 之內(nèi)。在這種情況下，把 RST 引腳通 10uF電容接到 Vcc 并同時(shí)經(jīng)過(guò) 10K 電阻和地相連，就可獲得上電自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。其具體的復(fù)位電路如圖 2.9 所示：圖 2.9 復(fù)位電路圖接通電源后，Vcc 便對(duì)電容通過(guò)電阻進(jìn)行充電。RST 腳的電壓等于 Vcc 與電

53、容兩端電壓之差。在充電過(guò)程中，隨著電容電壓逐步趨于 Vcc，RST 引腳上之電壓最終將接近于 0。此過(guò)渡過(guò)程之長(zhǎng)短取決于電阻和電容值的大小。10uF 電容足可使 RST 腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā)器的低門檻電平，從而使整個(gè)復(fù)位過(guò)程得以完成。2.4.1 單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)的分析單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動(dòng)后，片內(nèi)RAM 為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi) RAM 區(qū)中的內(nèi)容，21 個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見(jiàn)下表 2.3。值得指出的是，記

54、住一些特殊功能寄貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第23 頁(yè)存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對(duì)于了解單片機(jī)的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。說(shuō)明：表中符號(hào)*為隨機(jī)狀態(tài)；表 2.3 特殊功能寄存器與初始狀態(tài)表特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)PSW00HTH000HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW00H，表明選寄存器 0 組為工作寄存器組；SP07H，表明堆棧指針指向片內(nèi) RAM 07H 字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操

55、作的先加后壓法則，第一個(gè)被壓入的內(nèi)容寫(xiě)入到 08H 單元中；PoP3FFH，表明已向各端口線寫(xiě)入 1，此時(shí)，各端口既可用于輸入又可用于輸出；IP*00000B，表明各個(gè)中斷源處于低優(yōu)先級(jí)；IE0*00000B，表明各個(gè)中斷均被關(guān)斷；貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第24 頁(yè)A00H，表明累加器已被清零；51 單片機(jī)的復(fù)位是由 RESET 引腳來(lái)控制的，此引腳與高電平相接超過(guò) 24 個(gè)振蕩周期后，51 單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)成低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。51 單

56、片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，（在特殊寄存器介紹時(shí)再做詳細(xì)說(shuō)明）至于內(nèi)部 RAM 內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。2.5 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)與工作原理分析2.5.1 振蕩器特性XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.5.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)8031/8051 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳 XTAL

57、1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖 2.3 所示。圖中，電容器 C1，C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF。晶振頻率的典型值為 12MHz，采用 6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。外部振蕩方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適宜用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。外部振蕩方式的外部電路如下圖 2.10 所示。貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第2

58、5 頁(yè)由上圖可見(jiàn)，XTAL1 接地，外部振蕩信號(hào)由 XTAL2 引入。為了提高輸入電路的驅(qū)動(dòng)能力，通常將外部信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶有上拉電阻的 TTL 反相門后接入XTAL2。2.5.3 單片機(jī)的基本時(shí)序單位單片機(jī)以晶體振蕩器的振蕩周期(或外部引入的時(shí)鐘周期)為最小的時(shí)序單位，片內(nèi)的各種微操作都以此周期為時(shí)序基準(zhǔn)。振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期或稱 s 周期，所以，1 個(gè)狀態(tài)周期包含有 2個(gè)振蕩周期。振蕩頻率 foscl2 分頻后形成機(jī)器周期 MC。所以，1 個(gè)機(jī)器周期包含有 6 個(gè)狀態(tài)周期或 12 個(gè)振蕩周期。1 個(gè)到 4 個(gè)機(jī)器周期確定一條指令的執(zhí)行時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是指令周期。MCS-51 系列單片

59、機(jī)指令系統(tǒng)中，各條指令的執(zhí)行時(shí)間都在 1 個(gè)到 4 個(gè)機(jī)器周期之間。4 種時(shí)序單位中，振蕩周期和機(jī)器周期是單片機(jī)內(nèi)計(jì)算其它時(shí)間值(例如，波特率、定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間等)的基本時(shí)序單位。單片機(jī)外接晶振頻率 12MHZ 時(shí)的時(shí)序單位的大小：振蕩周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第26 頁(yè)2.6 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)中所用傳感器是運(yùn)用雨量傳感器，雨量傳感器是汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的重要組成部分。本設(shè)計(jì)中所用雨量傳感器是基于光強(qiáng)變化的原理，提出的一種新的紅外線雨水傳感器。該傳感器由紅外光發(fā)射電路和紅外光接收電路組成，利用紅外專用集成接收芯片 TK1838 作

60、為雨水傳感器的接收芯片。根據(jù)雨量的多少不同，可輸出相應(yīng)的脈沖，當(dāng)小雨時(shí)，輸出脈沖較少。當(dāng)雨量大時(shí)，脈沖數(shù)量較多。當(dāng)雨量變化時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變脈沖數(shù)量，實(shí)驗(yàn)證明，該雨水傳感器反應(yīng)靈敏，實(shí)時(shí)性好，性能穩(wěn)定。 圖 2.11 雨水傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.6.1 雨水傳感器工作原理1、光學(xué)原理 光線射在兩種介質(zhì)分界面上，當(dāng)一部分光線射入另外一種介質(zhì)時(shí)，光線傳播方向發(fā)生改變，這稱為折射。在第二種介質(zhì)中折射光線和分界面法線 n0 的夾角稱為折射角。入射角 i 和折射角 r 有下述關(guān)系： （1）式中, 第二種介質(zhì)對(duì)第一種介質(zhì)的相對(duì)折射率。 光從光密介質(zhì)（折射率 n 較大）射入光疏介質(zhì)（折射率 n 較小）時(shí)，如果入射角增