车辆工程毕业设计（论文）-基于威驰轿车的自动关窗器设计【全套图纸】 .doc

1 第 1 章 绪 论 1.1 自动关窗器的现状分析 自动关窗器产生于欧洲。在上世纪 80 年代仅仅应用于一些进口豪华车 上。在 90 年代末期才在我国进行生产的车上看见自动关窗器的身影。直到 2005 年才得到广泛应用经过近 30 年的发展这一技术已经相当成熟。现在我 国市场上的大部分高中档车都已经安装了这一系统。但是由于各种原因使得 有些车并没有安装这一方便实用的系统。 全全套套图图纸纸，加加 1 15 53 38 89 93 37 70 06 6 目前，随着车辆的普及以及轿车家庭化的发展趋势，人们对于汽车不仅仅是动 力性，安全性，舒适性的要求，对于汽车的一些辅助系统也是有着极高的要求。 一些高端车已经安装了许都自动化装置。例如座椅角度调节器；gps 导航仪； 城市车速测试提醒仪等一系列的辅助系统 同时随着电子技术的不断发展越来越多的与汽车相关的电子厂品不断问世。 汽车电子已经是现代汽车发展的一个重要方向。在不断完善汽车动力的同时， 汽车的内饰汽车的辅助功能也是不断发展。对于在高端汽车上已经完善并且应 用了的自动关窗系统一般乘用车辆还是没有安装，当驾驶员锁车后出现忘记关 闭车窗的现象，容易导致随车物品的丢失，给车主带来损失。设计出一套具有 自动关窗功能的装置，并且方便车上安装，对于充分发挥学生的创新思维，培 养创新思维及科学分析方法十分有益。 这种智能关窗系统的工作原理是主要通过电子模块加认组合，利用主机 上的芯片里面设定的程序完成检测功能，使关窗步骤顺利完成。 可以设定时 2 间，当车窗关闭时，它使电源中断，保护电动窗马达免受破坏，也使得蓄电 池不会因此轻易耗尽智能关窗器，只有在车钥匙熄火后，才会生效的，关窗 也只生效一次。,它的设计原理是根据汽车电动窗在正常工作和关闭时读入的 模拟信号转换成数字信号 ,储存于一块记忆体内 rom,再通过一块专 cpu 芯 片关窗时,比对平时使用的正常工作信号 , 以程序方式来控制和处理电机的 转动。由于是依次动作 ,保证了电瓶在无充电状态下 ,正常放电,使电瓶和 电动机都能正常、安全的工作。 如今越来越多的轿车上安装了电动车窗,同时也随着电子技术在汽车中的广 泛应用 ,出现了自动关闭功能的智能型电动车窗。这些装备不仅方便了驾乘人 员,减轻了他们的疲劳强度 ,更有利于行车安全 电动车窗主要由车窗玻璃升降器、电动机、继电器、开关等装置组成。电 动车窗除了要实现车窗的开启与关闭外 ,更为重要的是要保证车窗在不同的环 境下均能正常工作。如在北方的冬季 ,车窗的移动轨道出现冰雪时,车窗在移动 时遇到的阻力很大 ,如何保证车窗的正常开启和关闭,这就是电动车窗要解决的 主要问题。 汽车是现代生活中不可缺少的交通工具,随着人们生活水平的提高,中央门 锁和电动车窗给驾驶员和乘客带来了很大的方便。驾驶员通过它可以方便的对 所有车门的开闭进行控制。电动车窗使得驾驶员也可通过设在驾驶员旁边的控 制开关对各车窗实现集中控制。但是在有些时候也会出现一些其他的麻烦。比 如:当汽车停车熄火 ,锁好门后 ,有时会忘记将车窗玻璃升到位 ,及时发现的, 要重新打开车门,按动开关将其升到位;而一旦疏忽 ,不但会造成重要文件物品 丢失,甚至会导致车辆失窃、雨天驾驶室进水等给用户带来不必要的经济损失和 精神负担。鉴于以上情况 ,设计了在中央门锁和电动车窗的基础上加装的汽车 自动关窗控制器。其工作情况是:当汽车熄火后 ,锁上门锁时,汽车自动关窗控 制器会自动关好开着的所有车窗玻璃。如果汽车附有遥控装置 ,下车后只需轻 轻一按遥控器就可以放心地离开了,再不用担心物品丢失、车辆失窃、雨天驾驶 室进水等问题了。 1.2 选题的目的和意义 目的：（1）防止由于车窗未关好，造成汽车室内物品被盗窃；(2)防止在 雨 天因忘记关窗而造成车内进水（3）防止车在冬天下雪化成冰时，车窗上升遇到 冰块时，电机超负荷工作而损坏。 3 意义：本次设计的自动关窗器弥补原有玻璃升降系统的不足,当您的汽车 熄火时，智能窗会感应到门窗关闭程序,自动为您关好开着的所有玻璃窗。当您 汽车再次起动时,会恢复原有车辆升降系统工作程序。还拥有防负荷过载的功能， 本自动关窗器安装方便、使用更安全。 1.3 设计的基本内容、拟解决的主要问题 1.本设计的主要内容: （1）结合汽车电路特点设计出自动关窗器电路，主要解决正负极控制； （2）设计出具有车窗自动升降控制功能的装置，主要解决车辆落锁时车窗 自动关闭； （3）设计出针对威驰轿车的控制电路； 2、拟解决的主要问题: （1）了解自动关窗器的结构，进行初步设计。 （2）选择合理控制方式（正负极控制） 。 （3）搭建合适的电路，确定控制算法。 （4）确定安装定位方式。 1.4 技术路线（研究方法） 收集相关资料 撰写开题报告 了解基本电路绘制基本电路图 搭建控制电路编写关窗程序 自动关窗器 4 第 2 章 威驰轿车电动车窗的结构 2.1 车窗的开关及控制 电动车窗系统都装有两套控制开关。一套安装在驾驶员边门车窗或仪表板 上，由驾驶员控制每个车窗的升降，是总开关。另一套分别装在每个车窗中不， 由乘客进行操纵，为分开关。每个车窗的电动机都要通过总开关搭铁，所以电 流不但通过每个车窗上的开关，还要通过总开关上的相应开关1。 威驰汽车的自身车窗电路是一个简单的并联电路 一 总开关的控制 （1）当调节器主开关总成的每个车窗开关按上时车窗玻璃应向上运动：当 调节器主开关总成中每个车窗开关按下时，车窗玻璃应向下运动。这是车窗控 制总开关的调节 （2）当车窗门锁所上时，除驾驶员侧门玻璃外其他的门玻璃均不能移动。 二 检查自动操作功能（只有驾驶员侧玻璃）接通点火开关（on） 。 （1）检查自动上升功能，调节器主开关总成中的每个开关（up）下时，所 5 有玻璃充分关闭。 （2）检查自动下降功能；调节器主开关总成中的每个开关（down）下时， 左右玻璃充分打开。 （3）当开关由自动下降切换到向上时，窗玻璃应先停止运动。 2.2 车窗关闭与打开的工作方式 早期的汽车车窗普遍采用首要曲柄控制其上下移动，但随着汽车工业的不 断发展，电动车窗已被广泛应用。电动车窗系统是通过电动机驱动车窗升降器 使车窗上下移动，有些汽车上的自动车窗由电机直接作用域升降器，而有些则 是通过驱动机构作用于升降器，从而把电动机的转动转换成车窗的上下移动， 威驰轿车采用的是通过驱动机构作用于升降器。 电动车窗系统采用永磁式电机来操作每个车窗。电机的工作可以有单位的 主开关控制，也可以有单个车窗开关组成的组合开关来控制。车窗的升高和降 低取决于供给车窗电动机的电流方向。 车窗的运动方式是用举升器的升降来完成的。汽车的车窗的举升器都采用 非常灵活的连杆来举升车窗玻璃，同时保持器处于水平状态。将小型电动机连 接单一个涡轮和几个其他直齿圆柱之论，以产生较大的齿轮减速比。从而提供 足以升起车窗的扭矩。电动车窗的一个重要功能是电动车窗不能强制打开 传动结果中的涡轮直齿这一功能。由于蜗杆和齿轮之间存在接触角度，因此很 多涡轮都具有自锁功能。蜗杆可旋转齿轮，但齿轮不能旋转蜗杆，齿之间的摩 擦致使齿轮结合。 连杆带有一个长臂，此长臂与支撑车窗底部的杆相连。臂的末端在车窗升 高时可以划入干的凹槽中。在干的另一端是一个大盘，盘上刻有轮齿，电机可 转动与这些齿接合的齿轮。而维持轿车采用的是交臂是车窗玻璃升降器。主要 有扇形赤坂，玻璃导轨及调节器等组成。它的工作原理（如图 2.1 所示）扇形 齿板利用驱动电机的棘轮进行转动，从而带动 x 臂运动，而使车窗玻璃作上下 移动威驰轿车的电动机是一个永磁的，两级直流电动机，电动机内部都装有减 速装置。车窗电动机内部一般都装有抑制无线电干扰装置。车窗电动机一般设 计成正反旋转，具有较高输出转矩低噪声，小体积，扁平外形和短时间工作制， 并对尘埃及洗涤剂具有密封保护性能。为了与不同升降机构相匹配，电动机输 出部分的结构也有所不同。对于交臂式结构，电动机的输出部分也是一个小齿 轮，通过与软轴上的齿相啮合，驱动软轴卷绕，带动玻璃沿导轨作上下反复运 动2。 6 图 2.1 关窗系统举升结构 2.3 威驰轿车车窗电路的特点 威驰轿车电动车窗仅仅需要按钮操作，即可由电动机驱动车窗上下移动， 使车窗开启或关闭十分方便。在威驰电动车窗电路中，设有驾驶员操作的主控 开关和每一个车窗的独立操作开关。每个车窗的操作开关可由乘客自己操作， 驾驶员可以控制四个车窗。有些汽车的主控开关还备有只能由驾驶员一人控制 的锁止开关，已切断其他各个车窗的电源，威驰轿车也有此功能。此时，只能 由驾驶员控制车窗的操作，每个车窗的独立操作开关不再起作用 同时但由于有些人的汽车停车熄火关好门后，有时会忘记将玻璃窗升到位，如 果想启动的话要重新启动电源，还要按玻璃窗开关将其升到位，操作比较麻烦。 威驰轿车的的升窗系统是通过四个车门各有一个电机，通过电机的正反转 来控制车窗的升降。 电动机正常工作时，电动机是一段搭铁，当电动机停止工作是时，电动机 是两端搭铁。具体电路如图 2.2 所示 7 123456 a b c d 654321 d c b a fuse 主主主 主主主主 fuse 主主主主 主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主 主主主 主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主 主主主主主主主 主主主主主主主主主主主主主主主主主主 f? fuse 图 2.2 威驰轿车原车关窗电路图 2.4 本章小结 本章主要介绍了丰田威驰轿车的关窗系统，其中包括其控制方式，控制步 骤，及其主控与分控。还介绍了该轿车的关窗系统的运行方式。其机械原理为 交臂式的举升结构，扇形齿板及玻璃导轨等组成来控制玻璃的上升与下降。为 自动关窗器的设计打下理论基础。 第 3 章 基于威驰轿车的自动关窗器的设计及控制程 序的设计 3.1 基于单片机控制威驰车自动关窗的基本设计 首先本设计的基本思路是用单片机对关窗系统进行控制并完成最后的关窗 8 任务，其工作原理为汽车熄火后，单片机预先编写好的程序开始工作。由该程 序来控制车窗自动关闭。 根据任务要求我们要解决的主要有两个问题，首先是保证轿车在关火后所 有车窗在没有闭合情况下自动上升至闭合位置，其次要解决有时关窗过程有异 物阻挡住车窗上升，从而使车窗电动机损坏的问题。 解决第一个问题我们就需要了解威驰轿车关窗的时间为多少，在正常情况 下车窗由最低位置到完全闭合需要 4 秒时间，但是由于受天气，温度，等一系 类外界环境影响，威驰轿车关窗的时间为 4 到 6 秒。我们设定的时间按照最大 值来进行设定，其设定其自动关闭的时间为 6 秒。六秒钟之后程序自动结束， 另外还有第二个设计还要求；如果在北方的冬天有冰雪或异物阻挡玻璃上升这 样会使发动机发生损坏，这样就要求我们还要在威驰汽车原有的电路中加入电 路保护装置，这样就不会损坏关窗系统和电动机的原件以及当玻璃夹到手指或 者其他身体部位能够及时停下来。 3.2 整体设计方案及方案的选择 3.2.1 方案的设计 本次设计共有两个方案： 方案一：要想实现自动关窗就应该让单片机在轿车熄火之后进行工作，我 们首先确定如何控制单片机，首先我们在点火开关处连接一个继电器，这个继 电器连接在点火开关熄火的位置，这样在威驰轿车熄火后，该继电器便与蓄电 池接通使继电器闭合，我们将单片机的电源连接在继电器的常开引脚上，这样 在威驰轿车熄火后单片机就开始工作。 单片机需要相应的程序程序才能进行工作，我们分析整个电路在威驰轿车 的原车关窗电路中负极是一直搭铁的，我们通过控制开关使电路与正极相连这 样电动机开始工作。而本设计只要求单片机熄火后对电路进行控制，我们应将 升窗一侧的回路断开这样就避免了短路现象的发生。我们一共要控制四个车窗， 所以用到单片机的 8 个端口进行输出 p2.0 到 p2.3 分别连接一个常闭的继电器 来控制熄火后的回路断开，p0.0 到 p0.3 分别连接一个常开的继电器来控制四 个车窗电动机使车窗上升。那么单片机的程序就如下（当威驰轿车熄火后便开 始至此那个程序并且该程序只执行一次）单片机引脚 p2.0、p2.1、p2.2、p2.3 输出高电平，使用于控制关窗系统回路的继电器闭合开关断开，以免自动关窗 系统在工作时发生短路而损坏电路中的元器件。该命令在延迟 20ms 以后，同 时 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 也同时输出高电平 6 秒。6 秒后所有程序结束。整 9 个关窗工作完成。当遇到异物或者玻璃窗没有开到最大程度就进行自动关窗时。 为了避免电流过大造成单片机或者电动机及其他元件，我们在电路中加入了断 电器对电路加以保护。这样一旦电流过大电路断路器就会断开回路从而保护电 路的安全。 方案二：方案二也是采取单片机控制，且原理与方案一大体相同，不同的 是此方案只用单片机的一个端口作为输出端，整个工作过程就是威驰轿车熄火 后单片机 p2.0 口输出高电平 6s 之后结束任务。本方案主要是通过 p2.0 口输出 的高电平驱动三极管来控制总继电器，总继电器在通过控制八个分继电器来完 成整个工作过程。八个继电器其中四个用来断开回路以免造成短路，四个用来 连接电动机使其运转工作。当 p2.0 口输出高电平 6 秒钟结束后，关窗程序也完 成。电路保护同方案一。 3.2.2 方案的选择 以上我们一共提出两个基本设计方案， 方案一采用的是利用单片机八个端口进行输出分别控制回路的断开和关窗 程序的进行。其优点是程序的执行时间准确；控制误差小。其缺点是程序编写 相对复杂；各元器件连接较复杂；相比之下难度较大。 方案二采用的是单片机的一个端口输出进行控制，通过继电器之间的配合 来完成整个关窗过程，该方案的优点是，控制过程简单：程序设定上较为容易； 元器件连接比较简单。其缺点是，控制过程较容易出现短暂的短路过程；整个 控制过程不精确。 通过对两个方案的对比我们选择方案一近行设计，因为方案一更符合任务 的要求。 3.3 单片机的型号选择及控制特点 本次设计确定的方案是通过单片机控制整个关窗系统来完成的，所以单片 机的选择非常重要的。经过对单片机种类型号的对比与分析本次设计确定采用 89c51 单片机，因为其低功率耗。高性能，有更丰富的硬件资源，特别是其内 部增加的闪速可电改写的存储器 flash rom 给单片机的开发及应用带来了很大 的方便。 3.3.1 89c51 的特点 1.一个 8 位的 80c51 微处理器（cpu） 2.片内 256 字节数据存储器 ram/sfr,用以存放可以读写的数据，如运算的 中间结果，最终结果以及欲显示的数据等。 10 3.片内 4kb 程序储存器 flash/rom ，可以存放程序，一些原始数据和表 格。 4. 4 个 8 位并行 i/o 端口 p0p3，每个端口既可以用作输入，也可以用作输 出。 5.两个 16 位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成技术方式， 用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的 结果实现计算机控制。 6.具有 5 个终端源、两个中断优先级的中断控制系统。 7.一个全双工 uart 的串行 i/o 口，用于实现单片机之间或单片机与 pc 机 之间的串行通信。 8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体的微调电容需要外接，最高润 徐振荡频率为 24mhz. 3。 3.3.2 单片机具体型号的选择 经过比较我们选择比较常用的市面上比较常见的美国 atmel 公司生产的 at89c51 单片机，该单片机价格低廉性能较高，能够满足设计中的要求。 3.3.3 at89c51 的基本性能特点及各管脚功能 at89c51 是一种带 4k 字节 flas 存储器的低电压、高性能 cmos 8 位微处理器，俗称 单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪存可编程 并且 可擦除，只读储存器 的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业 标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 cpu 和闪烁 存储器组合在单个芯片中， atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器， at89c2051 是它的一种精简版本 。at89c 单片机为很多 嵌入式控制系统 提 供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.1 所示 11 图 3.1 at89c51 的引脚排列 其特点如下： 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程 flash 存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 ram 32 可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 各个管脚的作用 ： vcc：供电电压。 gnd：接地。 12 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电 流。当 p0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为 高阻输入。p0 能够用于外部 程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 fiash 编程时， p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时， p0 输出原码，此时 p0 外 部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器 能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作 输入，p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 flash 编程和校验时， p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可 接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电 阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， p2 口的管脚被外部拉低，将输 出电流。这是由于内部上拉的缘故。 p2 口当用于外部程序存储器或 16 位 地址外部数据存储器进行存取时 ，p2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 p2 口在 flash 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作 输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， p3 口将输出电流 （ill）这是 由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） 13 p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst 脚两个机器周期 的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因 此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作 外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间， 每个机器周期两次 /psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /psen 信号将不出现。 ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间 为外部程序存储器 ，不管 是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/ea 将内部锁定为 reset； 当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash 编程期间，此引 脚也用于施加 12v 编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出 3。 3.3.4 振荡器特性: : xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以 配置为片内振荡器。 石英振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动 器件，xtal2 应不接。有余输入至内 时钟信号要通过一个二分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的 宽度。 3.4 单片机控制程序的的设定 首先根据设计要求，在单片机通电时开始工作，执行编写好的程序，并且 每次通电只执行一次。 编写程序要求：当单片机与电源接通时，单片机开始工作，首先 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 四个端口首先输出 20ms 的高电平，使原电路的回路断开这样 就可以避免发生短路现象。在 20ms 之后 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 po.0 p0.1 14 p0.2 p0.3 共同输出高电平 6s，这时车窗上升，6s 之后车窗上升完毕，程序结 束。程序编写见附录，流程图如图 3.2 所示 开始 驾驶员熄火后，主继电器闭合 单片机电源接通，p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 先输出高电 平 20ms，控制继电器将回路断开，以免形成短路。 20ms 后 p2.0 到 p2.3 p0.0 到 p0.3 共同输出高电平 6s 程序结束 图 3.2 程序流程图 3.5 protel 的应用 protel 是 portel 公司在 80 年代末推出的 eda 软件，在电子行业的 cad 软件中，它当之无愧地排在众多 eda 软件的前面，是电子设计者的首选 软件。 在设计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件 显示在右边的个人 安全系统设计数据库有一文件夹叫设计文件，这个文件夹中是主设计文件 (原理图和 pcb)，还有许多的子文件夹，包括了 pcb 装配文件、报告和仿真 分析。这里对在设计数据库中创建文件夹的分层深度没有限制。 设计数据库对存储 protel 设计文件没有限制 你能输入任何类型的设 计文件进入数据库，如在 ms word 书写的报告、在 ms excel 准备的费用清 单和 autocad 中制的机械图。简单双击设计数据库里的文件图标，在适当的 编辑器打开文件，被更新的文件自动地保存到设计数据库。ms word 和 excel 文件可以在设计管理器中直接编辑。 15 在本次设计中我们所有的电路绘制也是使用 protel 来完成的。protel99 se 共分 5 个模块，分别是原理图设计 、pcb 设计、自动布线器、原理图混合 信号仿真、pld 设计。protel 还具有如下特色功能： 强大的全局编辑功能； 在原理图中选择一级器件， pcb 中同样的器件也将被选中； 同时运行原理图和 pcb，在打开的原理图和 pcb 图间允许双向交叉查 找元器件、引脚、网络 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到pcb），也可以进行反 向注释（由 pcb 到原理图），以保持电气原理图和pcb 在设计上的一致性； 支持用 cupl 语言和原理图设计 pld，生成标准的 jed 下载文件； * pcb 可设计 32 个信号层， 16 个电源-地层和 16 个机加工层； 强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和 批处理的设计规则检查； 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； 放置汉字功能； 可以输入和输出 dxf、dwg 格式文件，实现和 autocad 等软件的数 据交换； 智能封装导航（对于建立复杂的 pga、bga 封装很有用）； 方便的打印预览功能，不用修改 pcb 文件就可以直接控制打印结果； 独特的 3d 显示可以在制板之前看到装配事物的效果； 强大的 cam 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、 贴片机文件、测试点报告等； 虽然 protel 具有如此强大的功能但是本次设计中我们只是应用了很小的 一部分也就是原理图的设计，对于该软件我还需要进一步学习。 3.6 keil 的基本使用 在本次设计中还应用到了编程软件keil 该软件是 51 系列兼容单片机 c 语言软件开发系统，与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护 性上有明显的优势，因而易学易用。keil 提供了包括 c 编译器、宏汇编、连接 器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集 成开发环境将这些部分组合在一起。运行 keil 软件需要 win98、nt、win2000、winxp 等操作系统。 16 通过使用该软件对 c 语言也有了一定的了解。 3.7 本章小结 本章主要是对于自动关窗器进行设计并且提出多种方案，以及最终选定的 设计方案还对相关软件进行简单介绍，对于自动关窗器的程序进行编写。对于 单片机的选择与单片机的结构和基本参数进行叙述。 通过对比以及对单片机的介绍和了解最后选定用 at89c51 单片机作为控制 单片机 17 第四章 电子元器件的选择与电路的连接 4.1 三极管的选择 本设计中的三极管应用非常广泛，主要是对继电器的驱动作用。以保证继 电器的正常运行。 本设计中所采用的都是 npn 型晶体管，当基极加正偏压时，发射极引导电 流流至集电极，但晶体管不能导通除非加到基极的电压超出发射极电压大约 0.7v，晶体管导通时，基极和集电极相对于发射极都必须是正的。如果加到基 极的电压与发射极电压相比小于 0.7v，晶体管的作用如同打开的开关：如果大 于 0.7v，作用就像和上的开关如图 4.1 所示 18 图 4.1 三极管的状态 本次设计中主要用的就是开关作用，当开关打开时集电极的电流就会流进 发射极，我们把继电器的线圈引脚一端接在集电极上一端接在蓄电池上这样一 旦三极管导通，就会有电流通过继电器的线圈使继电器闭合电路导通或者断开4。 本设计选用 9013 型三极管 其参数为： 耗散功率：p=0.625w 集电极最大电流：icm=0.5a 集电极基极击穿电压：bvcbo 45v 集电极发射极击穿电压：bvceo 25v 特征频频率 ft 最小 150mhz 该三极管是常用的小功率三极管，其特点是耗散功率比较低，驱动电流比 较小，适用于一般低压电路主要用于驱动或开关作用，一般经常用于驱动继电 器等小功率元器件。 4.2 二极管的选择与调试 二极管又称晶体二极管,简称二极管;它只往一个方向传送电流的电子零件。 19 它是一种具有 1 个零件号接合的 2 个端子的器件，具有按照外加电压的方向， 使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形 成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外 加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂 移电流相等而处于电平衡状态。 在选择二极管的时候主要注意不要形成反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪 崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大 时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对， 致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低，势垒区宽度 较宽，不容易产生齐纳击穿。 另一种击穿为 雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使少 子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键， 产生新的电子 -空穴对。新产生的电子 -空穴被电场加速后又撞出其它价电 子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。无 论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成pn 结永久性损坏。 在本次设计中因为继电器线圈是一个电感性质的线圈，电感有一个特性， 流经电感线圈的电流不能突变，如果突然切断电感线圈的电流，电感本身就会 产生一个很强的电动势，来试图维持电流不变，这个电动势往往非常强，它会 击穿试图阻断电流开关，无论是空气开关，还是半导体开关。如果是空气开关， 就会击穿空气，造成不能断电，如果是半导体开关，就会烧毁这个开关。 二极管就是为这个电动势提供一个泄放的通路，由于电动势的方向与电源 的方向相反，所以叫做反向电动势，二极管也是反向接入的。有了它，电动势 就不会太高了，保护了开关和其他元器件不至于损坏5。在选择上选择低压电 路中比较常用的 in4001 即可其连接方式如图 4.2 所示。 选择型号为： in4001 的二极管 最大反向峰值电压（prv）：50v 最大半波整流电流（fsm）：1a 最大正向峰值电流：30a 最大反向电流（常温下） （ir）:5ua 最大正向电压（常温下）(vfm)：1v 20 图 4.2 二极管与继电器的连接 调试方法：将电路按照正确方式连接，将继电器直接供予 12v 电压，在继 电器的常开端连接一个负载电动机，连接之后接通电源，继电器应该闭合，负 载电动机应正常工作。反复测试多次证明继电器连接无误。 4.3 电阻的选择与三极管的接法 电阻器是电路中不可缺少的部分，应用非常广泛。它在电路中可以起到电 压调整和负载的作用。 9013 是 npn 型三极管，当 51 单片机一个 i/o 端口（例如 p2.0）输出是高 电平时，继电器线圈被驱动与三极管之间串有电阻 r，一般该电阻 r 取 5.1k- 10k 都可以。但是一般都要通过计算来获得一个理论上允许的电阻的范围再加 以验证从而得到可行的具体阻值。要从理论上讲，应该查一下继电器线圈的阻 值（继电器线圈的阻值为 400 欧） ，即保证继电器可靠吸合时所需要的电流，该 电流就是三极管作开关作用时的集电极饱和电流 ics，那 ics 除以 就是必须的 基极电流 ib 也就是基极所需要的最小电流，如果 r 的取值如过大，不能满足三 极管的导通要是所需要的电流，继电器就无法正常工作。 选用型号为 9013 的三极管，p2.0 高电平约 5v，则 r 小于（5-0.7） /ib。0.7v 是三极管的 b-e 导通电压。 继电器的线圈电阻为 400 欧姆设为 rc:ics=ucc/rc=12/400=30ma 9013 三极管为 64 到 90 取最小值 60 ib=ics/=30/60=0.5ma 21 p2.0 高电平约 5v，则 r 小于（5-0.7）/ib。0.7v 是三极管的 b-e 导通电压。 则 r 小于 8.6k。 我们所计算得到的理论值为小于 8.6k.连接方法如图 4.3 所示 图 4.3 三极管与电阻的连接 4.4 断电器的原理及选择 有一种被称为电热调节器的电子元件断电器，也称为固态断路器。这种断 路器的电阻随着温度的升高而增大，它没有机械部件，以聚合体（弹和晶体） 做成。聚合体内有一定密度的碳和晶体。碳是可以导电的，所以当断路电器两 端有电压时，电流就通过碳导通。当断电器中有电流通过时，其中的晶体膨胀， 从而导致聚合体中碳的密度减小，是聚合体的电阻变大。当温度达到一定值， 碳的密度太小，电阻过大，就会形成短路状态。聚合体中没有电流通过时，就 会开始降温，晶体收缩，碳的密度又会增加，电路又会重新导通。这样反复循 环。这种断电器在电动折床和电动门锁电路中都有使用。我们在本次威驰轿车 电路完善中就加入了，此类断电器。以保证汽车关窗系统的安全性，避免电流 过大时烧毁电动机或者升窗过程中，夹道手指或者人体其他部位，而造成伤害。 4.5 继电器的选择和使用 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制 系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流 去控制较大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转 22 换电路等作用。 当输入量(如电压、电流、温度 等)达到规定值时，使被控制的输出 电 路导通或断开的电器。可分为电气量 (如电流、电压、频率、功率等 )继电 器及非电气量 (如温度、压力、速度等 )继电器两大类。具有动作快、工作稳 定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于 电力保护、自动化、运动、 遥控、测量和通信等装置中。 继电器的种类非常多有：电磁继电器。热敏干簧继电器、固态继电器、光 电继电器等多种类型。本次设计采用的是电磁继电器。 电磁继电器的工作原理: 电磁式继电器一般由铁芯、 线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线 圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应， 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔 铁的动触点与静触点（ 常开点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消 失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点 （常闭触点）释放。这样吸合、 释放，从而达到了在电路中的导通、切断 的目的。对于继电器的 “常开、常闭 ”触点，可以这样来区分： 继电器线 圈未通电时处于断开 状态的静触点，称为 “常开触点”如图 4.4 所示；处 于接通状态的静触点称为 “常闭触点”如图 4.5 所示。继电器一般有两股 电路，为低压控制电路和高压工作电路 。低压电路为继电器的线圈电路， 高压电路为触点电路。这样就能使较小的电压与电流来控制较大的电压与电 流了。 图 4.4 常开式继电器示意图 23 图 4.5 常闭式继电器示意图 4.5.1 选择合适的继电器 先了解必要的条件 ： （1）控制电路的电源电压，能提供的最大电流； （2）被控制电路中的电压和电流； （3）被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电 路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电 流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的 型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考 虑尺寸是否合适。 注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电 器主要考虑电路板安装布局。 威驰汽车的车窗控制电动机为 12v 直流电动机，蓄电池电压为 12v ，工作 时通过继电器的电流不大于 7a，根据此我们选用了型号为 hjr3ff_ shf(tbf-1)/12vdc 的继电器 4.5.2 继电器主要产品技术参数 1.额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以 是交流电压，也可以是直流电压。 2.直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3.吸合电流 24 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必 须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压， 一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4.释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一 定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电 流。 5.触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的 大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。下面就是继电器 的基本参数。 继电器线圈的基本参数 额定电压：12v 线圈阻值：400 额定电流：30ma 最大过载电压：常温时为额定电压的的 170% 继电器触点基本参数： 触点形式：1h/1z 触点负载：10a 240vac 最小负载：100ma 5vcd 接触电阻：100mmax （6v 1a） 机械寿命：1000000 继电器的性能参数: 绝缘阻值：100m（500v） 吸合时间：10ms 释放时间：5ms 4.6 稳压电路的选择及调试 在整个电路中我们所有的输入都是由蓄电池提供的。蓄电池的电压为 12v 而单片机的工作电压为 5v 所以我们需要一个稳压装置，来保证输入单片机的电 压为 5v。而 78/79 系列三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电 路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格 25 便宜。该系列集成稳压 ic 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电 路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6v，7909 表示输出电压为负 9v。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。那么本次设计 中就选取 7805 稳压集成电路来控制电压。电子产品中，三端 ic 是指稳压用的 集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 在使用过程中应注意在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够 大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能 将变差，甚至损坏。 7805 具体参数如下所示： 输出电压 25时： 最小值：4.8v 典型值：5.0v 最大值：5.2v 静态电流 25时： 典型值：5.0ma 最大值：8.0ma 峰值电流 25时： 最大值：2.2a 理论上正常工作最高电压可以 30 多 v,大约 33-36v，1.5a 输出电流，真实 使用输入电压不要超过 25v，因为输入电压越高发热程度就越大，如果温度过 高可能引起元件的实效或者损害。7805 还自带 1.5a 负载过热保护。如果制作 中需要一个能输出 1.5a 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联 起来，使其最大输出电流为 n 个 1.5a，但应用时需注意：并联使用的集成稳压 电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流 上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 在设计中已经选用了 7805 三端固定集成稳压电路来进行电压的转换。为了 使 7805 的稳压作用更好更稳定，以及给 7805 一个保护，我们将给 7805 连接一 个标准电路如图 4.6 所示。 调试方法：将电路如上图所示进行连接，正确连接后用万用表测量其输出 端电压，若为 5v 则该局部电路连接方法正确。 测试电压的稳定性：在输出端多次连接不同负载，然后在测量其输出电压 值，该测量值应该在 4.8v 至 5.2v 之间。则证明该稳压电路有效可用。 26 图 4.6 7805 的标准电路 4.7 单片机控制电路的连接 单片机系统里都有晶振和复位，在单片机系统里晶振的作用，全程叫晶体 振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率.他结合单片机内部 电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片 机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时 钟频率。 4.7.1 晶振的连接 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的 精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡 器。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提 供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射 频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶体谐振器在特定频率时，呈现为电感形式，与两个电容，就构成了“选 频正反馈通路”。它们和单片机内部的放大器一起，构成了振荡电路。一般电 容的选 15pf-30pf 的就可以了连接方法如图 4.7 所示 图 4.7 单片机晶振图 27 4.7.2 复位的连接 at89c51 的上电复位电路如图 4.8 所示，只要在 rst 复位输入引脚上 接一电容至 vcc 端，下接一 个电阻到地即可。对于 cmos(互补金属氧化物 半导体，电压控制的一种放大器件。是组成 cmos 数字集成电路的基本单元) 型单片机，由于在 rst 端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而 将外接电容减至 10uf。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给 rst 端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着vcc 对电容的 充电过程而逐渐回落，即 rst 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。 为了保证系统能够可靠地复位， rst 端的高电平信号必须维持足够长的时 间。上电时， vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡 频率，如晶振频率为 10mhz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1mhz，起振 时间则为 10ms。在图 2 的复位电路中，当 vcc 掉电时，必然会使 rst 端 电压迅速下降到 0v 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将 不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后， 系统将端口置为全 “l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序 计 数器 pc 将得不到一个合适的初值，因此， cpu 可能会从一个未被定义的 位置开始执行程序。 图 4.8 单片机复位图 4.7.3 单片机输出控制电动机方式 本次设计中最主要的是控制电动机使其运转从而使车窗上升，该部分 电路是当单片机通电时通过预先编写好的控制程序使p0.0 到 p0.3 输出高 电平，从而通过一个上拉电阻来，驱动三极管，使三极管导通，三极管导通。 三极管的集电极接在继电器的线圈上，三极管导通后继电器的线圈将有额定 的电流通过，使继电器闭合。继电器的触点上分别连接电源和电动机。这样 28 电源与电动机便接通了，使电动机工作车窗上升。具体连接方法如图4.9 所示 图 4.9 单片机驱动电动机原理图 图 4.10 单片机驱动继电器 断开搭铁回路 29 4.7.4 单片机驱动继电器断开回路的电路 本设计中还有一个重要部分就是，原车电路中当原车电路不运行时，电 动机的两端搭铁，需要断开一端的回路从而避免短路情况的发生。 该部分电路是单片机的 p2.0 到 p2,3 输出高电平，通过上拉电阻驱动 9013 三极管，三极管驱动继电器。继电器的常闭触点分别连接在搭铁回路 的中间的两端，当继电器通电时，继电器开关断开从而使回路断开.其连接 方式如图 4.10 所示。 4.7.5 总体电路的连接 在局部电路的连接与调试没有问题之后，我们要进行总体电路的连接与调 试，首先要将写好的程序烧入单片机内，然后把 7805 以及相关的稳压电路正确 的与单片机连接，确保输入单片机的电压为 5v。下一步将单片机的晶振电路， 以及复位电路连入，这样单片机的外围基本电路就完成了。最后连入驱动电动 机的输出电路，以及控制搭铁回路断开的的输出电路。这样就完成了整