关 键 词：

含CAD图纸+文档 基于 单片机 汽车 门窗 玻璃 升降 控制 硬件 平台 搭建 CAD 图纸 文档

资源描述：

压缩包内含有CAD图纸和说明书,均可直接下载获得文件，所见所得，电脑查看更方便。Q 197216396 或 11970985

内容简介：

中期检查表（指导教师）指导教师姓名：填表日期： 2013 年 0 5月 6 日学生学号学生姓名题目名称基于单片机的汽车门窗玻璃升降控制硬件平台搭建已完成内容自着手毕业设计开始至今，已完成毕业设计中的以下内容：（1） 撰写开题报告，计划进度表，查阅资料；（2） 完成英语翻译和机械图纸的绘制；（3） 搜集有关信息材料，设计方案；（4） 原理图的绘制和电路板的制作。 检查日期：2013年5月6日完成情况全部完成按进度完成滞后进度安排存在困难在设计中主要遇到以下困难：（1） 对各种芯片的使用方法不清楚，外围电路知识有限；（2） 对汽车内部电路环境不够熟悉；（3） 对电路板改进的思路不够完善。解决办法 在毕业设计前期阅读大量与课题相关的书籍，自主学习掌握所需芯片的使用和软件的操作；及时主动的跟老师沟通请教遇到的问题，在老师悉心指导下解决问题。预期成绩优 秀良 好中 等及 格不及格建议 教师签名： 教务处实践教学科制表说明：1、本表由检查毕业设计的指导教师如实填写；2、此表要放入毕业设计（论文）档案袋中；3、各院(系)分类汇总后报教务处实践教学科备案。任务书一、毕业设计（论文）的内容汽车电动门窗是汽车电器中使用较为频繁的部件。对某汽车企业生产的重型卡车的调研表明，电动门窗的主要故障是H桥驱动电路的MOS管受到信号干扰或误操作导致烧毁使得系统失效。以此为背景，研制一种基于单片机的门窗控制器硬件系统，采用继电器和MOS管结合的方法控制驱动直流电机，引入电流反馈进行电机堵转判定来提高系统的可靠性和安全性，同时严格控制成本达到良好的性价比。主要工作内容如下：1、课题的调研、资料的获取、有关知识的准备、总体技术方案的酝酿；2、控制器硬件系统设计，绘制并制作电路板；3、硬件系统基本功能调试和测试。二、毕业设计（论文）的要求毕业设计过程中的要求主要涉及以下方面：1、控制器的硬件电路设计。包括：电源电路，单片机以及外围电路，A/D转换电路，电动开关，电机驱动电路等几个部分；2、硬件平台搭建及基本功能测试。包括：印制板刻蚀，电子元器件焊接调试，基本功能的验证测试；3、相应的硬件设计及试验文档编写。三、毕业设计（论文）应完成的工作指定整个毕业设计学生应该完成的所有工作，包括：1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、毕业设计说明书包括：电动门窗控制器硬件系统中主要部件的设计电路、功能及相关说明；控制器的测试方法及基本功能试验验证；4、必须完成绘图工作量折合A0图纸1张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸。四、应收集的资料及主要参考文献1 刘刚. Protel DXP 2004 SP2原理图与PCB设计(第2版)M. 北京：电子工业出版社, 2011, 1.2 李秀霞. Protel DXP2004电路设计与仿真教程(第2版)M. 北京：北京航空航天大学出版社, 2010, 8.3 王冬. Protel DXP 2004应用100例M. 北京：电子工业出版社, 2011, 1.4 Liu Dan, Wang Yufeng. Digital Speed Measurement System in the Rubber Production Domain J. Sensor World. 2003, (4): 28-31.5 李学海. PIC单片机实用教程-基础篇(第2版) M. 北京：北京航空航天大学出版社, 2007, 2.6 李学海. PIC单片机实用教程：提高篇(第2版)M. 北京：北京航空航天大学出版社, 2007, 2.7 丁跃军. PIC单片机基础教程M. 北京：北京航空航天大学出版社, 2005, 7.8 何桥. 单片机原理及应用M. 北京：中国铁道出版社, 2006, 7.9 李荣正. PIC单片机初级教程M. 北京：北京航空航天大学出版社, 2006, 3.10 李中华. 8位单片机C语言编程：基于PIC16M. 北京：人民邮电出版社, 2006, 8.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件1、计算机一台，示波器一台，信号发生器一台，稳压直流电源一台，万用表一台，恒温烙铁一台，PIC单片机PICkit3调试器/编程器/下载器一套；2、Protel DXP 2004软件、Proteus软件、Maplab IDE软件、Matlab软件任务下达时间：2012年12月17日毕业设计开始与完成时间：2012年12月17日至 2013年05 月26日组织实施单位：教研室主任意见：签字： 2012年12月14日院领导小组意见：签字： 2012 年12月16日摘 要本课题是设计一款基于PIC单片机的汽车玻璃窗升降控制器，里面包括：电源模块、信号输入模块、驱动控制模块以及测量模块。为了提高改进东风柳州汽车有限公司现有的玻璃窗升降控制器，我通过对公司现有的商用车门窗玻璃升降器的分析，发现原有产品主要的工作原理是由两边各4个MOS管组成两路H桥电路来驱动控制电机，以实现对窗玻璃升降的控制。但是这个方案有所欠缺，根据返修回来的电路板来看主要有两个点：一是H桥电路失效，造成对电机的失控；二是电路中电源的干扰，车载发电机抛负载产生的反向电流冲击以及瞬时高压。为了解决这些问题，我根据原有的电路设计出了一个继电器联合MOS管驱动控制电机的电路，这样的话有效的防止了H桥失效的情况，对电源电路的改进也防止了反向电流的冲击。根据国家的要求这里我利用康铜电阻设计了防夹和防堵转的电路，以实现对驾驶人员和汽车的保护，同时设计的时候还要考虑到汽车所在的环境，不管是在多尘寒冷的北方还是在多雨温热的南方，除此之外还需要考虑到汽车内部的电磁干扰。这里的设计主要是提高产品的可靠性，以及考虑对使用成本的控制。经过测试继电器联合MOS管的电路能够取代原有的产品，但是仍有不足之处，我正在对这个方案进行完善。关键词：PIC单片机；电源模块；继电器；MOS管；康铜丝；MAPLAB-IDE；PICkit3；回流二极管。AbstractAs long as this project is to design a PIC microcontroller-based automotive glass elevator controller, which includes: power supply module, the signal input module, the drive control module and measuring module. In order to improve the existing glazing elevator controller of Dongfeng Liuzhou Motor Company, I passed on analysis the companys existing commercial vehicle window glass lifter, we found the original product key works by both sides of the four MOS tubes two H-bridge circuit to drive and control the motor, in order to achieve the control of windows down. However, this program has been lacking, according to the back of the circuit board rework view there are two main points: First, H-bridge circuit failure, resulting in loss of control of the motor; Second, the interference of the power circuit, the motor load dump is generated by reverse current impact. To solve these problems, in accordance with the original design of the circuit of a relay joint MOS transistor to control the motor drive circuit, in this case to effectively prevent the H-bridge failure situation, improvement of the power supply circuit also prevents reverse current impact. Here I am in accordance with national requirements designed to take advantage of constantan resistance and attempts to prevent the transfer of anti-trap circuit, in order to achieve the protection of the driver and the car, but also take into account when designing the car where the environment is dusty cold North or south in the warm and rainy, in addition to the car need to be considered within the electromagnetic interference. Here are designed primarily to improve product reliability, and consider the use of cost control. After testing the relay combined MOS transistor circuit can replace the original product, but there are still shortcomings of this program which I still want to perfect.Key words: PIC microcontroller; power module; relay; MOS tube; Kang copper; MAPLAB-IDE; PICkit3; wheeling diode。目 录引言11 绪论21.1 课题研究目的及意义21.2 课题相关技术的现状和前景21.3 课题完成的任务22 总体方案32.1 设计思路32.2 方案的设计33 电路的设计63.1 单片机的类型和应用63.1.1单片机的类型63.1.2单片机的应用73.2 PIC单片机的特点和型号73.2.1PIC单片机的特点73.2.2PIC单片机的型号83.3 单片机的选择93.4 单片机资源的分配143.5 电源模块的设计153.6 信号输入模块183.7 控制电路203.7.1继电器的使用203.7.2选用MOS管IRF3205213.7.3三极管的使用223.7.4达林顿管ULQ2003A的使用233.7.5测量电路原理253.7.6驱动控制电路274 控制驱动电路的测试和改进304.1 MATLAB-IDE的安装和使用304.2 程序烧写器PICkit3的使用314.3 续流回路及电路的测试334.4 各个功能模块的测试364.5 演示部分385 汽车玻璃窗的构架415.1 汽车玻璃窗的机械构造415.2 电机的使用42总结44谢 辞46参考文献47附录48引言经过多年的研究和开发，汽车在各个方面都有了日新月异的发展，科技在不断的更新，汽车也是一样，随着电子行业的不断发展，人们将其应用到了各个领域当中，如今的汽车行业电子技术的应用也是随处可见的。就汽车车窗控制来说，它是从无到有，从有到原始，从原始到先进发展。现在许多轿车门窗玻璃的升降已经抛弃了摇把式的手动升降方式，一般都改用按钮式的电动升降方式，即使用电动玻璃升降器来控制，也就是常说的“电动门窗”。相比于原始的摇把式的控制方式，电动控制不仅使汽车本身更加美观，而且能够实现自动化。近年来电动门窗升降器得到了很快的发展，市场需求量越来越大。如今的市场上有着各种各样的玻璃升降控制器，有着各种车型的控制器，产品种类很多，但是随着使用者的要求的不断的提高，相应的新产品也不断被研发出来，防夹和堵转是目前考虑得比较多的方面，新型的产品一般都有着这样或者那样的安全设置。本课题研究的是基于单片机的汽车窗玻璃升降控制的硬件平台。经过接手柳州汽车有限公司的项目，发现公司的控制器有一些不足，容易失效而需要进行返修，当返修率达到公司的阀值的时候，对公司来说这是不可接受的，而产生的些问题都是由于产品的可靠性不够，不管是电路失效还是电流冲击还是一些其他问题。解决的方法不外乎对电路从硬件和软件上来改进，如果只是做出单方面的改进的话效果应该不大，往往都是双向的改进这样产品性能上升的空间才会比较大。经过对原有硬件电路的分析，由我来改进硬件电路的设计，希望能够解决柳州汽车有限公司汽车玻璃窗控制器的问题，完成这个项目。1 绪论1.1 课题研究目的及意义本次课题主要是对汽车门窗玻璃升降控制器的研究，搭建一个硬件平台，希望能够根据要求来对汽车门玻璃窗升降进行控制。随着汽车的普及，人们对汽车的安全性方面也越来越重视，这也就使我们这些产品的设计者需要考虑更多，满足人们日益增长的要求。对某汽车企业生产的重型卡车的调研表明，电动门窗的主要故障是控制器受到误操作或信号干扰导致电子器件烧毁使得系统失效。通过这个硬件平台的搭建，能够使这个系统更具有安全性、稳定性和可靠性，同时使人们对这样的电子产品更加放心 ，使用的更加舒心。1.2 课题相关技术的现状和前景汽车门窗玻璃升降控制器硬件平台的搭建，它是基于PIC单片机的设计，目前来看很多的电子产品都是通过单片机来进行控制的，很多都是采用工业级的芯片（单片机），这也成为了电子行业应用发展趋势，毕竟它有着很大的优势。这里的设计是通过研究柳州汽车有限公司现行的产品，开发出一款新的更可靠的产品，能够解决一些可靠性上的问题以及控制成本，希望能够利用它的物美价廉的优点打动更多的消费者，让更多的人认识并接受这个新产品，从而使公司产生更高的效益。汽车门窗玻璃升降控制器具有比较广泛的市场前景，很多的公司都需要这样的控制器，市场是比较广阔的，同时控制器的技术的发展也是比较有前景的，能不断的进行改进，随着电子行业的发展，我相信以后的产品将会更加智能化、微型化、舒适化。1.3 课题完成的任务主要工作内容如下：1、课题的调研、资料的获取、有关知识的准备、总体技术方案的酝酿。2、控制器硬件系统设计，绘制并制作电路板。3、硬件系统基本功能调试和测试。2 总体方案2.1 设计思路这个硬件平台的搭建，必须满足用户的需求：首先，要能够按照使用者的意愿来控制窗玻璃的随意升降，也就是说首先要做的是能够实现窗玻璃的升降控制。同时还要满足主驾驶座具有控制优先权的要求（这里必须注意其中的逻辑控制），这里需要单片机来设置优先权并结合硬件电路顺利的驱动电机的正反转来控制车窗玻璃的升和降；其次，设计必须能够满足一系列的安全设置要求，防堵转和防夹，由于电机上是带有一定的负载的（玻璃有一定的重量并且玻璃的升和降是有不同的负载的）。当玻璃窗处于堵转和夹住肢体时，电机上的负载会明显的增加，负载的增加也就意味着电机转矩（T）的增加，根据直流电机的特性有转矩公式：，我们可以知道通过电机的电流也会明显的增加，我们可以使用单片机来监测电机电路的电流来知道是否堵转和夹住；再次，就是保证电路的可靠性和控制电路及元件的使用寿命，保证电路的安全可靠性。2.2 方案的设计方案的设计：主要是对单片机的使用和电机的驱动。单片机是核心控制部分，他通过软件来控制各个模块功能的实现。方案采用单片机控制继电器的吸合，来控制电机的转动，通过继电器和MOS的联合来实现电机的正方转从而达到对窗玻璃升降的控制。单片机的上电是通过电压模块来实现的，它将+24V的直流电压转换为+5V的单片机电源。信号的输入采用的是外部按键式的（由于汽车门内有按钮的信号输入端，按钮通过接通和断开来传递信号）。通过两个康铜精密电阻，来测量电路中康铜电阻两端的电压，经过计算得出电路中的电流，经过单片的A/D模块，经过电流阀值的比较（这里的阀值指的是一个梯度值，这里假设是6A6.5A7A，每一个梯度检测确认一次，经过多次比较得出是否是堵转和夹住了肢体）从而实现对电路的保护。整体方案是通过将各个模块进行整合后最终得出的。结构如下图2-1：集成功放 PIC单片机继电器信号输入MOS管直流电源三极管电机转动康铜电阻电压值（反馈）图2-1 基本方案方案的比较：市面上现有的基于单片机的车窗玻璃升降控制器大多都采用的是通过单片机的软件来控制电机的正方转（采用的一般是MOS管联合H桥来驱动电机），从而实现所需的功能，H桥的使用是比较常用的电机驱动电路，但是很多驱动电路中也有着比较复杂的信号处理电路。相比于这个方案（图2-2），继电器与MOS管结合来控制电机的正方转的方案大大的简化了软件的设计，对编程人员来说工作量有所降低，但是这个方案的稳定性和可靠性还需要提高，特别是继电器的使用，由于驱动电流是比较大的，很容易就会出现继电器烧坏的情况，而且也是比较容易出现信道干扰的。这里需要对电路进行一些改进，完善它的性能。PIC单片机MOS管信号输入康铜电阻电压值直流电源信号放大电机转动H桥电路图2-2 已有方案H桥电路如下图2-3：图2-3 MOS管H桥电路原理如下：单电机需要正传时，单片机通过软件（单片机信号需要放大）来控制MOS管Q1和MOS管Q4导通（MOS管2和MOS管3必须断开），从而形成电机正传回路，实现电机正传。当电机需要反转的时候，单片机通过软件来控制MOS管Q2和MOS管Q3导通（MOS管1和MOS管4必须断开），从而形成电机反转回路，实现电机的反转。但是这个方案的稳定性还有所欠缺，当由于司机的误操作，而同时按下两个按钮是，单片机容易将两个MOS管（MOS管1和MOS管2或者MOS管3和MOS管4）同时打开，这样的话两个MOS管之间会短路，会造成一定的危险，也不够稳定，特别是在北方比较恶劣的天气条件和环境下（北方的风雪和沙尘容易造成堵转等一些问题）。我们所说的H桥电路不一定就是需要MOS管来控制的，还有一些事通过三极管来控制的，通过控制三极管的导通与否，来控制电机的正反转，原理基本上和上面的MOS管控制的H桥相似。市场上现在的玻璃窗升降控制一有比较成熟的产品，但是总的来说总会有那么一些优缺点，MOS管H桥的电路中，MOS管耐流不耐压，容易被干扰产生误操作，我也相信我设计的产品也是有缺陷的，但是也是比较有特色的。本次设计的产品的它有几个特点：首先是采用了继电器和MOS管联合来控制电机，与H桥和其他芯片驱动电路有很大的差别；其次是续流二极管的使用，它将电机产生的反电动势消除了，防止继电器动作的时候烧坏触点；再次是康铜丝的使用和电源电路的改进。3 电路的设计3.1 单片机的类型和应用单片机又称单片微控制器，它诞生于20世纪70年代末，是一种集成电路芯片。它采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随即存储器RAM、制度存储器ROM、多种I/O和中断系统、定时/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换等电路）集成到一块硅片上，构成一个小而完善的计算机系统。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机。和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括地讲：一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利的条件。3.1.1单片机的类型1975年，德克萨斯仪器公司生产的世界第一个4位单片机TM1000诞生后，一些大型的电子公司研制开发了各种单片机系列产品。从字长可分为4位、8位、16位、32位4大类型，从用途上可分为通用性和专用型单片机两大类。通常我们所说的是通用型的单片机。美国Inter公司是最早的单片机生产商之一，8051单片机是其最早最典型的产品，由8051发展起来的MCS-51系列单片机有8031、8051、8751等，这一系列的单片机都是在8051的基础上进行功能扩展而来的，从而使8051为的内核的单片机在世界上产量最大使用最广。Motorola是世界上最大的单片机生产商，其特点是瓶中齐全、选择余地大、新产品多，多年来一直是单片机销量的冠军。它的单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率低，相当于提高了单片机的速度，使得高频噪音低，抗干扰能力强，更适合于工控领域恶劣的环境。ATMEL公司是全球著名的半导体公司之一，他生产基于8051内核的AT89X系列单片机和基于精简指令集（RISC）的AVR系列单片机。Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是PIC16C/F系列、17C/F系列和18F系列8位单片机。Microchip单片机强调节约成本的最优化设计，适合用于大量、档次低、价格敏感的产品。在办公自动化设备、电子产品、电信通信、智能仪器仪表、汽车电子等领域都有广泛的应用。3.1.2单片机的应用单片机的应用范围十分广泛，其中的一些典型的应用如下：1电信：电信领域应用包括：电话机、手机、对讲机等。2家用电器：家电领域的应用有：遥控电视机，摄像机、DVD、CD、空调等等。3计算机外围设备：计算机外围方面的应用包括：键盘、打印机、扫描仪等。4办公自动化：办公自动化方面的应用有：复印机、智能打字机、传真机等。5工业控制：工业控制领域的应用有：数控机床、智能机器人、PLC、智能传感器等。6商用电子：商用电子领域的应用有：自动售货机、自动取款机、IC卡读写器等。7玩具：玩具方面的应用有：电子宠物、智能玩具、遥控玩具等。8仪器仪表：单片机还用于预料、化工、电子计量的领域的各种智能仪器仪表。9汽车电子：汽车电子方面的应用有：变速控制、计价器、各种控制器等10军用电子：军用电子领域的应用：智能武器、雷达系统、电子战设备等。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围和带来的积极效益，更重要的是在于它从根本上改变了传统的控制系统设计的思想和设计方法。3.2 PIC单片机的特点和型号3.2.1PIC单片机的特点1精简指令集技术 传统的单片机生产商采用的是复杂的指令集（CISC）结构，再设计上多带有PC和CPU机构的痕迹，这样的指令集通常有50到100条指令并多为多周期指令。而PIC的指令系统则专门根据小型机的特点而设计，力求每条指令的高效，减少指令功能的重复。高中低PIC单片机指令数分别为58条、35条、33条.2哈佛总线结构所谓的哈佛总线结构是指程序存储器和数据存储器独立编址，即两者位于不同的物理空间的结构。相对应的是冯诺依曼结构（普林斯顿机构），其程序存储器和数据存储器位于同一物理空间，这样的结构限制了工作的宽度，同时数据的读取的可靠性也有所欠缺，而哈佛总线结构则没有这样的瓶颈。MCS-51系列中也采用了哈佛结构，但是数据和程序共用一条总线，在总线上仍有瓶颈效应。PIC单片机不仅采用了哈佛体系结构，还采用了哈佛总线结构，相对来说具有比较明显的优势。3寻址方式简单PIC系列单片机只有4种寻址方式：寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址以及位寻址，容易掌握。4低功耗PIC系列单片机是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。 5驱动能力强I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚输入和输出的电流最大值可分别达到25mA和20Ma,能够直接驱动发光二级管、光电耦合器、微型继电器等。6IIC和SPI串行总线端口PIC系列单片机的一些型号具备IIC和SPI串行总线端口。 7其他特点片内看门狗（WDT）、片上ADC、PWM模块、外围电路简洁、开发方便。C言语编程、中断丰富、品种齐全等。3.2.2PIC单片机的型号Microchip可提供的PIC单片机系列，按其指令的位数可分为3类：初级产品、中级产品和高级产品。1初级产品8位指令系列（PIC16C5XX/PIC12C5XX）在8位指令系列中，PIC16C5X是最早发展的系列。适用于各种对成本要求严格的嵌入式控制。2中级产品12位指令字系列(PIC12C6XX/PIC16C/FXXX)12位指令字系列是品种最丰富的系列。它在PIC16C5X的基础上进行了很多改进，并保持很高的兼容性。保持低价的同时具有很高的性能，如带有A/D、双时钟工作、比较输出、PWM输出、IIC和SPI接口、异步串行通信（USART）、模拟电压比较器及LCD驱动等。3高级产品16位指令字系列(PIC17CXXX和PIC18CXXX/FXXX)16为指令字系列的单片机是8为单片机中运行速度最快，功能最为强大的单片机。性能比较高，可在某些场合取代DSP（数字信号处理器）。PIC18CXXX系列是一款高性能、全静态设计、内带A/D转换器的CMOS16位单片机，采用高性能增强型的RISC结构，具有32级硬件堆栈和多种内外部中断。另外片内寄存器组大大的提高了运行速度，可达每秒百万条指令。PIC系列单片机还具有非常优秀的微处理特性，比如多种复位方式、多种中断功能、低功耗睡眠功能、掉电复位锁定等。PIC单片机内部还集成有上电复位电路（POR）、看门狗电路、I/O口弱上拉等，大大减少了外围器件，节约成本。PIC16F87X系列单片机是一种具有FLASH程序存储器的8为CMOS单片机，在PIC单片机中，各方面的功能都具有代表性，刚开始学习的话一般都是从PIC16F877入手。个人觉得PIC单片机的学习是要比51难些，很多人说应该在51单片机的基础上学习PIC单片机比较好，主要是编程这块会比较难学习，虽然我们有了一定的C语言基础，但是投入到实际项目当中去的话，差距还是比较大的，这就是我们所说的实践经验和能力，毕竟PIC单片的寄存器还是比较多的，对寄存器的使用相对来说也是比较复杂的，对于像我这样的新手来说的话最主要的是多学习、多动手，前辈们给的建议也是如此！3.3 单片机的选择简单来说单片机可以分为几个等级：51单片机，也就是我们学习是使用的单片机，也就是我们所说的家电型单片机，它不需要考虑自己的运行环境，而且速度也比较慢，PIC单片机的话不仅运行速度是比较快的，而且价格也比51便宜很多，也是我们所说的工业级单片机，目前来看，很多地方还是要用到PIC系列单片机的，现在很多公司都在使用。其他特殊用途（专用）的单片机（芯片），比如：飞思卡尔芯片，它是目前汽车行业使用得最多的单片机，是FREESCALE半导体公司的产品，还有目前的AVR系列，还有一些数据处理芯片如：DSP、FPGA等很多先进的单片机。单片机的发展也是非常迅速的，而嵌入式系统的学习和开发也在不停的发展。这里选用的是PIC系列的单片机：PIC16F1508，它采用nanoWatt XLP 技术的20 引脚8 位闪存单片机如下图3-1所示，相比于8051系列单片机它的优势是非常明显的。考虑是自己做电路板的话一般都是使用DIP封装的，公司的话都是采用的贴装的，主要是因为贴装的芯片较插装的来说便宜太多了。图3-1 DIP20封装的16F1508它具有高性能RISC CPU：拥有优化的C编译器架构，仅有49 条指令，可寻址最大14KB的线性程序存储空间，可寻址最大512字节的线性数据存储空间，工作速度快：DC-20 MHz时钟输入、DC-200ns 指令周期，带有自动现场保护的中断功能，带有可选上溢/下溢复位的16级深硬件堆栈，直接、间接和相对寻址模式：两个完全16位文件选择寄存器、可以读取程序和数据存储器。同时具有灵活的振荡器结构：有16MHz内部振荡器模块：出厂时精度已校准到达1%，同时可通过软件选择频率范围：31kHz至16MHz，31kHz低功耗内部振荡器，三种外部时钟模式，频率最高为20MHz。PIC16F1508单片机的特性：工作电压范围：1.8V至3.6V、2.3V至5.5V，可在软件控制下自动编程，上电复位，上电延时定时器，可编程低功耗欠压复位。拥有扩展型看门狗定时器：可编程周期从1ms至256s，可编程代码保护，通过两个引脚进行在线串行编程，增强型低电压编程，通过两个引脚进行在线调试。具备节能休眠模式：低功耗休眠模式、低功耗，集成温度指示器。128字节高耐用性闪存：闪存耐写次数达100000 次（最小值）。采用nano Watt XLP 的超低功耗管理：待机电流：25nA。看门狗定时器电流：300nA。工作电流：30A/MHz。Timer1振荡器电流：- 600nA。它的外设特性：模数转换器：10位分辨率、12路外部通道、3路内部通道、固定参考电压、数模转换器、温度指示器通道、自动采集功能、可在休眠模式下进行转换。两个个比较器：轨到轨输入、功耗模式控制、可通过软件控制滞后。参考电压模块：具有1.024V、2.048V和4.096V输出的固定，参考电压，最多1个带有正参考电压选择的5位轨到轨电阻式DAC。18个I/O 引脚：高灌/ 拉电流：25 mA/25mA，可单独编程弱上拉，可单独编程的电平变化中断引脚。Timer0：带有8 位可编程预分频器的8 位定时器/计数器。增强型Timer1：带有预分频器的16 位定时器/ 计数器，外部门控输入模式。Timer2：带有8 位周期寄存器、预分频器和后分频器的8 位定时器/ 计数器。4个10 位PWM 模块。带有SPI和IIC的主同步串行口7位地址掩码，增强型通用同步/异步收发器，兼容RS-232、RS-485和LIN，自动波特率检测，接收到启动位时自动唤醒。4个可配置逻辑单元模块：16个可选输入源信号，每个模块具有4个输入，可通过软件控制组合/顺序逻辑/状态/时钟功能，AND/OR/XOR/D 型触发器/D 型锁存器/SR/JK，外部或内部输入/ 输出，可在休眠模式下工作。数控振荡器：20位累加器，16位递增，真正线性频率控制，高速时钟输入，可选输出模式，固定占空比模式，脉冲频率模式。互补波形发生器：8个可选信号源，可选择下降沿和上升沿死区控制，极性控制，4个自动关断源，多个输入源：PWM、CLC和NCO。PIC16F1508的内部结构如下图3-2：图3-2 PIC16f1508的内部结构PIC16F1508的引脚及功能如表1：表1引脚名称功能说明19RA0/AN0/C1IN+/DACOUT1/ ICSPDAT/ICDDAT RA0通用I/O。AN0A/D 通道输入。C1IN+比较器的正输入。DACOUT1数模转换器输出。ICSPDATICSP 数据I/O。ICDDAT在线调试数据。18RA1/AN1/CLC4IN1/VREF+/C1IN0-/C2IN0-/ICSPCLK/ICDCLKRA1通用I/O。AN1A/D 通道输入。CLC4IN1可配置逻辑单元源输入。VREF+A/D 正参考电压输入。C1IN0-比较器的负输入。C2IN0-比较器的负输入。ICSPCLKICSP 编程时钟。ICDCLK在线调试时钟。17RA2/AN2/C1OUT/DACOUT2/T0CKI/INT/PWM3/CLC1(1)/RA2通用I/O。AN2A/D 通道输入。C1OUT比较器输出。DACOUT2数模转换器输出。T0CKITimer0 时钟输入。INT外部中断。PWM3PWM 输出。CLC1(1)可配置逻辑单元源输出。互补波形发生器故障输入。4RA3/CLC1IN0/VPP/T1G(2)/SS(2)/MCLRRA3带IOC和WPU 的通用输入。CLC1IN0可配置逻辑单元源输入。VPP编程电压。/T1G(2)Timer1 门控输入。SS(2)从选择输入。MCLR带内部上拉的主复位。3RA4/AN3/SOSCO/CLKOUT/T1GRA4通用I/O。AN3A/D 通道输入。SOSCO辅助振荡器连接。CLKOUTFOSC/4 输出。T1GTimer1 门控输入。2RA5/CLKIN/T1CKI/NCO1CLK/SOSCIRA5通用I/O。CLKIN外部时钟输入（EC 模式）。T1CKITimer1 时钟输入。NCO1CLK数控振荡器时钟源输入。SOSCI辅助振荡器连接。13RB4/AN10/CLC3IN0/SDA/SDIRB4通用I/O。AN10A/D 通道输入。CLC3IN0可配置逻辑单元源输入。SDAIC 数据输入/输出。SDISPI 数据输入。12RB5/AN11/CLC4IN0/RX/DTRB5通用I/O。AN11A/D 通道输入。CLC4IN0可配置逻辑单元源输入。RXUSART 异步输入。DTUSART 同步数据。11RB6/SCL/SCKRB6通用I/O。SCLIC 时钟。SCKSPI 时钟。10RB7/CLC3/TX/CKRB7通用I/O。CLC3可配置逻辑单元源输出。TXUSART 异步发送。CKUSART 同步时钟。16RC0/AN4/CLC2/C2IN+RC0通用I/O。AN4A/D 通道输入。CLC2可配置逻辑单元源输出。C2IN+比较器的正输入。15RC1/AN5/C1IN1-/C2IN1-/PWM4/NCO1(1)RC1通用I/O。AN5A/D 通道输入。C1IN1-比较器的负输入。C2IN1-比较器的负输入。PWM4PWM 输出。NCO1数控振荡器源输出。14RC2/AN6/C1IN2-/C2IN2-RC2通用I/O。AN6A/D 通道输入。C1IN2-比较器的负输入。C2IN2-比较器的负输入。7RC3/AN7/C1IN3-/PWM2/CLC2IN0RC3通用I/O。AN7A/D 通道输入。C1IN3-PWM 输出。PWM2比较器的负输入。CLC2IN0可配置逻辑单元源输出。6RC4/C2OUT/CLC2IN1/CLC4/CWG1BRC4通用I/O。C2OUT比较器输出。CLC2IN1可配置逻辑单元源输入。CLC4可配置逻辑单元源输出。CWG1BCWG 互补输出。5RC5/PWM1/CLC1(2)/CWG1ARC5通用I/O。PWM1PWM 输出。CLC1(2)可配置逻辑单元源输出。CWG1ACWG 主输出。8RC6/AN8/NCO1(2)/CLC3IN1/SS(1)RC6通用I/O。AN8A/D 通道输入。NCO1(2)数控振荡器源输出。CLC3IN1可配置逻辑单元源输入。SS(1)从选择输入。9RC7/AN9/CLC1IN1/SDORC7通用I/O。AN9A/D 通道输入。CLC1IN1可配置逻辑单元源输入。SDOSPI 数据输出。1VDDVDD正电源。20VSSVSS参考地。对于单片机编程时各个寄存器的使用需要查找数据手册，1508这款PIC单片机由于引脚比较少，相对来说的话引脚功能复用的情况会比较多，这样的话对寄存器的设置会比较麻烦，当然我们没有必要将所有的寄存器的使用都记下来，只是但我们需要用到某些引脚的某些功能的时候，查阅数据手册上或者直接翻阅书籍来设置寄存器，对于一个初学者来说的话这样的方法是比较合适的。3.4 单片机资源的分配本次玻璃升降控制系统设计中PIC16F1508单片机仅仅具有20引脚，大多都是复用引脚，所以在配置端口的时候，一定要知道每个功能怎样设置才能实现的。而本设计需要处理开关信号的采集输入、上升下降命令的输出、AD模数转换模块的输入处理、继电器与MOS管的控制处理，所以PIC单片机的IO资源配置至关重要，需要经过慎重考虑决定，充分利用而且能保证功能的完全正常实现。本设计中的PIC16F1508单片机引脚资源配置如表2及图3-3：表2模块引脚分配电源模块VDD、VSSPIC电源供应口继电器控制模块RA0右窗上升命令（右窗继电器控制信号）输出口RA1右窗下降命令（右窗继电器控制信号）输出口RA2左窗下降命令（左窗继电器控制信号）输出口RC0左窗上升命令（左窗继电器控制信号）输出口MOS控制模块RC7左窗MOS管控制信号输出口RB7右窗MOS管控制信号输出口AD采集模块RB4左窗AD采样信号采集输入口RB5右窗AD采样信号采集输入口组合开关采集模块RA4左窗下降命令采集输入口RA5左窗上升命令采集输入口RC4右窗下降命令采集输入口RC5右窗上升命令采集输入口这里的设计中是没有开放串口的，两个串口分别被T-Right和T-Test2占用，如果开放串口的话，布线上面会比较麻烦，而且这里我的设计并用不到串口，但是串口的使用确实值得开发的一块。首先电路板可以通过串口同上位机进行通信，一个很简单的例子：现在的汽车都有遥控器，对汽车进行上锁。但是有些司机比较粗心的话下车的时候忘了关车窗，这里如果用到了串口的话我们就可以与汽车其他部分进行通信，通过遥控器在上锁的时候查询玻璃窗的状态，如果没有关上玻璃窗的话，它自动会关上。这也是现在研究设计的方向，就是通常所说的智能化的提高。同时电路中还设计了程序下载口，这样的话下载程序方便了很多。图3-3 单片机的引脚使用3.5 电源模块的设计通过调研我们知道：通常的货车都采用的是+24V的直流电平来供电。然而单片机的供电电压一般都是+5V，这里我们需要设计一个电源模块，将+24V的电源电压在一定的情况下能够转换成+5V的电压以便方便我们使用，而且能够满足汽车的需要。这里我们使用的是能够提供+24V的航模锂电池，放电倍率为20C到45C之间，容量为3300mAh。之所以用它，是因为它能够提供很大的电流，相对直流稳压电源来说，它能够提供更大的电流，实验室所用的TPR300XT型号的直流稳压电源额定电流只有3A，而这里电机需要比较大的电流，容易烧坏电源。经过多番查找和学习，选用了MCP1790这款70mA高电压稳压器，采用的是3 引脚 DD-PAK 和SOT-223 封装，这里选用SOT-223的封装。它由Microchip Technology Inc(美国微芯科技公司)推出，可连续输出70mA电流，并能在高达30V的连续输入电压下工作，同时还具备高达43.5V的甩负载保护功能，是切合汽车及工业应用所需的理想LDO。其静态电流和关断电流很低，陶瓷电容也极具稳定性，有助于用户以更低的成本实现体积更小、效率更高的设计。MCP179X系列LDO是特别针对需要在高输入电压下持续工作的应用而设计。MCP1790常用于低电压 A/C 供电（24VAC）的火警报警器、 CO2 传感器和 HVAC 控制、汽车电子、汽车配件电源适配器、电子温度控制、单片机电源。其特点如下：1、发电机抛负载保护，能够承受较大的反向电压冲击 。2、宽稳态电源电压：6.0V到30.0V。3、扩展级结温范围：-40至+125摄氏度。4、固定输出电压：3.0V、3.3V和5.0V。5、低静态电流：70A（典型值）。6、低关断静态电流：10A（典型值）。7、在整个温度范围内输出电压容差为2.5%。8、+125C 结温下最大输出电流为70mA。9、最大连续输入电压为30V。10、内部过载热保护：+157摄氏度（典型值）结温。11、内部短路电流限制：+5V 选项下120mA（典型值）。12、短路电流折回。13、高PSRR：-90dB100 Hz（典型值）。14、稳定工作于1F 至 1000F 钽电容和电解电容。15、稳定工作于 4.7F 至 1000F 陶瓷电容。相对于其他的稳压芯片来说，汽车类的专用稳压芯片具有很大的优势,不仅功能比较稳定，而且价格也比较便宜只需2元左右。通过查阅电子资料其典型应用如图3-4：图3-4 典型电路使用时需要注意的是：1：最小输入电压 VIN（VIN(MIN)必须满足两个条件：VIN 6.0V和VIN VOUT(MAX) + VDROPOUT(MAX)。2：VR是稳压器输出电压的标称值。3：负载稳定性的测量是在器件结温恒定时使用低占空比脉冲进行的。负载稳定性要在从1mA 到最大指定输出电流的整个范围内进行测试。4：最大允许电源功耗是环境温度、最大允许结温和结点到空气的热阻的函数。超过最大允许功耗会使器件结温超过165摄氏度的最大额定值。结温持续超过165摄氏度可能影响器件的可靠性。5：将器件在环境温度等于期望结温的环境中测试而获得近似结温。由于测试时间足够短，因此结温相对于环境温度的升高可以忽略不计。6：电压差定义为输出电压比其标称值降低2%时的输入输出电压差。施加的电压为VIN = VR + VDROPOUT(MAX)。7：结温持续超过 165摄氏度可能影响器件的可靠性。8：短路恢复时间测试是通过将器件置于短路条件，并在器件管芯温度达到125摄氏度前移除短路条件进行测试的。如果器件进入热关断，则短路恢复时间取决于封装和电路板的散热特性。9：TCVOUT = (VOUT-HIGH VOUT-LOW) *106 / (VR * 温度差)， VOUT-HIGH = 在整个温度范围内测得的最高电压。VOUT-LOW = 在整个温度范围内测得的最低电压。原理如下图3-5：图3-5 改进前电路由于只是提供了24V的直流电源，故而需要电源模块。图中电阻主要起到限流作用，二极管D1主要是单向导通来保护电源，TV1是雪崩二极管，主要用于吸收电路中的瞬态高压，C1、C3主要是用来蓄能和滤波作用的，C2、C4主要是滤波的作用和去抖动。电源芯片MCP1790是主要的电源装换器件，电路重要的功能是保证能够按照所需的电压稳定的输出。经过分析发现电路中还有一点缺陷，那就是没有考虑到电压的反向，由于发动机会有抛负载，电磁阀和继电器的动作都有可能造成反向电压，如果是电压反向加载的话，将会反向串流，烧坏电源，也有可能烧坏电路元器件，也因此这里还要做一点改进。并联两个电阻的阻值是100，与原来一样，这里主要是用来增加功率的，D02用于防止电机抛负载以及一些其他原因产生的反电动势。E01和E02的作用也是用来蓄能和滤波作用的。改进后的如图3-6：图3-6 改进后的电路后来由于一些原因我们选用的是NCV4264这块芯片，它的功能和MCP1790的功能是一致的，可以相互替换。具体使用的型号公司必须考虑到进货和成本的问题。3.6 信号输入模块信号的输入是对控制器发出的一系列的命令，电路采用简单的限流滤波去抖动电路以保证输入单片机的信号的有效和稳定。当信号输入端有信号输入时，另一端连接单片机的将信号输入单片机，通过软件来处理输入信号，经过功率放大芯片ULQ2003A放大之后输出，并做出相应的动作，实现它的控制功能。电路如图3-7：图3-7 信号输入信号的输入主要是为了提供信号使单片机控制电机的驱动，考虑到汽车里面很多的命令都是通过按钮来发出的。一般来说，汽车中的操纵端端都是由一些线束连出来进行控制的，线束的一端接的是信号控制端，另一端接的是单片机上的接口，也就是图3-8当中的H18，按钮一端接的+24V的直流电源，另一端接的是信号输入端。通过限流电路之后，信号输入单片机，从而实现人机配合，实现功能，这里的话由于实验条件的限制我们没有汽车里面的按钮，只能用按键来代替。信号输入电路的设计，主要是能够实现信号的传输，但是这里的话由于单片机的引脚最大只能承受5.5V的电压，所以我们这里必须设计一个分压电路，使单片机引脚上的电压保持在3-5V，这样的话才能保证单片机不被烧坏。+24V进来之后，首先是经过电路的两个电阻进行分流（R20、R21），之后再是经过R20与R22进行分压，保证输入是+5V的电压：U=24VR22/(R22+R21)=3V，这样的话就不会烧坏单片机，对于电阻阻值的大小我们不仅要考虑电压的情况，也要考虑到单片机灌电流的情况。R23主要起到限流作用。图3-8 H18信号和控制板的原理如3-9：图3-9 开关控制端按钮接+24V的原因：如果我们选用的是+5V的话，由于汽车电路复杂，很容易造成信号干扰，容易造成误操作：这里使用的是当输入端为高的时候，单片机接收并处理信号使继电器导通，而当输入的是低电平的时候，继电器是不会动作的。我们通常把低于0.4V的电压称为低电平，把3-5V的电压作为高电平，而在0.4V到3V之间的电平容易造成逻辑混乱。这样的话，当输入是0.4V电压的时候，本来是低电平的，由于电路中有磁感应现象，形成了2.5V（或者其他值）的电压，这样的话输入端的输入电压便是0.4V+2.5V了，这样的话这里的输入便不再是低电平了，这样的信号干扰容易造成误操作。如果接的是+24V的话，这样就没有那么容易造成干扰了，假设单片机定义的低电平是低于+8V，而高电平是高于+16V，这样假设产生了+5V的信号干扰，也不会那么容易造成误操作。况且汽车是用铅酸蓄电池供电的，他只能提供+24V的直流电压电源。3.7 控制电路控制电路是个重点也是个难点，它是电路板实现功能的关键。这里采用的是继电器开关式的控制电机转动，以此来实现对电机的驱动和控制，继电器联合MOS管结合的方法驱动直流电机的正反转，来进行玻璃窗的升降控制。3.7.1继电器的使用CMA51H-S-24V（汇港汽车继电器）是一款汽车专用继电器，是2010年汽车用继电器主推产品，它广泛用于中央门锁，车镜调整，转向灯控制，自动门窗，座椅调整，限速信号控制，预热控制等。其特性如下所示：（1）电流性质：直流（2）功率负载：大功率（3）直流电阻：960（）。（4）吸合电流：3.5（A）。（5）释放电流：35（A）。（6）额定工作频率：90（Hz）。（7）触点形式：常闭型。（8）额定电压：DC24（V）。（9）线圈功率：600M（W）。 （10）60A冲击负载电流，触点有大间隙：0.6mm，线圈功耗只有450mW。宏发继电器HFKW 024-1ZW(555)：特点：结构紧凑、重量轻，高电流容量（载流：35A/10min、25A/1h），85摄氏度时额定电流可达20A，可提供回流焊，较高的耐热能力和扩展的动作电压范围，符合RoHS、ELV指令。用于中央门锁、车经调整、转向灯控制、自动门锁、座椅调整、限速限号控制、预热控制、雨刮控制等。性能参数：触点形式：一组常开，一组转换；接触压降：典型值50mV，最大值250mV；最大通电电流：常开触点35A/min，常闭触电25A/1h；最大切换电流：35/20A；最大切换电压：60V；最大切换功率210W；最小负载：1A6V；机械耐久性：10000000次，300次每分钟：介质耐压:500V；动作时间：最大10ms；线圈动作电压：14.4V到180V（不同的温度条件下值是不同的）；释放电压：2.2V；线圈电阻960；触电材料：W：AgSnO，N：AgNiO15。经过公司的考虑最终我们选择的是宏发继电器HFKW 024-1ZW(555)，从成本上来说的话宏发继电器要便宜一点，公司考虑到成本的控制，这里选用的是宏发的继电器。继电器一个引脚和功放芯片的引脚相连接，当单片机给出一个信号时（低电平），经过功放芯片的功率放大（电流和电压P=UI），当继电器一端的引脚有一定的电流经过（也就是继电器线圈有电流经过，达到吸合电流的要求），继电器线圈得电，产生电磁吸力，从而使常闭触头断开，常开触头闭合，来实现对电机正反转的控制。继电器烧坏的原因：继电器烧坏的主要原因一般分为两种：一是继电器线圈的烧坏，二是继电器触点的烧坏。继电器线圈烧坏的原因主要是电流流过线圈时产生大量的热从而使继电器的线圈直接烧坏，但是这样的情况是不容易发生的，通常的继电器生产商都会考虑到这样的问题，所以继电器线圈往往能够承受较大的电流。大部分继电器都是触点被烧坏，当对继电器进行带电操作的时候，往往会容易造成电弧，这也就是我们所说的拉弧，它会产生大量的热从而导致触点熔焊，使它们粘连在一起，使继电器不能正常工作。一般情况下可以采用一些灭弧装置（栅片灭弧、磁吹灭弧、电动力灭弧），但是这里考虑到成本的原因，为了不增加外围电路我们没有使用灭弧装置，而是通过一定的时序操作联合MOS管来实现灭弧装置，但是当切断MOS管的时候，由于直流电机产生的反电动势，使继电器关断的时候会产生电弧，从而烧坏继电器的触电，这是需要改进的地方。采用+24V继电器的原因：由于汽车电路比较复杂，而其大部分电路是集中在汽车的前端，因而前端的电路中很容易就会互相干扰，容易引起电磁感应，电磁感应的强度到了一定程度，很有可能会使继电器等元件触发，从而引起一些误操作，降低了电路的稳定性和可靠性，甚至引起一些比较严重的故障，引发一定的危险。因而这里采用的是+24V的继电器，而不是+5V的继电器。3.7.2选用MOS管IRF3205MOS管的源和漏是可以对调的，他们都是在P型中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。当MOS电容的栅极相对于衬底正偏置时。穿过的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为inversion，反转的硅层叫做沟道。随着电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，沟道变成了强反转。沟道形成时的电压被称为阈值电压Vt。当电压差小于阈值电压时，不会形成沟道。所以MOS是电压控制型器件。简单的说它是通过沟道来实现电路的通断，以达到控制电路的目的，具有实时控制开关的作用。外观如图3-10图3-10 MOS管外观IRF3205是国际镇流器公司的功率金属氧化物半导体场效应晶体管，利用先进的处理技术达到每个硅片极低的导通阻抗。这样有益于结合高速的开关和可靠性。耐压50v，过电流90A。我们用它来实现电路的控制和护功能。当电路中出现过大的电流我们便使用IRF3205来切断电流，当然他最重要的功能在于对继电器的保护（后面做详细介绍），与继电器相比，MOS管耐电流而不耐电压，同时能够实现双开关的控制。MOS管烧坏的原因：GS耐压不够高是主要原因，另外DS间导通时电流过大也容易烧MOS管。耐流不耐压的特性也是限制其使用的一个重要的原因。3.7.3三极管的使用为了实现对MOS打开和关断的控制，必须在MOS管的控制端对其进行控制，这里选用了三极管，由三极管的导通与否来控制MOS管控制端的得电和失电，即MOS的打开和关断。如果不使用三极管的话，直接使用单片机连接MOS管的话是不行的，因为单片机的驱动能力是有限的，有可能单片机电压直接被拉低，MOS管也不能够完全导通，致使MOS管沟道电流子太少，电流太小压降较大。当通过较大的电流的时候，很容易就会发热，而使MOS不能正常工作。而三极管的基极接单片机，通过软件来实现三极管的通断，从而能够实现对电路通断的控制。选用的是KTA1504S这款三极管，实现对电路的双开关控制。外形如图3-11：:图3-11 三极管外观和引脚它的最大额定值如下：集电极基极电压V为50 V；集电极发射极电压V 为50 V；发射极基极电压V为-5 V；集电极电流I为-150毫安；基极电流I为-30毫安集电极耗散功率P 150毫瓦；它的电气特性：集电极截止电流ICBO=-0.1A；发射极截止关闭电流I=-0.1A；直流电流增益h=70到400；集电极发射极饱和电压V=-0.1到-0.3 V；因为我们只是需要它的开关功能，也就是说需要知道它的导通和关闭情况用它来控制MOS管的导通，而不是用它来进行放大信号，这样的话它的电器特性就没有那么重要了，只需要参考一下就可以了。3.7.4达林顿管ULQ2003A的使用使用功放芯片的原因：首先单片机的引脚无法提供+24V的电压，驱动能力不够，这样的话是不能对继电器进行控制的，继电器会一直处于得电状态；其次是因为单片机的I/O口的最大的灌电流是25mA，最大驱动电流是20mA，而继电器的吸合电流是0.5A，相比这下差得太远，这样的话单片机是没办法对继电器进行控制的。而且0.5A的电流灌进I/O口的话，单片机是承受不了的。所以这里必须使用一个集成功放，来提供驱动电流和电压，从而实现对继电器失电和得电的控制，实现电路中电机正方转的控制，达到预期的功能。引脚如图3-12（可以是贴装的也有DIP封装的，这里用DIP封装表示比较清楚，公司的话使用的是贴装的）：图3-12 ULQ2003A的引脚最大额定值：输出电压最大50 V，输入的电压最大额定值30 V，连续集电极电流500毫安，连续基地电流25毫安，工作环境温度范围-40至105C，储藏温度范围-55至150C。内部电路如图3-13：图3-13 ULQ2003A内部结构当输入端给出一个低电平的时候，一级三极管基极不得电而工作在截至状态，同时由于一级三极管的截至导致了二级三极管也是截止的，这样的话COM口所接的+24V的电压直接接在了输出端，输出端是接在继电器线圈的一端的，这个时候线圈的两端都是+24V电压，线圈没有电流经过不会动作。当输入端输入的是高电平的话，基极有了电压，这样的三极管便导通了，同样的第二级三极管也导通了，这样的话直接将COM口上的电平拉低了，输出端便成了低电平，这样的话，线圈两端有了压降形成电流，使继电器动作，从而实现对继电器通断的控制，实现相应的功能。它是一个反相功放芯片，也就是说当输入端输入的是高电平的时候，输出端输出的是低电平，当输入端输入的是低电平的时候，输出端输出的是高电平。这里的COM口接的是+24V的直流电源，也就是说当单片机的引脚信号是低电平的时候，接入继电器的是高电平，也就是+24V，这个时候继电器线圈的两端都是+24V形成一个等势体，线圈内没有电流经过，没有产生吸力，继电器不得电。只有当单片机相应的引脚输出的是高电平的时候，经过反相放大，输入到继电器的则是低电平信号，这样的话，就会有电流流经继电器线圈，继电器得电，产生吸力使继电器的常开触头闭合，从而达到对电路的控制，实现电机的正反转，控制汽车门窗玻璃的升降。3.7.5测量电路原理为了是电路中能实现防夹和防堵转，这里必须有一个测量电路，来实时检测电路中的电流。根据TI，我们知道：当负载增加时（即堵转和夹住人的肢体时），相应的电流也会增加。我们通过一个10m（康铜丝电阻）的精密电阻，来测量电路中电流的变化情况。康铜是以铜镍为主要成份的电阻合金，主要特点：具有较低的电阻温度系数，较宽的使用温度范围（480以下），加工性能良好，具有良好的焊接性能。主要用于制作仪器仪表，电子以及工业设备中的电子元件。此外还有一种新康铜电阻合金，为铜铁基同合金，它具有与康铜一样的电阻率，基本相近似的电阻温度系数，和相同的使用温度。新康铜与康铜电阻合金相比由于不含价格较高的镍，而具有低价格的优胜，但抗氧化性能比康铜差。在比较多的方面能够替代康铜丝电阻合金。在稳压电源设计中作用：过流保护，测试负载电流。测量原理图如下：图3-14 测量电路将康铜电阻连接在MOS管的下端，实现电机主回路的连通，这样便可以测量电机回路中的电流了。左端T-Test2检测康铜电阻的电压，它连接单片机的模拟信号输入端（AD转换模块）输入的是康铜电阻两端的电压信息（前面接了一个限流电阻保护单片机防止烧坏单片机），经过公式I=U/R计算得出流经康铜电阻的电流。利用软件将模拟信号转换成数字信号，并对其进行实时监控。从而实现功能和保护电路。电路的右边用于稳压和滤波，以保证输入单片机信号的稳定和可靠。PIC单片机的优势在于，能够通过寄存器的初始化和一些必要的设置，可以使用内部自带的模块，这都是8051单片机里面没有的功能，这里便是使用到了A/D转换模块。康铜电阻的使用，这里主要考虑到的是他的成本和功效，市场上有着比康铜电阻更加好更加精密更加稳定的精密电阻，但是在淘宝网上查看之后发现这些电阻的价格都是比较高的，这里的要求也没有那么高那么精密所以我没有选择更加好的精密电阻。我一开始的想法是使用电流传感器ACS713来测量电路中的电流，但是这样的话电路中的外围电路相比康铜电阻的要复杂，而且芯片本身也比康铜电阻要贵，成本上会有所增加。同样的如果使用霍尔电流传感器的话也是不划算的，至于互感电流传感器的话不选择它主要是因为它的精度问题和使用环境以及它的成本问题，经过筛选我最终选择的是康铜电阻。图3-15 ACS713康铜电阻阻值大小的选择也是我们必须要考虑的，我们这里使用了单片机的A/D模块，就必须根据A/D模块的特性来选择电阻的阻值：一般来说A/D模块的正参考电压为+5V、负参考电压为0V。在这个范围内单片机能够进行模数转换，并且内部能够使用软件对输入信号进行放大，他的分辨率为（5V-0V）/2，这样的话需要测试电阻的电压不能超过+5V，我们对康通电阻的阻值便有了要求：由电路中能够达到10A的电流，如果康铜丝的电阻过大的话，根据欧姆定律，输入AD模块的电压太大超过了使用范围，这样的设计是不合理的，这里选用的是10m的康铜丝，这样的话最大电压：U=IR=10A0.01=0.1V，经过单片机软件的设置，也就是电压采样放大倍数的处理，这样的话电压便符合了A/D模块的要求。但是现在的话也遇到了一个问题那就是，由于在制造电路板的时候用的是回流焊和波峰焊的结合。焊完贴片元器件（SMT）后，在焊接通孔元器件（THT），由于焊接工人的原因拱形的康铜电阻放入通孔的长度和位置不能保持一致性，因而电阻会有所不同，本来应该是10m的实际上可能只有8、9m，这样的话对电路的精确性造成了一定的影响。发现这个问题后开始的第一想法就是从硬件上来解决这个问题，硬件上的话我想到的两个方案：一是用其他的精密电阻来代替康铜电阻（最好能用贴片封装的），二是采用栅形的康铜电阻。但是无论采用哪种方案都将会增加成本，对于企业来说这是不可接受的。现在的话可以从生产制造上来想办法，希望制造的时候能够按照严格的要求来制造，但是同样也是不太能够实现的毕竟是手工的操作，我们这里的话只能提高设计系统的自适应性，来适应这样的阻值变化的情况。3.7.6驱动控制电路原理图（左、右）如图3-16和3-18：图3-16 右控制电路控制原理：为了能够实现实时对玻璃窗的升降控制，我们这里联合继电器和MOS 管来实现电路的控制，以达到对电机的控制实现功能。当RY2继电器中接芯片ULQ2003A（达林顿管）的引脚接收到电平信号（低电平）时，继电器线圈得电，继电器常闭触头断开，常开触头闭合，继电器接通+24V电源，电动机得电正转玻璃窗上升。当继电器引脚没有电平信号时继电器复位，电机断电停止转动。当RY4继电器中接功放芯片ULQ2003A的引脚接收到电平信号（低电平）时，继电器线圈得电，继电器常闭触头断开，常开触头闭合，继电器接通+24V电源，电动机得电反转玻璃窗下降。当继电器引脚没有电平信号时继电器复位，电机断电停止转动。这样便可以控制电机的正反转。但是这样的控制也会遇到一个比较大的问题继电器很容易烧坏。原因是因为继电器CMA51H-S-24VDC耐压而不耐流，带电操作的时候很容易造成拉弧，使触点烧坏。为了解决这个问题我们采用了一个MOS管IRF3205用来通断电路，但这里必须有一个严格的时序控制才能实现，MOS管在继电器上电后接通，在继电器断电前断开，同时用一个三极管来实现MOS管的通断控制，从而实现单片机实时对电机电路的通断控制。这就是前面所说的：继电器联合MOS管结合的方法驱动直流电机。原理如下：但继电器RY2线圈得电导通后常开触头闭合，常闭触头断开，使电机接通+24V的直流电源，但是此时由于MOS管未接通，故而不能形成回路，因而电路中没有电流，电机不能转动。只有当三极管KTA1504S导通后（基极给了一个低电平后），MOS管上电导通，才能使整个电路形成回路，整个电路才能导通，电机才能转动，电机正转，窗玻璃上升，实现对电机的控制。继电器RY4，对电机反转的控制也是同样的。左右两边的控制电路都是一样的，单一的从硬件上来说都是一样的，但是这样却又比较难的逻辑问题，也就是左右两边的控制权问题。一般来说，国产的汽车都是以左边为主的，也就是说我们希望的是左边具有优先权，左边能够实现对右边玻璃窗升降的控制，这块主要是软件上需要攻克的问题，这里主要的硬件方面得设计和改进。对于继电器盒MOS管的结合，这里有严格的时序问题，时序的具体时间需要通过测试才能得出，时序如图3-17：图3-17 继电器盒MOS管时序图图中RY1和RY2表示的是同一个控制电路中的两个继电器，MOS则表示MOS管，KTA表示的是三极管KTA1504S。不考虑时序问题的话很容易烧继电器，如果MOS管在继电器之前接通，那么继电器直接得电吸合，这样的话由于接的是+24V的直流电源，触电动作容易产生电弧，直接会烧坏继电器的触点。如果是采用其他的装置来灭弧的话成本会有所增加，考虑成本的原因，这里只需要一个严格的时序就可以实现灭弧的功能了，节约了一定的成本，同时也达到了灭弧的目的。图3-18 左控制电路4 控制驱动电路的测试和改进4.1 MATLAB-IDE的安装和使用MATLAB-IDE是美国微芯公司（Microchip）为了客户使用而专门开发的一款免费软件。MPLAB 集成开发环境（IDE）是一个综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于Microchip PIC micro和dsPIC 单片机进行嵌入式设计的应用开发，可以到微芯官方网站去下载（如图4-1）。由于它是免费的，对我们学生来说也是很方便的，既不用花钱又不需要使用盗版和破解，但是由于它只能编译汇编语言，通常的话我们还需要安装一个C语言的编译器，通常使用较多的是PICC这款编译器，这样的话我们就能够在MAPLAB里面写C语言的程序了。通常来说现在业内用的最多的程序语言是C，它具有一定的优势，通俗易懂，不像汇编语言需要记下那么多的指令，虽然PIC单片机使用的是精简指令集，但是很多的使用者都是采用C语言编程。有一点比较麻烦的是，PICC我们通常安装的是盗版的需要破解之后才能使用。由于是盗版软件的原因，装软件的时候一定要注意细节上的东西，同时也要找对版本，不然的话安装起来非常的吃力。图4-1 MAPLAB界面MAPLAB的使用：1、首先是建立一个工程（project），可以自己新建也可以使用工程向导新建一个工程，在新建工程的过程中我们需要选择你所使用的芯片，这里选择的是PIC16F1508(注意：最好安装较为高的MAPLAB版本，因为较低的版本有可能不能使用PICkit3程序烧写器，也没有PIC16F1508这块单片机)，将建立好的工程保存。2、这样之后就可以新建一个文件了，新建之后将文件保存为*.C的文件格式，一定要是.C为后缀的文件，不然的话编译会失败的。3、写完自己的程序之后就是对程序的编译、调适和修改了，调适的具体步骤主要是对自己的程序进行检查看能不能编译成功，这里不做详细的说明。4、将编译好的程序通过PICkit3烧写到单片机里面。4.2 程序烧写器PICkit3的使用PICkit3程序烧写器主要是用来程序的烧写和调适，它首先要要与PC机进行联机，一般采用USB接口与电脑进行连接，它的另一端需要同目标板进行连接通信，一般的电路板中都会留有一个5个引脚的程序调试口，同时还需要运行MAPLAB-IDE，这样的话才能够符合PICkit3的使用环境，才能够向目标单片机进行程序的写入。图注：1-挂绳连接2-USB端口连接3-引脚1标记4-编程连接器5-状态LED6-按钮（将来使用）图4-2 PICkit3外观引脚指示引脚说明：1-Vpp/MCLR2-目标器件的VDD3-Vss（地）4-ICSPDAT/PGD5-ICSPCLK/PGC6-LVP图4-3 PICkit3的引脚它的使用方法是：1、首先是运行MAPLAB软件，建立一个工程项目（可以通过工程向导来建立），设置好使用的单片机的型号，保存之后是简历一个新文件保存为C语言的格式。这样的话有利于我们初学者的编程，检查错误之后，对程序进行编译，使它生成一个后缀名为HEX的文件，这样的话才能进行后续的操作。2、是连接好PICkit3，注意他的五个脚的分别代表的是什么（见上图），千万不能混淆，不然的话没办法使用，使用USB同电脑进行连接，另一端由于是点触式连接，我们暂时不需要连接，只有当需要下载程序的时候才需要手动将其连接（只需要简单的点触式连接，但是通信的时候是不能中断的！）3、之后是对软件MAPLAB进行设置，选择使用PICkit3程序烧写器，选择DebuggerSelect ToolPICkit3 来选择PICkit3 编程器/ 调试器作为调试工具。一旦选择了这个工具，Programmer（编程器）菜单和MPLAB IDE 工具栏会有相应的变化以显示编程器选项。同时，将会打开Output 窗口，且PICkit3 选项卡上将会显示关于PICkit3 状态和通信的消息。4、之后就是对程序进行下载了，这个时候需要将烧写器的另一端与电路板进行连接了。PICkit3 Debug Express 工具包与MPLAB IDE 应用程序配合使用来运行、停止和单步执行程序。可设置一个或多个断点，也可以复位处理器。 处理器停止后，可检查和修改寄存器的内容。需要注意的是状态LED三个灯分别代表的是：1. 电源（绿色）PICkit3 已通过USB 端口上电。2. 活动（蓝色）PICkit3 已连接到PC USB 端口且通信链路是活动的。3. 状态：忙（黄色）PICkit3 正忙于处理某个功能，例如编程。错误（红色）PICkit3 遇到错误。初步的学会了PICkit3的使用，它还有一些其他的功能，对程序故障的检查等我们这里涉及得比较少，主要是通过MAPLAB-IDE对程序进行检查，往往简单的程序是用不到PICkit3与MAPLAB进行联合使用的。4.3 续流回路及电路的测试在电路中我们使用的是通过单片机对三极管的关断来切断MOS管，断开继电器的，这样的话是先断开电路再断开继电器的，而不是继电器断开后再断开电路的。由于有电机的存在，断开的瞬间会产生电磁感应，这样的话会产生电动势，当电动势产生的电流经过继电器的触点的时候，继电器触电动作后会产生电弧烧坏继电器。这样的话我们只能先将电机里面的能量放掉。这里想到了两个方案：一是通过搭接不流过继电器的回路，然后利用电机线圈来自耗掉这些能量；二是采用不流过继电器的回路，然后外接一个功耗电阻来消耗这部分能量。首先选用的是第一个方案，刚开始的时候经过测试发现续流电路能够起到一定的作用，但是时间久了后发现电机容易发热，经过分析发现：由于反电动势比较大，续流回路中没有功耗电阻，这样的话电机会发热，不利于电机的使用寿命，同时也有可能过热而烧坏电机。可以考虑接个功耗电阻，这样的话，可以利用功耗电阻（Q=IRt）来消耗电路中的能量。经过改进之后的原理如图4-4和4-6：图4-4 改进后的左控制电路经过改进后这里确定选用了宏发继电器和一些其他的元器件，同时增加了两个续流二极管，形成回路来消耗电机里面的能量左路和右路的硬件上没有区别都是一致的，这里不再贴右窗控制电路。原理如下：当窗玻璃达到顶端或者是底部的时候，需要切断电路让电机停转。对电路的切断首先是切断三极管使MOS管切断，之后是切断继电器，由于切断了MOS管这里继电器再动作的时候，触点处就不会产生电弧了，可以安全的切断。但是这个时候由于电机的突然断电，会产生感应电动势，楞次定律可以知道这个感应电动势要阻止电机电流的减小，所以方向还是原来的方向，这个时候如果继电器再动作的话（操作人员发出信号）继电器触电又会产生电弧。因此这里现需要将这部分的能量消耗掉，将其在一定的时间内衰减掉，在软件上需要采取延时程序来等能量衰减掉之后再进行其他的操作。在电路中接上两个二极管，当电机被切断的瞬间产生的感应电动势，它会优先流过续流二极管，然后电流流经电机的线圈，使线圈内部的电阻来消耗这部分能量，由于电机线圈只有2.5，这样的话电机线圈也容易发热，不利于电机的使用，可以考虑在二极管两端加上一个功耗电阻来消耗这部分多余的能量。至于电阻的大小，需要经过试验来查找出最适合的阻值。经过续流二极管的处理反电动势已经没有了，如果这个时候继电器再去动作的话，就不会产生电弧了，至少这样的改进会使继电器的工作稳定很多，提高了它的稳定性。但是这样的话也出现了一个问题，经过公司的实验发现，当加上一个功耗电阻之后，功耗时间（衰减时间）会有所增加，这样对电路的敏感性会减小，不利于后续的操作，这个问题有待于解决。电路板如图4-5：图4-5 回流二极管电流图4-6 改进后的右控制电路同时由于我们在断电的时候是切断了电路中的MOS管，这样的话在断电之后，产生感应电动势的时候，康铜电阻检测电路是没有工作的，这个时候便没有对电路中的电流进行实时的检测了，也就不能够准确的知道电路中的感应电动势的衰减时间了，只能够不断的试验得出一个大概的衰减时间，通过这个时间来设置需要的延时时间。这里也想到一个办法，那就是将康铜电阻接到电机临近处，这样的话就能够在断路的同时对电路的电流进行监测。同样这个方案也遇到了问题，那就是：原来的电路中康铜电阻的一端是接地的，这样的话只需要测量一端就能够检测出电路的电流了，但是由于改进的电路中康铜电阻的两端都带有电压，这样的话需要同时测量电阻两端的电压，然后经过比较计算才能够得出流经康铜电阻的电流，也就是电路中流过的电流，但是这样的话需要增加外围电路，同样我们从成本上来考虑的话是不划算的，增加了一定的成本。这里的话我的分析不一定十分准确，但是加上这个续流二极管之后，继电器电路工作的稳定性确实有了很大的提高，原来不加的话继电器上会有电火花（柳汽测试的时候），加上之后有了很大的改观。4.4 各个功能模块的测试1、是电源模块，这个模块的主要是实现电源电压的转化，由+24V到+5V的转化，主要是通过利用万用表来测试。主要电路板如图4-7：图4-7 供应商制作的电路板2、是信号输入控制板模块如图4-8，这个模块就是一个开关信号的输入，比较简单。图4-8 开关控制板3、控制模块，这个模块的测试是比较复杂的。首先是是对电机正常工作的时候的测试图4-9和4-10，如图所示的波形变化：图4-9 电机正常工作波形图4-10电机没有上电时波形其次是电机停止的那一瞬间的情况图4-11：当电机突然被切断的时候，电机的线圈将会产生反电动势，根据楞次定律我们可以知道，它是要阻止电流的减小的，这样的话电路中就会产生同向的电流，经过一定的时间它才会消逝，但是具体是什么时间这里通过测试我们可以读出来，在前面设计的回流电路中这个时间是需要我们考虑的，同时在设置继电器盒MOS管的时序的时候这个衰减时间我们也是需要考虑的。通过多次测试我们可以得出一个可靠的范围，这样的话对我们的设计是比较方便的。图4-11电机停止瞬间的波形4.5 演示部分经过测试模块之间都能够按照要求得出相应的结论，这样说明该系统的硬件设计和软件设计都比较成功，理论上都能够成功的实现相应的功能。这里主要是对硬件电路的演示，更加直观的表达出它的功能的实现。1、是玻璃窗的升降的控制。这里的话主要是能够实现对玻璃窗的升降的控制，为了直观的表示出它的具体情况，我把它的操作过程表示为如下图4-122、是堵转的时候的情况。当汽车的玻璃窗处于堵转或者夹住人的时候如图4-13，这样的情况下，由于电路中的电流会根据负载的增加而增大，这样的话通过监测电路中的电流，我们可以判断出这样的情况，从而使电机停转，实现保护。但是由于电流的阀值需要经过不同环境的测试，有可能在玻璃窗停止上升后，单片机判断不出来这是堵转或者是夹住人的情况，这里的阀值还需要改进。图4-12玻璃窗的升降控制图4-13 堵转的测试5 汽车玻璃窗的构架5.1 汽车玻璃窗的机械构造汽车玻璃窗的构架主要是用来支撑汽车玻璃的作用，采用的是如图5-1结构：图5-1 玻璃窗机械构架两侧通过螺钉固定在车门上，而中间交给是用来安装玻璃用的，通过两侧的钢丝拖动使其按照要求上下运动，从而实现窗玻璃的升降控制，四脚上有各有一个定滑轮，以便于港式的滑动。5.2 电机的使用这里采用的是24V直流电机，具有较大的功率，能够承受10A的电流，外形结构如图5-2所示：图5-2 电机外观首先，由于电机需要拖动汽车玻璃窗的升降，它的性能是比较好的。其次、目前很多的电机都有电机自带的保护措施，这款电机内部也有自我保护的设置，内部有类似于热继电器内部的双金属片，由两种膨胀系数不同的金属片经过机械碾压而成，电路中有电流通过，由于电阻的原因，将会产生热量，当热量达到一定的程度的时候，双金属片由于两边的热膨胀系数不一样，双金属片将会弯曲，这样的话到了一定的程度，将会切断电路，进行自我保护。但是我们通常是不想让这样的情况出现的，因为机械的保护措施比较容易降低电机的使用寿命，而且它的自我保护次数也只有800次左右，不能够依靠这个来进行保护，我们可以从软件上或者是硬件电路上对电路进行保护，这样的话对电机的可靠性和使用寿命都是有利的。电机的转轴转速是比较快的，需要经过减速处理，才能够进行传动，如果不经过减速处理的话，玻璃的速度过快，一是容易造成事故不安全，二是不好控制。减速可以使用齿轮减速，但是它的传动比太小，如果需要经过多级减速的话会造成空间上的占用和重量的增加，站在公司的角度的来说这样也会增加成本，采用链传动的话也不太现实，可靠性不够，这里采用的是如下图的蜗轮蜗杆传动如图5-3，它不仅能够保证较大的传动比，而且它同时啮合的齿轮对多，因而冲击载荷小、传动平稳噪声低，同时由于蜗轮蜗杆的特性它具有自锁性。电机经过蜗轮蜗杆减速后，带动塑料轮，塑料轮上绕着的钢丝随着它的转动而进行拖动，最终控制窗玻璃的升降。图5-3 蜗轮蜗杆结