汽车雨刷电动机控制器的设计王栋

哈哈 尔尔 滨滨 理理 工工 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 汽车自动雨刷控制系统的设计汽车自动雨刷控制系统的设计 院 院 系系 电机与电器电机与电器 09 109 1 班班 姓姓 名名 王栋王栋 指导教师指导教师 王哈力王哈力 系系 主主 任任 王哈力王哈力 20122012 年年 5 5 月月 2020 日日 汽车自动雨刷控制系统的设计汽车自动雨刷控制系统的设计 摘摘 要要 本设计主要完成以传感器作为检测器并通过软件的设计实现适时地对 雨刷电机的转停 正转及反转 从而实现对汽车雨刷的自动控制 这次设 计是传感器技术和现代控制技术在在汽车制造业中的应用 并且设计中运 用步进电机代替传统的雨刷电机 通过传感器检测到的雨量大小的信号 把信号输入单片机 AT89C2051 中通过程序控制步进电机的启动 电机转动 速度及正反转时间 设计中运用 TA8435H 作为步进电机的驱动芯片 其是 脉宽调制式斩波驱动方式 这样能克服步进电机在低频工作时 会有振动 大 噪声大的缺点 此设计能免去驾驶员对雨刷的反复操作 提高了驾驶 的安全性和舒适性 减少由于驾驶员对雨刷操作带来的交通事故 也大大 提高了汽车雨刷运行的可靠度 关键词关键词 汽车自动雨刷控制系统 单片机 传感器 步进电机 I Car to be automatic Sheffield the design of control system Abstract This design main complete with sensors as detector and through the design of the software to realize at the Sheffield motor ZhuanTing are turning and reverse so as to realize the automatic control of car windshield wipers This design is the sensor technology and modern control technology in the application in automobile manufacturing industry and design using the stepping motor instead of traditional yushua electrical through the sensor to the size of the rainfall signal and single chip microcomputer AT89C2051 signal input by process control the step motor start motor rotation speed and positive Single chip microcomputer Sensors Stepping motor 目录目录 摘 要 I Abstract II 前 言 1 第一章 汽车自动雨刷控制系统总体设计 2 1 1 汽车自动雨刷控制系统的设计思路 2 1 2 方案的选择设计与原理方框图 2 1 2 1 控制方案比较 2 1 2 2 原理方框图 4 1 3 汽车自动雨刷控制系统的主要特点 5 第二章 汽车雨刷电动机工作原理 6 2 1 电机控制电路分析与设计 6 2 2 步进电机的基本原理及特点 6 2 3 步进电机驱动芯片 7 第三章 控制系统的硬件设计 10 3 1 电源电路的设计与分析 10 3 2 中央控制器 AT89C2051 11 3 2 1 AT89C2051 的特点 12 3 2 2 AT89C2051 的管角说明 12 3 3 步进电与驱动芯片连接电路设计 14 3 4 复位电路的设计 14 3 4 1 单片机复位电路基本原理及特点 14 3 5 时钟电路的设计与工作原理分析 15 3 5 1 时钟电路的设计 15 3 6 检测电路的设计与分析 16 3 6 1 雨水传感器工作原理 17 3 6 2 硬件设计与实现 18 第四章 汽车自动雨刷控制系统的安装与调试 20 4 1 电路图的绘制与 PCB 板的制作 20 4 1 1 电路图的绘制 20 4 1 2 PCB 板的制作 20 4 2 元件的识辩与检测 21 4 3 系统功能调试 21 总结 22 致 谢 23 参考文献 24 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 0 前 言 在汽车制造业飞速发展的今天 汽车中已经安装了越来越多的自动控 制系统增加主动和被动安全性 据统计 全世界雨天行车有 7 的事故是 由于驾驶员手动操作雨刷引起的 所以 一种具有极高可靠性能的汽车自 动雨刷控制系统显的非常的重要 汽车自动雨刷控制系统使驾驶员免除手 动操作雨刷的麻烦 有效地提高了雨天行车的安全性和雨刷的可靠度 国 内外许多汽车厂商研制以雨水传感器为基础的汽车自动雨刷控制系统 来 代替传统的机械结构的雨刮器 但不是价格昂贵就是系统不完善 现在开 发的汽车雨刷控制系统中 将雨滴传感器检出的雨水强度实成时测量值变 电信号 根据电信号的大小 自动设定雨刮器工作的时间间隔 控制雨刮 器动作 目前市场上的雨水传感器大都是依据以下三种工作原理制成的 利用压电振子的传感器 利用静电电容的传感器 利用光强变化的传感器 与控制器相连接 控制雨刷电机的工作 第一种和第二种是要把雨水传感 器安装在汽车的外面 雨滴直接滴在传感器上 第三种把雨水传感器安装 在风挡玻璃驾驶室上 第三种把雨水传感器安装在风挡玻璃驾驶室一侧 通过雨滴滴落在玻璃上引起反射光强的变化感应传感器 本次设计的汽车自动雨刷控制系统是基于 AT89C2051 单片机 汽车雨 量传感器和雨刷电机并通过软硬件的设计综合实现的 而且本系统中采用 步进电机取代传统的雨刷电机 传统雨刷电机为直流电机 目的是运用 步进电机控制精度高等特点 使系统更加的稳定可靠 本次设计也综合应 用之前学校所学的单片机 微机控制 电路设计 电机拖动等方面的知识 进一步了巩固我们的本专业知识 考虑到设计成本 设计运用的这些材料 相对于其他同类产品价格非常底 此次设计中我们采用了单片机系统的微 处理器 AT89C2051 芯片 TA8435H 步进电机驱动芯片等硬件 而且它们具 有集成化 智能化 高精度 高性能 高可靠性和低价格等优点 所以汽 车自动雨刷控制系统是个值得推广的一种方法 且具有很好的市场推广价 值 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 1 第一章 汽车自动雨刷控制系统总体设计 本章重点产阐述汽车自动雨刷控制系统的设计思路 控制方案的比较 设计电路的原理框图以及本次设计系统的主要特点 1 1 汽车自动雨刷控制系统的设计思路 本次设计的设计思路是 运用汽车雨量传感器对环境雨量大小的检测 把信号输单片机系统 通过程序控制步进电机根据相应的环境做出不同的 转动 比如当小雨时 雨刮器自动工作在小雨运行方案 雨刷电机转动一 个来回后停止 10s 后继续运行 当中大雨时 雨刮器自动工作在中大雨 运行方案 雨刷电机转动一个来回后停止 5s 后继续运行 当大雨时 雨 刮器自动工作在大雨运行方案 雨刷电机转动一个来回后继续运行 设 计中单片机运用 AT89C2051 步进电机用 TA8435H 进行驱动 1 2 方案的选择设计与原理方框图 本系统主要由电源电路 驱动电路 中央处理单元等组成 系统中 所用的单片机为 AT89C2051 单片机 其是一种性能优良的集成可编程的 单片机 其功能的强大 它把 CPU 存储器 及 I O 集成到一个芯片上 只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统 步进电机运用 细分发进行控制 这样可以使电机工作更稳定 并通过编程实现对汽车 雨刷的控制 通过这些可以降低设计出来的产品的硬件成本和提高系统 的稳定性 1 2 1 控制方案比较 设计中运用的单片机为 AT89C2051 它的指令集和引脚结构与 INTEL 公司的 MCS 51 系列单片机高度兼容 加上我们也学习过该类型的单片机 应用相对顺手 在传统的雨刷电机中大多采用直流电机 但综合考虑 采 用了步进电机作为雨刷电极 设计中键盘 电机驱动芯片的也需要做出合 理的选择 下面对几种主要器件进行比较 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 2 1 AT89C1051 AT89C2051 的比较选择 AT89C1051 是一种带 1K 字节闪速可编程可擦除只读存储器 FLASH ROM 的 低电压 高性能 CMOS 8 位微控制器 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 的指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C1051 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统应用提供了一种 灵活性高且价廉的解决方案 AT89C1051 有以下特点 1k 字节 EPROM 64 字节 RAM 15 根 I O 线 2 个 16 位定时 计数器 5 个向量二级中断结构 1 个全双向的串行口 并且内含精密模拟比较器和片内振荡器 具有 4 25V 至 5 5V 的电压工作范围和 12MHz 24MHz 工作频率 同时还具有加密 阵列的二级程序存储器加锁 掉电和时钟电路等 由上可知 为了降低难度 增加系统的可靠性与稳定性 因为在贵阳 的电子城中 AT89C2051 容易购买 所以选用了 AT89C2051 2 电机的选择 本设计中运用步进电机代替传统的雨刷电极 传统的雨刷电机为直流 电机 其相比传统雨刷具有控制灵活 精度高等优点 因为其是纯粹的数 字控制电动机 它将电脉冲信号转变为角位移 即给一个脉冲 步进电机 就转一个角度 因此非常合适单片机控制 在非超载的情况下 电机的转 速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影 响 电机则转过一个步距角 同时步进电机只有周期性的无累积误差 精 度高 在性能上相比步进电机很适合做雨刷电机 且在价格方面步进电机也 很便宜 市场供货也很多 所以设计中采用步进电机 根据汽车雨刷条件 选用 12V 的四相六线制步进 其也可以作为两相电机使用 其内部结构如 图 1 3 图 1 3 四相六线制步进原理图 3 电动机驱动芯片的选择 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 3 根据设计要求 本设计的核心部分就是对步进电动机进行控制 最 常用的是脉宽调制式斩波驱动方式 大多数专用的步进电机驱动芯片都 采用这种驱动方式调速控制 TA8435H 和 L298 都是比较常用 性能比较 稳定可靠的集成有桥式电路的电机专用芯片 TA8435 是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片 TA8435 主要由 1 个解码器 2 个桥式驱动电路 2 个输出电流控制电路 2 个最大电流限制电路 1 个斩波器等功能模块组成 工作电压范围宽 10 40V L298 是 ST 公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯 片 它驱动的电压可达到 46V 单个桥直流电流可达到 2A 具有两个使 能控制端口 分别控制两个电机的启动和制动 它可以外接电阻 把变 化量反馈给控制电路 其外 L298 的两个桥式电路还可以并联起来驱动 一个直流电动机 直流电流可达到 4A 4 雨量传感器选择 目前市场上的雨水传感器大都是依据以下三种工作原理制成的 利 用压电振子的传感器 利用静电电容的传感器 利用光强变化的传感器 第一种和第二种是要把雨水传感器安装在汽车的外面 雨滴直接滴在传 感器上 第三种把雨水传感器安装在风挡玻璃驾驶室一侧 通过雨滴滴 落在玻璃上引起反射光强的变化感应传感器 相比较各类雨水传感器的 性能和价格 设计中采用的是第三种方案的雨量传感器 其是基于光强 变化的原理 提出了一种新的红外线雨水传感器 1 2 2 原理方框图 该系统主要由控制单元 检测部分 驱动部分和接口单元电路等 组成 其结构框图如图 1 4 所示 电源电路 传感器 时钟电路 复位电路 单片机 步进电机驱动芯片 步进电机 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 4 图 1 4 汽车自动雨刷控制系统结构框图 1 3 汽车自动雨刷控制系统的主要特点 基于单片机 AT89C2051 对步进电机控制制作型的汽车控制系统的主要 特点有 本设计运用步进电机取代传统的雨刷电机 从而使控制精度增加 响应速度快 抗干扰能力强 外围电路简单易懂 运用单片机控制系统 程序固化了 使系统更加稳定 雨水感应式自动雨刷控制系统使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦 有效地提高了雨天行车的安全性 设计中运用元件价格便宜 适合推广使用 因为整个系统可集成在一个芯片上 因此体积小 功耗低 通过以上方案的分析 就可以知道单片机技术是现代电子设计的发展的重 要部分 采用单片机 AT89C2051 和步进电机的结合的汽车自动雨刷控制系 统的设计方案 无论是在性能 特点 还是原理图上 或者是在电路设计 上 材料选用上都具有简单 使用性强等优点 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 5 第二章 汽车雨刷电动机工作原理 2 1 电机控制电路分析与设计 本设计运用步进电取代了传统的雨刷电机 步进电机是将电脉冲信 号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超载的情况下 电机的 转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化 的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线性 关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 使 得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 2 2 步进电机的基本原理及特点 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器 接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可 以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速 的目的 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误 差 精度为 100 的特点 广泛应用于各种开环控制 步进电机的驱动电路根据控制信号工作 控制信号由单片机产生 其基本原理作用如下 1 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配 例如 三相步进电机的三拍工作 方式 其各相通电顺序为 A B C D 通电控制脉冲必须严格按照这一顺 序分别控制 A B C D 相的通断 2 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电 步进电机正转 如果按反序通电 换相 则电机就反转 3 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲 它就转一步 再发一个脉冲 它 会再转一步 两个脉冲的间隔越短 步进电机就转得越快 调整单片机 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 6 发出的脉冲频率 就可以对步进电机进行调速 电机一旦选定 电机的静力矩确定 而动态力矩却不然 电机的动 态力矩取决于电机运行时的平均电流 而非静态电流 平均电流越大 电机输出力矩越大 即电机的频率特性越硬 图 2 4 步进电机特性曲线 其中 曲线 3 电流最大 或电压最高 曲线 1 电流最小 或电压最 低 曲线与负载的交点为负载的最大速度点 要使平均电流大 尽可能 提高驱动电压 使采用小电感大电流的电机 电机的共振点 步进电机 均有固定的共振区域 二 四相感应子式步进电机的共振区一般在 180 250pps 之间 步距角 1 8 度 或在 400pps 左右 步距角为 0 9 度 电机驱动电压越高 电机电流越大 负载越轻 电机体积越小 则共振 区向上偏移 反之亦然 为使电机输出电矩大 不失步和整个系统的噪 音降低 一般工作点均应偏移共振区较多 2 3 步进电机驱动芯片 实现细分方式有多种方法 最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式 大 多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式 TA8435 就是其中一种 芯片而在这里 我们所接为感性负载步进电动机 因此不能直接由单片机 进行直接驱动 选用 TA8435H 芯片 TA8435H 是东芝公司推出的一款单片 步进电机专用驱动芯片 该芯片具有以下特点 1 工作电压范围宽 10 40V 2 输出电流可达 1 5A 平均 和 2 5A 峰值 3 具有整步 半步 1 4 细分 1 8 细分运行方式可供选择 4 采用脉宽调试式斩波驱动方式 5 具有正 反转控制功能 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 7 6 带有复位和使能引脚 7 可选择使用单时钟输入或双时钟输入 AT8435H 芯片的引脚图如下 图 2 5 图 2 5 TA8435H 引脚图 TA8435H 采用 ZIP25 封装形式 图 2 5 为其引脚排列图 各引脚功 能如下 脚 1 S GND 信号地 脚 2 RESET 复位端 低电平有效 当该端有效时 电路复位到 起始状态 此时在任何激励方式下 输出各相都置于它们的原点 脚 3 ENABLE 使能端 低电平有效 当该端为高电平时电路处 于维持状态 此时各相输出被强制关闭 脚 4 OSC 该脚外接电容的典型值可决定芯片内部驱动级的斩波 频率 15KHZ 80KHZ 计算公式为 fosc 1 5 15 cosc 式中 cosc 的单位为 F fosc 的单位为 脚 5 CW CCW 正 反转控制引脚 脚 6 7 CK2 CK1 时钟输入端 可选择单时钟输入或双时钟输 入 最大时钟输入频率为 5KHZ 脚 8 9 M1 M2 选择激励方式 00 表示步进电机工作在整步 方式 0 为半步方式 01 为 1 4 细分方式 11 为 1 8 细分方式 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 8 脚 10 REF IN VNF 输入控制 接高电平时 VNF 为 0 8V 接低电 平时 VNF 为 0 5V 脚 11 MO 输出监视 用于监视输出电流峰值位置 脚 13 VCC 逻辑电路供电引脚 一般为 5V 脚 15 24 VMB VMA B 相和 A 相负载电源端 脚 16 19 B B B 相输出引脚 脚 17 22 PG B PG A B 相和 A 相负载地 脚 18 21 NFB NFA 相和 相电流检测端 由该引脚外接电 阻和 REF IN 引脚控制的输出电流为 IO VNF RNF 脚 20 23 A A A 相输出引脚 第 3 章 控制系统的硬件设计 根据设计要求 该系统的硬件设计按功能主要分为 电源模块 检 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 9 测模块 单片机控制模块 电机控制模块 其中 AT89C2051 单片机是 整个电路的核心 附图 1 就是汽车自动雨刷控制系统总电路图 在本章下面的几个小节中 我们根据附图 1 所示的硬件设计图 对 各个模块的主要的一些电路进行详细的设计和分析 3 1 电源电路的设计与分析 稳压电源的输出电压 UO 或电压可调范围 UOmin UOmax 和最大输出 电流 IOmax是它的特性指标 这两个指标决定了该电源的适用范围 同时 也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器 整流管和滤波电容 而输出电阻 纹波电压 温度系数是稳压电源的质量指标 它们决定了 稳压器的稳压系数 输出阻抗 温度系数和滤波电容的选择 图 3 1 稳压电源原理图 因为系统是由单片机直接控制处理 其稳定的电压是十分重要的 所 以我们设计了一个稳压电源 如图 2 1 所示 本设计中控制部分的逻辑元 件需要 5V 的直流电 而我们设计使用的步进电动机的额定电压为 12V 这样我们就需要两个直流电源 为解决这个问题 我们采用双路输出的直 流稳压电源 直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电 源 因为线性直流稳压电源电路成熟 稳定度高 文波小 干扰小而且 三脚稳压块选择 该装置中的稳压块选用 LM7805 和 7812 集成稳压块 其原理都一样 下面介绍 LM7805 系列集成稳压块主要技术参数 输入电 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 10 压 DC3V 35V 最大输出电流 1 5A LM7805 系列稳压块封装 1 脚为 输入端 2 脚为公共端 3 脚为输出端 注意事项 引脚不能接错 公 共端不能悬空 为防止过热应安装散热片 其内部原理图如图 3 2 所示 按图我们来分析其原理 在本设计中应输出电压为 Vo 5V 则当 Vo 5V 时 T2 的 b 极电压上升 进而 T2 的 c 极电压下降 进而 T1 的 b 极电压下降 进而 T1 的 Vce 极电压上升 进而 Vo 趋于 5V 反之当 Vo 5V 时亦然 3 2 三端稳压电源内部图 3 2 中央控制器 AT89C2051 AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机 95 年出现在 中国市场 其主要特点为采用 Flash 存贮器技术 降低了制造成本 其 软件 硬件与 MCS 51 完全兼容 可以很快被中国广大用户接受 其程 序的电可擦写特性 使得开发与试验比较容易 3 2 1 AT89C2051 的特点 AT89C2051 具有以下几个特点 AT89C2051 与 MCS 51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全 兼容 片内有 2k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器 全静态工作 工作范围 0Hz 24MHz 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 11 有 2 个程序保密位 保密位 1 被编程之后 程序存储器不能 再被编程除非做一次擦除 保密位 2 被编程之后 程序不能 被读出 128 8 位内部 RAM 32 位双向输入输出线 两个十六位定时器 计数器 两个串行中断 两个外部中断源 内置一个模拟比较放大器 间歇和掉电两种工作方式 3 2 2 AT89C2051 的管角说明 AT89C2051 单片机为 20 引脚芯片如图 3 2 3 所示 AT89C2051 芯片的 20 个引脚功能为 1 P1 口 P1 口是一 8 位双向 I O 口 口引脚 P1 2 P1 7 提供内部 上拉电阻 P1 0 和 P1 1 要求外部上拉电阻 P1 0 和 P1 1 还分别作为片 内精密模拟比较器的同相输入 AIN0 和反相输入 AIN1 P1 口输出缓冲 器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示 当 P1 口引脚写入 1 时 其 可用作输入端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外部拉低时 它们将因内 部的上拉电阻而流出电流 IIL P1 口还在闪速编程和程序校验期间接收 代码数据 2 P3 口 P3 口的 P3 0 P3 5 P3 7 是带有内部上拉电阻的七个 双向 I 0 引脚 P3 6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一 通用 I O 引脚而不可访问 P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流 当 P3 口引脚 写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端 用作输入时 被外部拉低的 P3 口引脚将用上拉电阻而流出电流 IIL P3 口还用于 实现 AT89C2051 的各种功能 如下表 10 1 所示 P3 口还接收一些用于 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 12 图 3 2 3 AT89C2051 引脚分布图 3 RST 复位输入 RST 一旦变成高电平 所有的 I O 引脚就复位到 1 当振荡器正在运行时 持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便 可完成复位 每一个机器周期需 12 个振荡器或时钟周期 4 XTAL1 作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入 5 XTAL2 作为振荡器反相放大器的输出 表 2 2 AT89C2051 的主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统 2K 可反复擦写 1000 次 Flash Rom 15 个双向 I O 口6 个中断源 两个 16 位可编程定时计 数器 2 7 6 0V 的宽工作电压范围 时钟频率 0 24MHz128 X8bit 内部 RAM 两个外部中断源两个串行中断 可直接驱动 LED两级加密位 低功耗睡眠功能内置一个模拟比较放大器 可编程 UARL 通道软件设置睡眠和唤醒功能 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 13 3 3 步进电与驱动芯片连接电路设计 图 3 5 是单片机与 TA8435 相连控制步进电机的原理图 引脚 M1 和 M2 决定电机的转动方式 M1 0 M2 0 电机按整步方式运转 M1 1 M2 0 电机按半步方式运转 M1 0 M2 1 电机按 1 4 细分 方式运转 M1 1 M2 1 电机按 1 8 步细分方式运转 CW CWW 控制电 机转动方向 CK1 CK2 时钟输入的最大频率不能超过 5KHz 控制时钟 的频率 即可控制电机转动速率 REFIN 为高电平时 NFA 和 NFB 的输 出电压为 0 8V REFIN 为低电平时 NFA 和 NFB 输出电压为 0 5V 这 2 个引脚控制步进电机输入电流 电流大小与 NF 端外接电阻关系式为 IO Vref Rnf 图 4 中 设 REFIN 1 选用步进电机额定电流为 0 4A R1 R2 选用 1 6 欧姆 2W 的大功率电阻 O C 两线不接 图 3 5 TA8435 与步进电机工作电路图 3 4 复位电路的设计 3 4 1 单片机复位电路基本原理及特点 在 51 系列单片机中 在振荡器运行时 RST 引脚上保持到少两个机 器周期的高电平输入信号 复位过程即可完成 为响应这一不定期程 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 14 CPU 发出内部复位信号 内部复位操作是在发现 RST 为高电平后的第二 个周期进行的 并且此后每个周期都重复进行复位操作 直到 RST 变成 低电平为止 在这种情况下 把 RST 引脚通 10uF 电容接到 Vcc 并同时 经过 10K 电阻和地相连 就可获得上电自动复位的结果 其具体的复位 电路如图 3 4 所示 接通电源后 Vcc 便对电容通过电阻进行充电 RST 脚的电压等于 Vcc 与电容两端电压之差 在充电过程中 随着电容电压逐步趋于 Vcc RST 引脚上之电压最终将接近于 0 此过渡过程之长短取决于电阻 和电容值的大小 10uF 电容足可使 RST 脚上的电压在振荡器启振后尚有 两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平 从而使 整个复位过程得以完成 图 3 4 复位电路图 3 5 时钟电路的设计与工作原理分析 3 5 1 时钟电路的设计 8031 8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡 方式和外部振荡方式 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器 简称晶振 或陶瓷谐振器 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 15 就构成了内部振荡方式 由于单片机内部有一个高增益反相放大器 当 外接晶振后 就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 内部振荡方式 的外部电路如下图 2 3 所示 图中 电容器 C1 C2 起稳定振荡频率 快速起振的作用 其电容值一般在 5 30pF 晶振频率的典型值为 12MHz 采用 6MHz 的情况也比较多 内部振荡方式所得的时钟信号比较 稳定 实用电路中使用较多 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内 这种方式适 宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步 外部振荡方式的外部电路 如下图 2 10 所示 由上图可见 XTAL1 接地 外部振荡信号由 XTAL2 引入 为了提高 输入电路的驱动能力 通常将外部信号经过一个带有上拉电阻的 TTL 反 相门后接入 XTAL2 3 6 检测电路的设计与分析 设计中所用传感器是运用雨量传感器 雨量传感器是汽车自动雨刷 控制系统的重要组成部分 本设计中所用雨量传感器是基于光强变化的 原理 提出的一种新的红外线雨水传感器 该传感器由红外光发射电路 和红外光接收电路组成 利用红外专用集成接收芯片 TK1838 作为雨水 传感器的接收芯片 根据雨量的多少不同 可输出相应的脉冲 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 16 图 2 11 雨水传感器内部结构 3 6 1 雨水传感器工作原理 1 光学原理 光线射在两种介质分界面上 当一部分光线射入另外一种介质时 光线传播方向发生改变 这称为折射 在第二种介质中折射光线和分界 面法线n0 的夹角称为折射角 入射角i和折射角r有下述关系 1 式中 第二种介质对第一种介质的相对折射率 光从光密介质 折射率n较大 射入光疏介质 折射率n较小 时 如果入射角增大到某一角度 使折射角达到 90 时 折射光完全消失 光全部反射回原来介质 这种现象叫做全反射 折射角变成 90 时 的 入射角叫做临界角 全反射的条件是 光从光密介质向光疏介质入射 入射角等于大于临界角 本文设计的传感器就是根据全反射光学原理制成 空气的折射率是 1 水的折射率是 1 33 玻璃的折射率是 1 5 根据式 1 计算得出 光从玻璃入射到空气中的临界角是 42 光从玻璃入射到水中的临界角 是 63 2 工作原理 雨水传感器由红外光发射电路和红外光接收电路组成 如图 1 所示 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 17 2 12 雨水传感器原理图 图2 13 555电路输 出 由红外光发射元件发出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面 反射 其角度必须在 42 玻璃 空气 和 63 玻璃 水 之间 如 果在挡风玻璃上有水 一些光会双倍射出 且这会引起红外感光元件接 收到的反射光减弱 从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区 域被称之为传感器的 敏感区域 仅当雨水滴到这个区域时 才可以 被探测出来 为使系统灵敏可靠 挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要 有一个较好的比例 如图 2 12 和 2 13 所示 3 6 2 硬件设计与实现 1 红外发射电路 红外发射管采用硅光电二极管 它具有暗电流小 噪声低 受温 度影响小 价格便宜等优点 红外发射管三个并联 采用脉宽调制驱 动 工作在38kHZ的频率下 采用这种方式可以减少发射电路的功耗 脉冲发生器采用555电路构成 如图3所示 经式 2 3 4 计算 得出R1 R2 C1值 微调节R2 使脉冲频率为38kHz 由于红外光线肉 眼看不见 所以电路中加入LED指示灯来指示红外发射管是否在工作 2 3 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 18 4 2 红外接收电路 红外接收电路通常由光接收二极管 放大电路 带通滤波器 检波 电路等组成 放大电路的任务是对光脉冲信号进行线性放大和整形 带 通滤波器的任务是进行频率选择 滤除干扰信号 检波电路滤掉载频后 检出的原始信号 因而电路比较复杂 体积也比较大 3 控制电路 图 2 14 TK1838 内部结构 当有雨滴落在挡风玻璃的 敏感区域 时 1 脚输出一串脉冲波 小 雨时 脉冲波的数量少 大雨时 脉冲波的数量多 我们使用的雨刮电动 机有低速挡和高速挡 用单片机 AT89C2051 来检测脉冲波 根据给定时间 内脉冲波数量的多少来控制雨刮器工作 当小雨时 雨刮器工作在低速挡 当大雨时 雨刮器工作在高速挡 4 传感器参数的选择 由于这种雨量传感器的参数可根据自己的需要 调节自己适合的参数 本设计中 在小雨的时候 输出脉冲个数定为每 10ms 输出个数小于 80 个 中雨时 每 10ms 输出个数大于等于 80 小于等于 160 大雨时 输出个数 为每 10ms 大于 160 个 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 19 第四章 汽车自动雨刷控制系统的安装与调试 4 1 电路图的绘制与 PCB 板的制作 4 1 1 电路图的绘制 1 在 Protel 中先新建一个文档 把所需要的元件载入到文档里面 2 再按照系统电路图绘制导线 把元件连好线 3 通过电气检查如果没有错误 那么系统的电路图就绘制完成 4 1 2 PCB 板的制作 用 Protel99 设计好 PCB 板 认真检查正确无误以后就开始制作电 路板 其过程包括打印 转印 蚀刻和钻孔四个主要制作工序 下面分 别叙述制作过程 打印 打印是一项非常重要的工序 直接关系着 PCB 板的质量 所以务必 要认真做好这一工序 把准备好的热转印纸放入打印中 一定要注意光 滑的一面向上 蚀刻 转印好的线路板必须经过检查 修板 直至确认无误后便可以进行 腐蚀了 蚀刻 有人亦叫 烂板 这是指通过化学物质 把经过印刷 的敷铜板的非保护部分的铜箔腐蚀掉 蚀刻可以通过一份固体三氯化铁 兑两份水配置而成进行 在这里用盐酸和双氧水 1 1 配置进行腐蚀 钻孔 腐蚀完毕后 仅仅是块半成品 必须经过钻孔和刷助焊剂等工序 线路板上的孔眼决定了焊接元件的位置 直接关系到安装元件的质量 因此要求按实际元件引脚的大小或图纸所标示尺寸钻孔 先确定钻头是 否锋利 要不就先换上锋利的钻头再开始钻孔 大小不一的孔要采用不 同型号的钻头 下钻的时候钻头要对准焊盘的正中心 钻好孔以后我们 需要用细纱布将板面打磨光滑 这样可以去掉焊盘的毛刺和 PCB 表面留 下的墨痕 我们可以利用细纱布边冲水边打磨 在打磨过程中不可以太 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 20 用力 否则会将铜线条擦掉 打磨完毕后擦干 涂上酒精松香水 晾干 就得到一块所需的电路板 4 2 元件的识辩与检测 在安装元件前要先认识和检测元件 一些常见元件的认识与检测如 下 色环电阻 在此使用的是五个色环标志的电阻 此类电阻前两环表 示有效数字 第三环表示倍率 与前三环距离较大的第四环表示允许偏 差 二极管 在此装置中要用到普通二极管和发光二极管 在普通二极 管中有白色环标志的那头为负极 对于发光二极管一般引脚长的那端为 正极 引脚短的那端为负极 电容 电容在这里用到的是瓷片电容和电解电容 其外围上面都有 标记 只需检测其好坏 在利用万用表检测时要注意如果为电解电容红 表笔应接正极 黑表笔接负极 4 3 系统功能调试 电源部分进行调试 先将整流 滤波部分元件焊上 然后接上电源 变压器 用交流档测变压器输出电压为 15 7V 再用直流档测整流滤波 后的电压为直流 19 2V 左右 正常 接上三端稳压后再测其输出电压 为稳定的 5 04V 这些数据说明电源部全全部工作正常 哈尔滨理工大学专科毕业 设计 论文 21 总结 本设计是采用一个单片机 雨量传感器来对汽车自动雨刷控制系统 的设计与制作 并有效的进行控制输出 它具有集成化 智能化 高精 度 高性能 高可靠性和低价格等