基于单片机的汽车雨刷驱动装置设计

基于单片机的汽车雨刷驱动装置设计

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车的使用要求越来越高。为了保证雨雪天气行车时驾驶员有良好的视线,在汽车风窗上装有刮水器。通过传动机构,刮水片在风窗玻璃外表面上往复摆动,以扫除风窗玻璃上的雨水、积雪或灰尘。传统的机械式雨刷驱动装置是由蜗杆、蜗轮、拉杆、摆杆等组成的传动四连杆机构,该装置的启动装置设在转向盘的右下侧,通过搬动手柄驱动,不仅占用一定的空间,而且启动时需要驾驶员的右手离开方向盘后再去操作手柄。本文设计一款汽车雨刷驱动装置,启动装置的按钮设置在方向盘上,方便快捷启动,省时省力,并且此机构主要通过软件编程实现,只要有一定的动力源输入(如电源等)就会立即动作,实现应有的功能。1结构设计基于单片机的汽车雨刷驱动装置主要包括预警单元、信息处理单元和执行单元。汽车雨刷驱动装置的整体电路如图1所示。1.1息处理单元接入预警单元是整个控制单元的主要组成部分,它为下一部分的信息处理单元接通动力源。主要组成部分是1个变速按钮。变速按钮分低速挡、中速挡和高速挡3个挡位,驾驶员通过触摸转向盘上的变速按钮开关选择不同挡位实现变速,控制雨刷的工作速度。1.2意义1:mc9s12x-lqfp112温度模型信息处理单元主要由MC9S12XS128-LQFP112单片机和CD4011芯片组成,如图1所示,MC9S12XS128-LQFP112单片机通过引脚PB5(29)和PB7(31)与芯片CD4011相连,再与芯片IRF4905(2个)、IRF3205(2个)组成的P-NMOS管H桥相连。MC9S12XS128-LQFP112单片机是S12XS系列下的一种芯片,其特点有:16位微处理器,112个引脚,片内振荡器、时钟电路和复位电路;30MHz核心和总线速度128KB闪存选项,带有纠错码(ECC)的4~8KB的数据闪存;用于数据存储选择可配置的8、10或12位模数转换器(ADC),转换时间达到3ms;支持控制局域网络(CAN)、局域互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议;带有16位计数器的8信道计时器。CD4011有4个与非门路,共14个引脚,其功用是放大从单片机输出的电压。连接电路时CD4011的14脚接7.2V,7脚接地。1.3栅极控制电路执行单元由P-NMOS管H桥和普通变压器组成,是整个控制单元的终了部分。如图1所示,整个系统经由H桥电路后,将交变电压(-12V~+12V)输送到电机上,经由电机输出轴直接驱动雨刷杆实现雨刷的左右摆动。P-NMOS管H桥电路控制电机的正反转,由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成,故叫P-NMOS管H桥。桥臂上的4个场效应管相当于4个开关,P型管在栅极为低电平时导通,高电平时关闭;N型管在栅极为高电平时导通,低电平时关闭。场效应管是电压控制型元件,栅极通过的电流几乎为0。如图2a)所示,在连接好电路后,控制臂1置高电平(U=VCC)、控制臂2置低电平(U=0)时,Q1、Q4关闭,Q2、Q3导通,电机左端为低电平,右端为高电平,所以电流沿箭头方向流动,设为电机正转。如图2b)所示,控制臂1置低电平(U=0)、控制臂2置高电平(U=VCC)时,Q1、Q4导通,Q2、Q3关闭,电机左端为高电平,右端为低电平,所以电流沿箭头方向流动,设为电机反转。当控制臂1、2均为低电平时,Q1、Q2导通,Q3、Q4关闭,电机两端均为高电平,电机不转;当控制臂1、2均为高电平时,Q1、Q2关闭,Q3、Q4导通,电机两端均为低电平,电机也不转。图3为控制臂1、2和与非门CD4011组成的栅极驱动电路输出端。因为单片机输出电压为0~5V,所使用的H桥的控制臂需要0V或7.2V电压才能使场效应管完全导通。PWM输入0V或5V电压时,栅极驱动电路输出电压为0V或7.2V,前提是CD4011电源电压为7.2V。H桥输出电压较小,不足以驱动电机带动雨刷工作,使用变压器将H桥输出电压放大到12V,使电机的工作电压为-12V~+12V,实现电机的正反转。2工作流和执行流2.1工作电压的输出基于单片机的汽车雨刷驱动装置的工作流程如图4所示。驾驶员按下按钮,系统通电,程序初始化后,单片机上电,其上灯闪烁,此时向P-NMOS管H桥电路供电,由CD4011芯片通过引脚11和引脚10输出信号(高或低电平)输出小的正负电压,通过变压器将电压放大至雨刷电机所需要的工作电压(正负电压)。电机输出轴直接连接雨刷器的支撑摆动轴,输出正负交替的电压可以实现支架随支撑轴的来回摆动。2.2工作流的控制和调整对整个装置的速度和工作频率的调节均通过软件程序来实现。1自动载荷的设置其中控制频率的函数就是delay()函数,可以设定setnum[i]的初始化值来决定雨刷的工作频率。这里设置3个变量i,结合图4,若驾驶员按下低速挡位按钮,设置i为0(中速挡位设为1,高速挡位设为2)则执行上述程序。程序中PORTB_PB0、PWMDTY452个参数控制电机正反转,若PORTB_PB0=1和PWMDTY45=1000代表正转,则PORTB_PB0=0和PWMDTY45=0代表反转,正反转是相对的。2雨刷转速和转速的关系这时电机不转,其停歇时间可以通过函数delay()的参数控制实现。程序用了3个if语句,分别对应3个速度。设定1个3挡按钮,分低速、中速和高速挡位,即事先所设定的setnum[i](i取0、1、2)值不同,所以3个挡位对应的雨刷的工作速度或是说工作频率不同,驾驶员可根据雨量的多少,选择合适的挡位。电动机由12V直流电源驱动工作,由于受机械部件传动比的约束,雨刷的速度最快不会超过2次/s。实验结果表明:雨刷低速摆动速度约为1次/s,与经过延时函数计算所得的值相差不大;雨刷