智能汽车雨刷系统设计方案

摘要.................................................

前言.................................................

第一章汽车自动雨刷控制系统总体设计和直要特点........

1.1汽车自动雨刷控制系统日勺设计思绪...................

1.2方案日勺选择设计与原理方框图.......................

控制方案比较.......................................

1.2.2原理方框图....................................

第二章控制系统的硬件设计..............................

2.1电源电路的设计与分析..............................

2.2中央控制器——AT89C2051.................................................

2.2.1AT89C2051的特点.............................

2.2.2AT89C2051口勺功能描述........................

2.2.3AT89C2051口勺管角阐明........................

2.3电机控制电路分析与设计...........................

2.3.1步进电机的基本原理及特点....................

2.4复位电路的I设计....................................

2.4.1单片机复位电路基本原理及特点................

2.4.2单片机复位后的状态口勺分析....................

2.5时钟电路的设计与工作原理分析....................

振荡器特件.........................................

2.5.2时钟电路日勺设计................................

2.5.3单片机的基本时序单位........................

2.6检测电路的设计与分析..............................

雨水传感器工作原理.................................

硬件设计与实现.....................................

第三章汽车自动雨刷控制系统统软件设计.................

3.1主程序设计........................................

主程序的初始化内容.................................

3.1.2代码转换程序..................................

3.2中断服务程序......................................

中断服务程序的设计.................................

3.3检测脉冲及耳机运行程序日勺设计.....................

总结................................................

附录.................................................

摘要

本设计重要完毕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U勺转停、

正转及反转，从而实现对汽车雨刷U勺自动控制。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替代老式U勺雨刷电机，通过传感器检测到U勺

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"勺缺陷。此设计能免

除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"勺可靠度。

关键词：汽车自动雨刷控制系统，单片机，传感器，步进电机

格等长处。因此汽车自动雨刷控制系统是个值得推广的一种措施，且具有很好日勺市场推广价

值。

第一章汽车自动雨刷控制系统总体设计和重要特点

本章重点产论述汽车自动雨刷控制系统U勺设计思绪、控制方案的比较、设计电路的原理

框图以及本次设计系统U勺重要特点。

1.1汽车自动雨刷控制系统的设计思绪

本次设计的设计思绪是：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对应的环境做出不一样日勺转动。例如当小雨时，雨刮器自

动工作在小雨运行方案（雨刷电机转动一种来回后停止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（雨刷电机转动一种来回后停止5s后继续运行），当大雨时，

雨刮器自动工作在大雨运行方案（雨刷电机转动一种来回后继续运行）。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

本系统重要由电源电路、驱动电路、中央处理单元等构成。系统中所用H勺单片机为

AT89c2051单片机，其是一种性能优良口勺集成可编程的单片机，其功能的强大，它把CPU、

存储器、及I/O集成到一种芯片上，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。通过这些可以减少设计出来的产品H勺硬件成本和提高系统口勺稳定性。

控制方案比较

设计中运用的单片机为AT89c2051,它日勺指令集和引脚构造与INTEL企业『、J)£S—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。在老式的雨刷电机

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

芯片口勺也需要做出合理日勺选择，下面对几种重要器件进行比较。

(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(FLASHROM)日勺低电压、高性

能CMOS8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，与工业原

则於JMCS-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口勺AT89cl051是一种高效微控制器，为诸多嵌入式控制系统应用提供了一种

灵活性高且价廉的处理方案。AT89cl051有如下特点：1k字节EPROM、64字节RAM、15根

I/O线、2个16位定期/计数器、5个向量二级中断构造、1个全双向的I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5.5VH勺电压工作范围和12\IHz/24M：Tz工作频

率，同步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。此外，AT83cl051还

支持二种软件可选的I电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定期/计数器、串行口和

中断系统继续工作。AT89C2051构造与可实现的功能跟AT89cl051基本同样，只是闪速可编

程可擦除只读存储器(FLASHROM)升级至U2K,尚有内部RAM为128字节。

由上可知，为了减少难度，增K系统的可靠性与稳定性，由于在贵阳欧J电了•城中AT89c2051

轻易购置，因此选用了AT89c2051。

(2)电机的选择

本设计中运用步进电机替代老式日勺雨刷电极(老式日勺雨刷电机为直流电机)其相比老式

雨刷具有控制灵活、精度高等长处。由于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，即给一种脉冲，步进电机就转一种角度，因此非常合适单片机控制，在非超载的

状况下，电机口勺转速、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，电机则转过一种步距角，同步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廉价，市场供货也诸

多。因此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。其内部构造如图1.3。

B・O-

图1.3四相六线制步进原理图

(3)电动机驱动芯片的选择

根据设计规定，本设计的关键部分就是对步进旦动机进行控制。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H勺集成有桥式电路H勺电机专用芯片。

TA8435是东芝企业生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片,TA8435重要由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

模块构成。工作电压范围宽(10—40V)

L298是ST企业生产日勺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

到达46V,单个桥直流电流可到达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3且，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

联起来驱动一种直流电动机，直流电流可到达4Ao其实对十本设计来说，上述两块芯片都

可用。不过在市场上,TA8435H使用比较广，并且控制起来也很以便，因此本设计选用TA8435H

作为电机的驱动芯片。

(4)雨量传感器选抵

目前市场上H勺雨水传感器大都是根据如下三种工作原理制成的J：运用压电振子的传感

器、运用静电电容日勺传感器、运用光强变化口勺传感器。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H勺变化感应传感器。相比较各类雨水传感器的性能和价

格，设计中采用口勺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。传感器由红外光发射电路和红外光接受电路构成，试验证明，这种雨水

传感器反应敏捷，实时性好，性能稳定。

原理方框图

该系统重要由控制单元、、检测部分、驱动部分和接口单元电路等构成，其

构造框图如图1.4所示。图1.4汽车自动雨刷控制系统构造框图

步

进

步

电

进

机

电

驱

机

动

芯

基于单片机AT89C2051对步进电机控制制作型的汽车控制系统的重要特点有：

⑴本设计运用步进电机取代老式的雨刷电机，从而使控制精度增长，响应速度快，抗

干扰能力强，外围电珞简朴易懂。

（2）运用单片机控制系统，程序固化了，使系统愈加稳定。

⑶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口勺麻烦，有效地提高了雨

天行车口勺安全性。

⑷设计中运用元件价格廉价，适合推广使用。

⑸由于整个系统可集成在一种芯片上，因此体积小，功耗低。

通过以上方案口勺分析，就可以懂得单片机技术是现代电子设计的发展日勺重要部分。采用

单片机AT89c2051和步进电机的结合日勺汽车自动雨刷控制系统口勺设计方案，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朴，使用性强等长处。

第二章控制系统的）硬件设计

根据设计规定，龙系统的硬件设计按功能重要分为：电源模块、检测模块、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关键。附图1就是汽车自动雨

刷控制系统总电路图。

在本章下面的几种小节中，我们根据附图1所示的硬件设计图，对各个模块的重要的某

些电路进行详细的设计和分析。

2.1电源电路日勺设计与分析

稳压电源的输出电压10（或电压可调范围U0BErUOmax）和最大输出电流IDmax是它

H勺特性指标，这两个指标决定了该电源口勺合用范围，同步也决定了稳压器H勺特性指标以及怎

样选择变压器、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aJ选择。

图2.1稳压电源原理图

由于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，因此我们设计了一种

稳压电源，如图2.1所示，本设计中控制部分H勺逻辑元件需要+5VH勺直流电，而我们设计使

用H勺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。为处理这个问题，我们

采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源乂提成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电

源，由于线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小并且。

由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源构造十分简朴，只用了一种220V变12V

的变压器，一种整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个电容。图中C1是一种大

容最口勺电解电容，起到低频滤波的作用。由于C1自身的电解比大，对高频交流成分的滤波

效果比较差，所认为了改善滤波电路的高频克制特性，在C1傍边并联一种高频滤波性能良

好日勺小电容C2。而直流稳压电路输出端日勺电容C3和C4是用作改善稳压电源电路的瞬态负

载响应特性。

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。其原理都同样，

下面简介LM7805系列集成稳压块重要技术参数:输入电压: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2.2所示，按图

我们来分析其原理：在本设计中应输出电压为Vo=5匕则当Vo>5V时，T2W、Jb极电压上升，

进而T2的）c极电压下降，进而T1H勺b极电压下降，进而T1欢|Vce极电压上升，进而Vo趋

于5V；反之当丫。〈5丫时亦然。

2.2三端稳压电源内部图

2.2中央控制器——AT89C2051

AT89C2051是由ATMEL企业推出的一种小型单片机。95年出目前中国市

场。其重要特点为采用Flash存贮器技术，减少了制导致本，其软件、硬件与

MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大顾客接受，其程序的电可擦写特性，使

得开发与试验比较轻易。

2.2.1AT89C2051的）特点

AT89C2051具有如下几种特点：

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字节在线可反亚编程快擦写程序存储器；

全静态工作，工作范围:0Hz〜24MHz；

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；

128X8位内部RAM；

32位双向输入输出线；

两个十六位定期器/计数器；

两个串行中断，两个外部中断源；

内置一种模拟比较放大器；

间歇和掉电两种工作方式。

2.2.2AT89C2051的功能描述

T89C2051是美国爱特梅尔(ATMEI.CORPORATION)半导体制造企业生产H勺一科高性能的

单片机，它口勺指令集和引脚构造与INTEL企业的MCS-51系列单片机高度兼容、低功耗、可

以在靠近零频率下工作，广泛的应用于多种计算机系统、工业控制、电讯设备、宇航设备及

消费类产品中。由于ATMEL是全球最大H勺FLASH和EEPROM生产制造企业，加之以其EEPROM

技术与INTEL的80c31内核技术互换，使ATMEL从此拥有80C31内核的使用权，从而该企业

H勺89C51系列单片机具有极高的性能价格比。

AT89C2051的性能构造上是一种功能强大口勺单片机，它将AT89C51的P0口、P2口、

EA/Vcc.ALE/PROG,口线简化后，形成的一种仅20个引脚H勺单片机，相称于INTEL8031

H勺最小应用系统。这对于某些不太复杂的J控制场所，仅用一片AT89c2051就足够了。由于将

多功能的8位CPU和2KB闪速存储器以及模拟电压比较器集成到单个芯片上，从而成为一种

多功能的I微处理器，这为许多嵌入式控制提供了一种极佳及I方案，使老式的51系列单片机

日勺体积大、功耗大、可选模式少等诸多困扰设计工程师们的致命弱点不复存在。

AT89c2051的重要特点：2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASHEEPROM)和128

bytesH勺随机存取数据存储器(RAM)，可反复擦写10000次，数据保留时间23年，工作电

压范围：2.7〜6V,工作频率：0〜24MHz,15根可编程I/O引线，2个16位定期器/计数器,

一种5向量两级中断构造，一种全双工串行口，一种精密模拟比较器，两级程序加密，输出

口可直接驱动LED显示，低功耗的闲置和调电保护工作方式，以及片内振荡器和时钟电路。

由于AT89c2051单片机功能强劲，且体积小（芯片只有20个引脚），因此它在许多嵌入式和

便携式测控系统中得到广泛应用，如机电式或电子式电度表，测速仪等智能仪器。

2.2.3AT89C2051的管角阐明

AT89C2051单片机为20引脚芯片如图2.3所示:

RST-120—ur

RD)R.0-PL7

(W)ra.i—PL6

XUL2—PL5

XDL1AI89C3061—PL4

(INro)Ri2—PL3

ONTORU-PL2

(I0)IB.4—PLKAIND

(n)R.5—PL0(AW

(N)-1011—R17

图2.3AT89C2051引脚分布图

AT89C2051是一种有20个引脚日勺芯片，引脚如图10.1所示,与8051内部构造进行对比可发

现,AT89c2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大也许地减少了对外引脚，因而

芯片尺寸有所减少。

AT89C2051芯片的20个引脚功能为：

1.Vcc：电源电压。

2.GND：地。

3.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PL1

规定外部上拉电阻。PL0和PL1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口输出缓冲器可吸取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〜PL7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部R勺上

拉电阻而流出电流（HL）。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接受代码数据.

4.P3口：P3口口勺P3.0〜P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O引脚。P3.6

用于固定输入片内比较器口勺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

可吸取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I多种功能，如下表10-1所示。

P3口还接受某些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5.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”。当振着器正在运

行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完毕复:位。每一种机器周期需12个振荡

器或时钟周期。

6.XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器H勺输入。

7.XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

表2.1P3口的功能

P3口引脚功能

P3.0RXD（串行输入端口）

P3.1TXD（串行输出端口）

P3.2INT0（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定期器。外部输入）

P3.5T1（定期器1外部输入）

从上述引脚阐明可看出，AT89c2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、

数据、控制信号，因此运用AT89c2051构成口勺单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展

存储器或I/O设备，也即AT89C2051自身即构成了最小单片机系统。

表2.2AT89C2051的重要功能特性

兼容MCS51指令系统2K可反复擦写（》1000次）FlashRom

15个双向I/O口6个中断源

两个16位可编程定期计数器2.7-6.（W附宽工作电压范围

时钟频率0-24MHZ128X8bit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种模拟比较放大器

可编程UARL通道软件设置睡眠和唤醒功能

2.3电机控制电路分析与设计

本设计运用步进电取代了老式的雨刷电机，步送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。在非超载的状况下，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，即给电机加一种脉冲信号，电机则转过一种步距角。

这一线性关系时存在，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H勺简朴。

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。当步进驱动器接受到一种脉冲信

号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一种固定的角度（称为“步距角”）,它的旋转是以

固定H勺角度一步一步运行H勺。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达精确定位的

目FI勺；同步可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速H勺目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，运用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广

泛应用于多种开环控制。

常见时步进电机分三种：永磁式（PU）,反应式（VR）和混合式（HB）,永磁式步进一般

为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实

现大转矩输出，步进用一般为1.5度，但噪声和振动都很人。在欧美等发达国家忒）年代已

被淘汰：混合式步进是指混合了永磁式和反应式的长处。它又分为两相和五相：两相步进角

一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机口勺应用最为广泛。

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一种脉冲信号，步进电机

就转动一种角度，因比非常适合于单片机控制。步：£电机可分为反应式步进电机（简称VR）、

永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机区别于其他控制电机的

最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制日勺，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,

而电机口勺转速由脉冲信号频率决定。

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)控制换相次序

通电换相这一过程称为脉冲分派。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电次

序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一次序分别控制A,B,C,D相日勺通断，

(2)控制步进电机的转向

假如给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，假如按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机日勺速度

假如给步进电机发一种控制脉冲，它就转一步，再发一种脉冲，它会再转一步。两个脉

冲时间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行

调速。

(4)步进电机H勺静态指标及术语

相数：产生不一样对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表达。

拍数：完毕一种磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表达，或指电机转过一种齿距

角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方

式即A-AB-B-BC-C-OD-DA-A.

步距角：对应一种脉冲信号，电机转子转过的角位多用。表达。0=360度(转子齿数J*

运行拍数)，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为0=360度/

(50*1)=1.8度(俗称整步)，八拍运行时步距角为0=360度/(50*8)=0.9度(俗称半

步)。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误

差导致的)

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴日勺锁定力矩。此力矩是

衡量电机体积（几何尺寸）的原则，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁

安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增长激磁安匝来提高静力

矩是不可取的，这样会导致电机的发热及机械噪音。

（5）、步进电机动态指标及术语：

步距角精度：步进电机每转过一种步距角的实际值与理论值的误差。用比例表达：误差/步

距角*100%。不一样运行拍数其值不一样，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以

内。

失步：电机运转时运转H勺步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的J角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的I误差,

采用细分驱动是不能处理的。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，

在不加负载的状况下，可以直接起动B勺最大频率。

最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流卜，电机不带负载的最高转速

频率。

运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系日勺曲线称为运行矩频

特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的J,也是电机选择的主线根据。其他特性尚有惯频

特性、起动频率特性等。

电机•月选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却否则，电机的动态力矩取决于电机运行时

H勺平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机I肉频率特性越硬。

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H勺最大速度点。要使平均电流大，尽量提高驱动电压，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H勺共振区域，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减少，一般工作点均应偏移共振区较多。

根据设计规定，本设计选用的步进电机为选用32V的四相六线制步进，其也可以作为两相电

机使用。步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大H勺缺陷。假如使用细分方式，就能很

好H勺处理这个问题，步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的

控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀日勺圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分,

一般状况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩口勺大小，相邻两合成磁场矢量之

间日勺夹角大小决定了步距角的大小，步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。

步进电机驱动芯片

实现细分方式有多种措施，最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式，大多数专用日勺步进电机驱

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是东芝企业

推出口勺一款单片步进电机专用驱动芯片。该芯片具有如下特点：

(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；

(6)带有组位和使能引脚；

(7)可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

AT8435H芯片的引脚图如卜图2.5

1GND

REST

ENAELE

osc

CXWCCV7

CLK2

CLK1

Ml

M2

REFIN

KNTOC

VC

NC

VW

B

PGB

NFB

B

S

NFA

PGA

A

VMA

NC

图2.5TA8435H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,此时在任何鼓

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在维持状态，此时各相输

出被强制关闭；

脚4(OSC)：该脚外接电容日勺经典值可决定芯片内部驱动级口勺斩波频率(15KHZ~80KHZ),计

算公式为：

fosc=l/5.15Xcosc

式中，cosc价J单位为uFfosc日勺单位为kHz。

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(Ml、M2)：选择鼓励方式，00表达步进电机工作在整步方式，10为半步方式，01

为1/4细分方式，11为1/8细分方式；

脚10(REFIN)：VNF输入控制,接高电平时VNF为0.8V,接低电平时VNF为0.£V；

脚11(M0)：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、PC-A)：B相和A相负载地：

脚18、21(NFB、NFA)：B相和A相电流检测端,由该引脚外接电阻和REF-IN引脚控制的I

输出电流为:IO=VNF/RNF

脚20、23（A、A）：A相输出引脚。

AT8435H日勺工作原理：

TA8435重要由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构成。如图2.6

DECODER

ENABLE桥式

A脉动

Xw电标

A码

器

粕出也谶

轻制电轿

-步波代

桥式

ENABLU妥动

M码累RESET

破人

治

电A

输出电波

步

眼1

路杆制电跷

电-6-

电源后A电源地B

图2.6TA8435II原理图

在图2.6中，第•种CK时钟周期时，解码器打开桥式驱动电路，电流从VMA流经电机

11勺线圈后经RNFA后与地构成回路，由于线圈电感II勺作用，电流是逐渐增大的，因此RNFB

上日勺电压也随之上升。当RNFBI：日勺电压不小于比较器正端的电压时，比较器使桥式驱动电

路关闭，电机线圈上的电流开始衰减，RNFB上日勺电压也对应减小；当电压值不不小于比较

器正向电压时，桥式驱动电路乂重新导通，如此循环，电流不停H勺上升和下降形成锯齿波，

其波形如图2.7中IA波形的第1段，此外由于斩波器频率很高，一般在几十KHz,其频率

大小与所选用电容有关，在OSC作用下，电流锯齿波纹是非常小H勺，可以近似认为输出电流

是直流。在第2个时钟周期开始时，输出电流控制电路输出电压Ua到达第2阶段，比较器

正向电压也对应为第2阶段的电压，因此，流经步走电机线圈的电流从第1阶段也升至第二

阶段2,电流波形如图IA第2部分，第3时钟周期，第4时钟周期TA8435的J工作原理与第

1、2是同样的，只有又升高比较器正向电压而已，输出电流波形如图IA中第3、4部分。

如此最终形成阶梯电流，加在线圈B上口勺电流，如图2.7中1及在CK一种时钟应期内，流

经线圈A和线圈B日勺电流共同作用下，步进电机运转一种细分步。

图2.7TA8435细分工作原理图

步进电与驱动芯片连接电路设计

>5V

图2.8TA8435与步进电机工作电路图

图2.8是单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图，引脚Ml和M2决定电机I向转动

方式：M1=O、M2=0,电机按整步方式运转；Ml=l>M2=0,电机按半步方式运转；M1=O>

M2=l,电机按1/4组分方式运转；M1=KM2=l,电机按"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。REMN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：I（）=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、2WI勺大功率电阻，（）、C两线不接。步进电机按二相双极性使用，四相按

二相使用时可以提高步进电机的输出转矩，D1-D4快恢复二极管用来泄放绕组电流。

2.4复位电路的］设计

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，复位过程即可完毕。为响应这一不定期程，CPU发出内部复位信号。内部复位操作

是在发现RST为高电平后口勺第二个周期进行口勺，并且此后每个周期都反复进行复位操作，直

到RST变成低电平为止。针对兔位电路对时间的需要，我们对上电更位电路进行精心设计。

一般来讲，Vcc电源时上升时间不超过1ms,片内振荡器启动时间在10ms之内。在这种状况

下，把RST引脚通IQuF电容接到Vcc并同步通过10K电阻和地相连，就可获得上电自动复

位的成果。其详细口勺复位电路如图2.9所示:

t

图2.9复位电路图

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，伴随电容电压逐渐趋于Vcc,RST引脚上之电压最终将靠近于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H勺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

完毕。

单片机复位后的状态的分析

单片机H勺复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC=()()O()H,这表明程

序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不

变化片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表2.3。值得

指出H勺是，记住某些特殊功能寄存器复位后的重要状态，对于理解单片机的初态，减少应用

程序中口勺初始化部分是十分必要的＜1

阐明：表中符号*为随机状态；

表2.R特殊功能寄存器与初始状态表

特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态

PSWOOHTHOOOH

P0〜P3FFHSBUF不定

IP***000006SCONOOH

IE0**00000BPCON0*****x*B

AOOHTMODOOH

BOOHTCONOOH

SP07HTLOOOH

DPLOOHTill0011

DPI!OOHTL1OOH

PSW=OOH,表明选寄存器0组为工作寄存器组：

SP=07H,表明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压

法则，第一种被压入的内容写入到08H单元中：

Po〜P3=FFH,表明已向各端口线写入1,此时，各端口既可用于输入又可用于输出；

IP=***OOO（）OB,表明各个中断源处在低优先级；

IE=O**OOOOOB,表明各个中断均被关断；

A=OOH,表明累加器己被清零；

51单片机H勺发位是由RESET引脚来控制H勺，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51

单片机即进入芯片内部复位状态，并且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转成低电平后,

才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便

会执行外部程序。

51单片机在系统复位时，将其内部的某些重要寄存器设置为特定日勺值，（在特殊寄存器简介

时再做详细阐明）至于内部RAM内部日勺数据则不变。

2.5时钟电路日勺设计与工作原理分析

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。

石晶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

部时钟信号要通过一种二分频触发器，因此对外部时钟信号H勺脉宽无任何规定，但必须保证

脉冲口勺高下电平规定的宽度。

时钟电路日勺设计

8031/8051单片机的时钟信号一般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，就构成了内部振荡方

式。由于单片机内部有一种高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振落器并产生

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Cl,C2起稳定振

荡频率、迅速起振的作用，其电容值一股在5T0pL晶振频率的经典值为12MHz,采用6MHz

日勺状况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比段稳定，实用电路中使用较多.

外部振荡方式是把外部已经有的时钟信号引入单片机内。这种方式合合用来使单片机的

时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式口勺外部电路如下图2.10所示。

TTtR^HA

8031

外能方式

图2.10时钟振荡方式

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,

一般将外部信号通过一种带有上拉电阻小JTTL反相门后接入XTAL2O

单片机日勺基本时序单位

单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，片内的多

种微操作都以此周期为时序基准。

振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，因此，1个状态周期包具有2个振荡周期。

振荡频率foscl2分频后形成机器周期MCo因此，I个机器周期包具有6个状态周期或12

个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。MCS-51

系列单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。

4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定

期器口勺定期时间等）的基本时序单位。单片机外接晶振频率12UHZ时的时序单位的大小：振

荡周期=l/fosc=l/12MHZ=0.0833us

2.6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构成

部分。本设计中所用雨量传感器是基于光强变化R勺原理，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受电路构成，运用红外专用集成接受芯片TK1838作

为雨水传感器的接受芯片。根据雨量口勺多少不一样，可输出对应的脉冲，当小雨时，输出脉

冲较少。当雨量大时，脉冲数量较多。当雨量变化时，会自动转变脉冲数量，试验证明，该

雨水传感器反应敏捷，实时性好，性能稳定。

5>BP»cfnm

图2.11雨水传感器内部构造

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，当一部分光线射入此外一种介质时，光线传播方向发生变化,

这称为折射。在第二种介质中折射光线和分界面法线nO的夹角称为折射角。入射角i和折射

角r有下述关系：

imi

-sv-t-r-国

（1）式中，一第二种介质对第一种介质口勺相对折射率。

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，假如入射角增大到某

一角度，使折射角到达90。时，折射光完全消失，光所有反射回本来介质，这种现象叫做全

反射。折射角变成90°时日勺入射角叫做临界角。全反射的条件是，光从光密介质向光疏介质

入射，入射角等于不小于临界角。

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L33,

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口勺临界角是42。，光从

玻璃入射到水中日勺临界第是63°。

2、工作原理

雨水传感器由红外光发射电路和红外光接受电路构成。如图1所示。

2.12雨水传感器原理图图2.13555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。假如在挡风玻璃上有水，某些光会双倍射出，

且这会引起红外感光元件接受到的反射光减弱。从发射元件发出时光反射到接受装置的挡风玻

璃区域被称之为传感器H'、J"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

系统敏捷可靠，挡风玻璃区域和敏捷区域之间必须要有一种很好的比例。如图2.12和2.13所

示。

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，价格廉价等长

处。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H勺功耗。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RI、R2、C1值。微调整R2,使脉冲频率为38kH3由于红外光线肉眼看不见，因此电路

中加入LED指示灯来指示红外发射管与否在工作。

(2)

(3)

I144

厂f尸国⑷

2、红外接受电路

红外接受电路一般由光接受二极管、放大电路、带通滤波器、检波电路等构成。放大电路

时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。

本文设计依J接受电路采用德律风根企业(Vishay)口勺红外专用集成接受芯片TK1838,将

各功能电路封装在一起，以实现接受脉冲编码信号调制的红外光信号，塑料封装可滤除可见光。

内部构造如图2.11所示。1脚为输出，2脚接地，3脚电源接+5V。

TK1838只有接受到38kIIzaJ脉冲信号才会作用。它具有微型一体化塑料封装、体积小、

可靠性高、内部屏蔽、抗干扰光能力强、5V供电、功耗低、输出信号敏捷、价格廉价等长处。

内部集成了放大、滤波、解调及其控制电路，1脚直接输出高下电平。当TK1838接受不到38kHz

的脉冲信号时，1脚输巴高电平；当接受到38kHz的胀冲信号时，1脚输出低电平。

3、控制电路

图2.14T