1、皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 1 -摘 要 .- 1 -前 言 .- 2 -第一章 汽车自动雨刷控制系统总体设计和主要特点 .- 3 -1.1 汽车自动雨刷控制系统的设计思路 .- 3 -1.2 方案的选择设计与原理方框图 .- 3 -1.2.1 控制方案比较 .- 3 -1.2.2 原理方框图 .- 5 -第二章 控制系统的硬件设计 .- 7 -2.1 电源电路的设计与分析 .- 7 -2.2 中央控制器 AT89C2051 .- 8 -2.2.1 AT89C2051 的特点 .- 9 -2.2.2 AT89C2051 的功能描述 .- 9 -2.2.3 AT89C2051 的管角说
2、明 .- 10 -2.3 电机控制电路分析与设计 .- 12 -2.3.1 步进电机的基本原理及特点 .- 12 -2.4 复位电路的设计 .- 19 -2.4.1 单片机复位电路基本原理及特点 .- 19 -2.4.2 单片机复位后的状态的分析 .- 20 -2.5 时钟电路的设计与工作原理分析 .- 21 -2.5.1 振荡器特性 .- 21 -2.5.2 时钟电路的设计 .- 22 -2.5.3 单片机的基本时序单位 .- 22 -2.6 检测电路的设计与分析 .- 23 -2.6.1 雨水传感器工作原理 .- 23 -2.6.2 硬件设计与实现 .- 24 -第三章 汽车自动雨刷控制系
3、统统软件设计 .- 27 -3.1 主程序设计 .- 27 -皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 2 -3.1.1 主程序的初始化内容 .- 27 -3.1.2 代码转换程序 .- 28 -3.2 中断服务程序 .- 28 -3.2.1 中断服务程序的设计 .- 28 -3.3 检测脉冲及电机运行程序的设计 .- 29 -总 结 .- 31 -附 录 .- 33 -皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 1 -摘 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
4、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：汽车自动雨刷控制系统，单片机，传感器，步进电机皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 2 -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
5、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
6、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
7、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。皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 3 -第一章 汽车自动雨刷控制系统总体设计和主要特点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
8、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
9、 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 MCS51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
10、也需要做出合理的选择，下面对几种主要器件进行比较。（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(FLASH ROM)的低电压、高皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 4 -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
11、：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。此外，AT89C1051 还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU 停止，而让 RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。AT89C2051 结构与可实现的功能跟 AT89C1051 基本一样，只是闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH ROM)升级到 2K，还有内部
12、 RAM 为 128字节。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
13、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皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 5 -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
14、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（1040V）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。其实对于本设计来说，上述两块芯片都可用。不过在市场上，TA8435H 使用比较广，而且控制起来也很方便，所以本设计选用 TA8435H 作为电机的驱动芯片。（4
15、）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。传感器由红外光发射电路和红外光接收电路组成，实验证明，这种雨水传感器反应灵敏，实时性好，性能稳定。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
16、单元电路等组成，其结构框图如图 1.4 所示。图 1.4 汽车自动雨刷控制系统结构框图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皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 6 -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
17、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。皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 7 -皖西学院机械与电子工程学院课程设计- 8 -第二章 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。
18、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。2.1 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 2.1 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。
