汽车自动雨刷控制系统的设计

1、贵州大学本科毕业论文（设计）第II页摘要IV.AbstractV.刖 言1.第一章 汽车自动雨刷控制系统总体设计和主要特点 21.1汽车自动雨刷控制系统的设计思路 21.2方案的选择设计与原理方框图 21.2.1控制方案比较 2.1.2.2原理方框图5.1.3汽车自动雨刷控制系统的主要特点 5第二章 控制系统的硬件设计 6.2.1 电源电路的设计与分析 6.2.2中央控制器AT89C20518.2.2.1 AT89C2051的特点.8.2.2.2 AT89C2051的功能描述 82.2.3 AT89C2051的管角说明92.3电机控制电路分析与设计122.3.1 步进电机的基本原理及特点 1.

2、22.3.2步进电机驱动芯片162.3.3 步进电与驱动芯片连接电路设计 2 02.4复位电路的设计202.4.1 单片机复位电路基本原理及特点 2 02.4.1 单片机复位后的状态的分析 212.5时钟电路的设计与工作原理分析 232.5.1振荡器特性 232.5.2时钟电路的设计232.5.3单片机的基本时序单位242.6检测电路的设计与分析 252.6.1雨水传感器工作原理 252.6.2硬件设计与实现26第三章 汽车自动雨刷控制系统统软件设计29贵州大学本科毕业论文（设计）第II页贵州大学本科毕业论文（设计）第II页3.1主程序设计 293.1.1主程序的初始化内容303.1.2代码转

3、换程序303.2中断服务程序303.2.1中断服务程序的设计 313.3检测脉冲及电机运行程序的设计 32第四章汽车自动雨刷控制系统的安装与调试334.1电路图的绘制与 PCB板的制作 .334.1.1电路图的绘制9 334.1.2 PCB板的制作334.2元件的识辩与检测 354.3元件的安装焊接与系统功能调试 364.3.1元件安装的基本要求与原则 364.3.2元器件的焊接374.3.3系统调试与分析38总 结39参考文献40致谢41.附 录42附录一 汽车自动雨刷控制系统设计程序清单 42附录二 汽车自动雨刷控制系统设计电路原理图 46附录三 汽车自动雨刷控制系统设计电路PCB4 7贵

4、州大学本科毕业论文（设计）第III页附录四汽车自动雨刷控制系统设计元件图 48贵州大学本科毕业论文（设计）第IV页汽车自动雨刷控制系统的设计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

5、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，步进电机贵州大学本科毕业论文（设计）第V页Automatic wipers Con trol System Desig nAbstractThe sen sors desig ned main ly to the completi on as a detector and software desig n to achieve a timely manner on the

6、 wipers to stop the motor, and are to reverse in order to achieve the automatic con trol of the vehicle wipers. The desig n is moder n sen sor tech no logy and con trol tech no logy in the automobile manu facturi ng in dustry in the applicati on and use of the desig n of the stepper motor in stead o

7、f the traditi onal wipers motors, sen sors detected by the size of the rain fall sig nal, the sig nal in put in the SCM AT89C2051 Stepper motor con trolled by the start of motor rotati on speed and positive and time. Design TA8435H use as a stepping motor driver chip, it is the PWM chopper drive, so

8、 overcome stepper motor in the low-freque ncy work, there will be vibratio n, no ise major shortco min gs. This desig n can be removed from the driver of the wipers of repeatedoperations, improve driving safety and comfort, reduce the pilot operati on of the wipers the accide nt, greatly impro ving

9、the reliability of the car wipers running.Keyword : SCM, Sensors Stepper motor, Automatic wipers Control SystemDesig n贵州大学本科毕业论文（设计）第1页、八前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

10、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

11、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

12、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。贵州大学本科毕业论文（设计）第4页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

13、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

14、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(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

15、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。此外， AT89C105

16、1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，

17、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。贵州大学本科毕业论文(设计)第4页n + o- B-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

18、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，L

19、298 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) 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

20、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。 传感器由红外贵州大学本科毕业论文（设计）第7页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单片机步进电机驱动芯步进电机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。

21、?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

22、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。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lomax 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

23、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。由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源结构十分简单，只用了一个220V变12V的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个 电容。图中C1是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于C1本身的电解比大

24、，对高频交流成分的滤波效果比较差， 所以为了改善滤波电路的高频抑制 特性，在C1傍边并联一个高频滤波性能良好的小电容 C2。而直流稳压电路输出端 的电容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。其原理都一样，下面介绍LM7805系列集成稳压块主要技术参数：输入电压：DC3V35V ;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

25、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Vov5V时亦然。ViVo氏尹1 IL2.2三端稳压电源内部图贵州大学本科毕业论文(设计)第8页2.2中央控制器 AT89C2051AT89C2051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。2.2.1 AT89C2051 的特点AT89C2

26、051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：0Hz24MHz ; 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； 128X 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。2.2.2 AT89C2051的功能描述T89C2051是美国爱特梅尔(ATMEL CORPORATION )半导体制造公司生产的

27、 一种高性能的单片机，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、低功耗、可以在接近零频率下工作，广泛的应用于各种计算机系统、 工业控制、电讯设备、宇航设备及消费类产品中。由于ATMEL是全球最大的FLASH 和EEPROM生产制造公司，加之以其 EEPROM技术与INTEL的80C31内核技术 交换，使ATMEL从此拥有80C31内核的使用权，从而该公司的 89C51系列单片 贵州大学本科毕业论文（设计）第14页机具有极高的性能价格比。AT89C2051的性能结构上是一个功能强大的单片机， 它将AT89C51的P0 口、 P2 口、EA/Vcc、ALE/PROG、

28、 口线简化后，形成的一种仅 20个引脚的单片机， 相当于INTEL8031的最小应用系统。这对于一些不太复杂的控制场合，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微处理器，这为许多嵌入式控制 提供了一种极佳的方案，使传统的 51系列单片机的体积大、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的主要特点：2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（ FLASH EEPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM ），可重复擦写10000次，数 据保存时间10年，

29、工作电压范围：2.76V,工作频率：024MHz ,15根可编程I/O 引线，2个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行口， 一个精密模拟比较器，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），所以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，智能煤气表，测速仪等智能仪器。2.2.3 AT89C2051的管角说明AT89C2051单片机为20引脚芯片如图2.3所示:RST J_2-1 20WCW ra.o -PL7(IXD)

30、R3.1 -PL6XI?L2 -PL5XDU AI89C3351PL40NIO)Ri2 -PL30NH)Ri3 -PL2(TWR3.4 -PLKA1ND0DR15 一GO _10 11P3.7图2.3 AT89C2051引脚分布图AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚如图10.1所示，与8051内部结构进行对比可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地 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P1.2P

31、1.7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（I）。P1 口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据4. P3口： P3口的P3.旷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

32、流。当P3 口引脚写入“ T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。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“ T。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。6. 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7. XTAL2 :作为振荡器反相放大器的输出。表2.1 P3 口的功能P3

33、 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（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）从上述引脚说明可看出,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，因此利用 AT89C2051构成的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本身即构成了最小单片 机系统。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）FlashRom15个双向I/O 口6个中断源两个16位可编

34、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2.3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

35、电机来控制变的非常的简 单。2.3.1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。常见的步进电机分三种：永磁式（PM）,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

36、，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，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优 点。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。 这种步进电机的应用最为广泛。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号， 步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进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） o 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

37、 的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的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。调整单片机发出的

38、脉冲频率，就可以 对步进电机进行调速。（4）步进电机的静态指标及术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用 m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，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-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用B表示。9 =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9 =360度/ （50*4） =1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为 9 =360度/

39、 （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 波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力 矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，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，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成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：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 用百分比 表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5

40、%之内，八 拍运行时应在15%以内。失步：电机运转时运转的步数，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角度， 电机运转必存在失调角，由失调 角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。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，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，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的曲线贵州大学本科毕业论文（设计）第15页称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 其它特性还有惯频特性、

41、起动频率特性等。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，

42、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。根据设计要求，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、噪声大的缺点。如果 使用细分方式，就能很好的解决这个问题，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的圆形旋 转磁场，从而实现步进电机步距角的细分， 一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定 了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的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

43、理。贵州大学本科毕业论文(设计)第17页2.3.2 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

44、转控制功能；(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2.5GND RETT EHJlBLe OSC cwccw CLIO CLIC1MlM2 FLEFINCCCM NVNVEPGENFE；KIOE A HFA 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

45、；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(15KHZ80KHZ )，计算公式为：fosc = 1/5.15 febsc式中，cosc的单位为pF_fosc的单位为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& 9 ( M1、M2):选择激励方式，00表示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 (REF IN) : VNF输入控制，接高电

46、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) : E相和A相电流检测端，由该引脚外接电阻和REF-IN 引脚控制的输出电流为：IO = VNF / RNF脚20、23 ( A、A) : A相输出引脚贵州大学本科毕业论文（设计）第19页AT8435H的工作原理：TA8435主要由1个解码器，

47、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。如图 2.6-参-ffCC*mrr酹旨LE、唯祿忆A rn石*地 rh时-h里电DECODERjI-NAHLFAMOLNABLtRESET图2.6TA8435H原理图在图2.6中，第一个CK时钟周期时，解码器打开桥式驱动电路，电流从VMA 流经电机的线圈后经 RNFA后与地构成回路，由于线圈电感的作用，电流是逐渐 增大的，所以RNFB上的电压也随之上升。当 RNFB上的电压大于比较器正端的 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上的电压也相应减小；当电压值小于比较器正向电压时，

48、 桥式驱动电路又重新导通，如此 循环，电流不断的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，另外由于斩波器频率很咼，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的，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达到第2阶段，比较器正向电压也相 应为第2阶段的电压，因此，流经步进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的工作原理 与第1、2是一样的，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

49、在线圈 B上的电流，如图2.7中IB。在CK 一个时钟周期内，流经线圈A和线圈B的电流共同作用下，步进电机运转一个细分图2.7TA8435细分工作原理图贵州大学本科毕业论文（设计）第20页2.3.3步进电与驱动芯片连接电路设计*5 Viht口VCCri.LPl 2! -1Pt 5GNDTT；M»cFUiWJ4?VCC VMbCKI VNlat讥崗 AMlM2REF 用 auTAH435HENABLfioscNFAPflNFBR2O ®o贵州大学本科毕业论文（设计）第#页贵州大学本科毕业论文（设计）第23页图2.8TA8435与步进电机工作电路图图4是单片机与TA8435相连

50、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/R

51、nf。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。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2.4.1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，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。针对复位电路对时间的 需要

52、，我们对上电复位电路进行精心设计。一般来讲，Vcc电源的上升时间不超过1ms,片内振荡器启动时间在10ms之内。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2.9所示：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，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

53、整个复位过程得以完成。2.4.1单片机复位后的状态的分析单片机的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 =0000H，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改变片内 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。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位 后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要 的。说明：表中符号*为随机状态；表2.3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PSW00HTH000HP0 P3FFHSBUF不定I

54、P*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW= 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RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加 后压法则，第一个被压入的内容写入到 08H单元中；PoP3= 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 = *00000B，表明各个中断源处于低优先级;IE = 0*00000B，表明各个中断均被关断；A = 00H,表明累加器已被清零；51单片机的复位是由

55、RESET引脚来控制的，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，而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，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，（在特殊寄存器介绍时再做详细说明）至于内部 RAM内部的数据则不变。2.5时钟电路的设计与工作原理分析2.5.1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个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.5.2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，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