汽车与自动雨刷控制系统的设计

1、贵州大学本科毕业论文(设计) 第页目 录摘 要.IVAbstract .V前 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.21.2.2 原理方框图.51.3 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.62.1 电源电路的设计与分析.62.2 中央控制器 AT89C2051.82.2.1 AT89C2051 的特点.82.2.2 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

2、电机的基本原理及特点.122.3.2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.202.4 复位电路的设计.202.4.1 单片机复位电路基本原理及特点.202.4.1 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.23贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I页2.5.3 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.293.1 主程序设计.293.1.1 主程序的初始化内容.3

3、03.1.2 代码转换程序.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.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

4、计电路原理图.46贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II页附录三 汽车自动雨刷控制系统设计电路 PCB.47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III 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

5、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，步进电机贵州大学本科毕业论文(设计) 第IV 页Automatic wipers Control System Design Abstract The sensors designed mainly to the completion as a detector and software design t

6、o achieve a timely manner on the wipers to stop the motor, and are to reverse in order to achieve the automatic control of the vehicle wipers. The design is modern sensor technology and control technology in the automobile manufacturing industry in the application and use of the design of the steppe

7、r motor instead of the traditional wipers motors, sensors detected by the size of the rainfall signal, the signal input in the SCM AT89C2051 Stepper motor controlled by the start of motor rotation speed and positive and time. Design TA8435H use as a stepping motor driver chip, it is the PWM chopper

8、drive, so overcome stepper motor in the low-frequency work, there will be vibration, noise major shortcomings. This design can be removed from the driver of the wipers of repeated operations, improve driving safety and comfort, reduce the pilot operation of the wipers the accident, greatly improving

9、 the reliability of the car wipers running. Keyword：SCM，Sensors，Stepper motor，Automatic wipers Control System Design贵州大学本科毕业论文(设计) 第 0页前 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

10、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

11、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

12、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 1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大雨运行方案（雨刷

13、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

14、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、电机驱动芯片的也需要做出合理的选择，下面对几种主贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2页要器件进行比较。（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

15、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

16、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 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

17、。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。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3页图 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

18、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（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

19、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）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

20、化感贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4页应传感器。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

21、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贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5页部分。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，

22、材料选用上都具有简单，使用性强等优点。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6页第二章 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。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

23、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贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7页直流电源。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

24、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，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

25、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压为 Vo=5V，则当 Vo5V 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 Vo5V 时亦然。 2.2 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 AT89C2051AT89C

26、2051 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: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

27、程之后，程序不能被读出； 1288 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一种高性能的单片机，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、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

28、之以其 EEPROM 技术与 INTEL 的贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9页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、 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

29、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，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，

30、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：贵州大学本科毕业论文(设计) 第10 页 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

31、 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 P1.2P1.7 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P1.2P1.7 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)

32、。 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 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的七个双向 I/0 引脚。贵州大学本科毕业论文(设计) 第11 页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。 5.

33、 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。 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 口引脚 功能 P3.0 RXD(串行输入端口) P3.1 TXD(串行输出端口) P3.2 INT0(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 TO(定时器 0 外部输入) P3.5 T1(定时器 1 外部输入) 从上述引脚说明可看

34、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。贵州大学本科毕业论文(设计) 第12 页 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 Rom15 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

35、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

36、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。贵州大学本科毕业论文(设计) 第13 页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，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

37、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） 。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

38、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-CD,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贵州大学本科毕业论文(设计

39、) 第14 页相数：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 表示。=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 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。定位转

40、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%之内，八拍运行时应在 15%以内。失步：电机运转时运转的步

41、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。贵州大学本科毕业论文(设计) 第15 页运行矩频特性：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、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

42、，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

43、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理。贵州大学本科毕业论文(设计) 第16 页2.3.2步进电机驱动

44、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（1040V）； (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）带有复位和使能引脚； (7）可选择使用

45、单时钟输入或双时钟输入。 AT8435H 芯片的引脚图如下图 2.5贵州大学本科毕业论文(设计) 第17 页图 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（15KHZ80KHZ） ，计算公式为：fos

46、c1/5.15cosc式中，cosc 的单位为 Ffosc 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，贵州大学本科毕业论文(设计) 第18 页0 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

47、，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：IOVNFRNF脚 20、23（ A、A）：A 相输出引脚。AT8435H 的工作原理: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。如图 2.6贵州大学本科毕业论文(设计) 第19 页图 2.6 TA8435H 原理图在图

48、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，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的，可以近似认为输出电

49、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 时钟周期贵州大学本科毕业论文(设计) 第20 页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步。图 2.7 T

50、A8435 细分工作原理图2.3.3步进电与驱动芯片连接电路设计贵州大学本科毕业论文(设计) 第21 页图 2.8 TA8435 与步进电机工作电路图图 4 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：M10、M20，电机按整步方式运转；M11、M20，电机按半步方式运转；M10、M21，电机按 1/4 细分方式运转；M11、M21，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

51、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：IOVref/Rnf。图 4 中，设 REFIN1，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，D1D4 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

52、程，CPU 发出内部复位贵州大学本科毕业论文(设计) 第22 页信号。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，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

53、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。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PC0000H，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

54、住一些特殊功能寄贵州大学本科毕业论文(设计) 第23 页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PSW00HTH000HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操

55、作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到 08H 单元中；PoP3FFH，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；IE0*00000B，表明各个中断均被关断；贵州大学本科毕业论文(设计) 第24 页A00H，表明累加器已被清零；51 单片机的复位是由 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

56、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 XTAL

57、1 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。贵州大学本科毕业论文(设计) 第2

58、5 页由上图可见，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。2.5.3 单片机的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，片内的各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，所以，1 个状态周期包含有 2个振荡周期。振荡频率 foscl2 分频后形成机器周期 MC。所以，1 个机器周期包含有 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

59、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它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。单片机外接晶振频率 12MHZ 时的时序单位的大小：振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us贵州大学本科毕业论文(设计) 第26 页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

60、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，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，实验证明，该雨水传感器反应灵敏，实时性好，性能稳定。 图 2.11 雨水传感器内部结构2.6.1 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