1、-. z目 錄摘要 IVAbstractV前言 1第一章汽車自動雨刷控制系統總體設計和主要特點 21.1 汽車自動雨刷控制系統的設計思路 21.2 方案的選擇設計與原理方框圖 2控制方案比較 21.2.2 原理方框圖 51.3 汽車自動雨刷控制系統的主要特點 5第二章控制系統的硬件設計 62.1 電源電路的設計與分析 62.2 中央控制器 AT89C205182.2.1 AT89C2051 的特點 82.2.2 AT89C2051 的功能描述 82.2.3 AT89C2051 的管角說明 92.3 電機控制電路分析與設計 122.3.1 步進電機的根本原理及特點 12步進電機驅動芯片 16步進

2、電與驅動芯片連接電路設計 202.4 復位電路的設計 202.4.1 單片機復位電路根本原理及特點 202.4.1 單片機復位后的狀態的分析 212.5 時鐘電路的設計與工作原理分析 23振蕩器特性 232.5.2 時鐘電路的設計 232.5.3 單片機的根本時序單位 24-. z2.6 檢測電路的設計與分析 25雨水傳感器工作原理 25硬件設計與實現 26第三章汽車自動雨刷控制系統統軟件設計 293.1 主程序設計 29主程序的初始化容 303.1.2 代碼轉換程序 303.2 中斷效勞程序 30中斷效勞程序的設計 313.3 檢測脈沖及電機運行程序的設計 32第四章汽車自動雨刷控制系統的安

3、裝與調試 334.1 電路圖的繪制與 PCB 板的制作 334.1.1 電路圖的繪制 334.1.2 PCB 板的制作 334.2 元件的識辯與檢測 354.3 元件的安裝焊接與系統功能調試 364.3.1 元件安裝的根本要求與原則 364.3.2 元器件的焊接 374.3.3 系統調試與分析 38總結 39參考文獻 40致 41附錄 42附錄一汽車自動雨刷控制系統設計程序清單 42附錄二汽車自動雨刷控制系統設計電路原理圖 46附錄三汽車自動雨刷控制系統設計電路 PCB47附錄四汽車自動雨刷控制系統設計元件圖 48-. z汽車自動雨刷控制系統的設計摘 要本設計主要完成以傳感器作為檢測器并通過軟

4、件的設計實現適時地對雨刷電機的轉停、正轉及反轉，從而實現對汽車雨刷的自動控制。這次設計是傳感器技術和現代控制技術在在汽車制造業中的應用，并且設計中運用步進電機代替傳統的雨刷電機，通過傳感器檢測到的雨量大小的信號，把信號輸入單片機AT89C2051 過程序控制步進電機的啟動、電機轉動速度及正反轉時間。設計中運用 TA8435H 作為步進電機的驅動芯片，其是脈寬調制式斬波驅動方式，這樣能抑制步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。此設計能免去駕駛員對雨刷的反復操作，提高了駕駛的平安性和舒適性,減少由于駕駛員對雨刷操作帶來的交通事故，也大大提高了汽車雨刷運行的可靠度。 關鍵詞：汽車自動雨刷控

5、制系統，單片機，傳感器，步進電機Automatic wipers Control System DesignAbstract The sensors designed mainly to the pletion as a detector and software design to 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 mo

6、dern sensor technology and control technology in the automobile manufacturing industry in the application and use of the design of the stepper 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 cont

7、rolled by the start of motor rotation speed and positive and time. Design TA8435H use as a stepping motor driver chip, it is the PWM -. zchopper drive, so overe stepper motor in the low-frequency work, there will be vibration, noise major shortings. This design can be removed from the driver of the

8、wipers of repeated operations, improve driving safety and fort, reduce the pilot operation of the wipers the accident, greatly improving the reliability of the car wipers running.Keyword：SCM，Sensors，Stepper motor，Automatic wipers Control System Design-. z前 言在汽車制造業飛速開展的今天，汽車中已經安裝了越來越多的自動控制系統增加主動和被動平安

9、性。據統計，全世界雨天行車有 7的事故是由于駕駛員手動操作雨刷引起的，所以，一種具有極高可靠性能的汽車自動雨刷控制系統顯的非常的重要，汽車自動雨刷控制系統使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的平安性和雨刷的可靠度。國外許多汽車廠商研制以雨水傳感器為根底的汽車自動雨刷控制系統，來代替傳統的機械構造的雨刮器，但不是價格昂貴就是系統不完善?，F在開發的汽車雨刷控制系統中，將雨滴傳感器檢出的雨水強度實成時測量值變電信號，根據電信號的大小，自動設定雨刮器工作的時間間隔，控制雨刮器動作。目前市場上的雨水傳感器大都是依據以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光

10、強變化的傳感器與控制器相連接，控制雨刷電機的工作。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應傳感器。本次設計的汽車自動雨刷控制系統是基于 AT89C2051 單片機、汽車雨量傳感器和雨刷電機并通過軟硬件的設計綜合實現的。而且本系統中采用步進電機取代傳統的雨刷電機傳統雨刷電機為直流電機 ，目的是運用步進電機控制精度高等特點，使系統更加的穩定可靠。本次設計也綜合應用之前學校所學的單片機、微機控制、電路設計、電機拖動等方面的知識，進一步了穩固我們

11、的本專業知識。考慮到設計本錢，設計運用的這些材料相對于其他同類產品價格非常底。此次設計中我們采用了單片機系統的微處理器 AT89C2051 芯片、TA8435H 步進電機驅動芯片等硬件，而且它們具有集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低價格等優點。所以汽車自動雨刷控制系統是個值得推廣的一種方法，且具有很好的市場推廣價值。-. z第一章 汽車自動雨刷控制系統總體設計和主要特點本章重點產闡述汽車自動雨刷控制系統的設計思路、控制方案的比較、設計電路的原理框圖以及本次設計系統的主要特點。 1.1 汽車自動雨刷控制系統的設計思路本次設計的設計思路是：運用汽車雨量傳感器對環境雨量大小的檢測，把信號輸

12、單片機系統，通過程序控制步進電機根據相應的環境做出不同的轉動。比方當小雨時，雨刮器自開工作在小雨運行方案雨刷電機轉動一個來回后停頓 10s后繼續運行 ，當雨時，雨刮器自開工作在雨運行方案雨刷電機轉動一個來回后停頓 5s 后繼續運行 ，當大雨時，雨刮器自開工作在大雨運行方案雨刷電機轉動一個來回后繼續運行 。設計中單片機運用 AT89C2051，步進電機用 TA8435H 進展驅動。1.2 方案的選擇設計與原理方框圖本系統主要由電源電路、驅動電路、中央處理單元等組成。系統中所用的單片機為 AT89C2051 單片機，其是一種性能優良的集成可編程的單片機，其功能的強大，它把 CPU、存儲器、及 I/

13、O 集成到一個芯片上，只要外加少許電子零件便可以構成一套簡易的控制系統。步進電機運用細分發進展控制，這樣可以使電機工作更穩定，并通過編程實現對汽車雨刷的控制。通過這些可以降低設計出來的產品的硬件本錢和提高系統的穩定性。1.2.1 控制方案比較設計中運用的單片機為 AT89C2051, 它的指令集和引腳構造與 INTEL 公司的MCS51 系列單片機高度兼容，加上我們也學習過該類型的單片機，應用相對順手。在傳統的雨刷電機多采用直流電機，但綜合考慮，采用了步進電機作為雨刷電極。設計中鍵盤、電機驅動芯片的也需要做出合理的選擇，下面對幾種主要器-. z件進展比較。1AT89C1051、AT89C205

14、1 的比較選擇AT89C1051 是一種帶 1K 字節閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能 CMOS 8 位微控制器，該器件采用 ATMEL 高密度、非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51 的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能 8位 CPU 和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C1051 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統應用提供了一種靈活性高且價廉的解決方案。AT89C1051 有以下特點：1k 字節 EPROM、64 字節 RAM、15 根 I/O 線、2 個 16 位定時/計數器、5 個向量二級中斷構造、1 個全雙向的串

15、行口、并且含精細模擬比較器和片振蕩器，具有 4.25V 至 5.5V 的電壓工作圍和 12MHz/24MHz 工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節電方式。空閑時，CPU 停頓，而讓 RAM、定時/計數器、串行口和中斷系統繼續工作。AT89C2051 構造與可實現的功能跟 AT89C1051根本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)升級到 2K，還有部 RAM為 128 字節。由上可知，為了降低難度，增加系統的可靠性與穩定性，因為在的電子城中AT89C2051 容易購置，所以選用了 AT89C2

16、051。2電機的選擇本設計中運用步進電機代替傳統的雨刷電極傳統的雨刷電機為直流電機其相比傳統雨刷具有控制靈活、精度高等優點。因為其是純粹的數字控制電動機，它將電脈沖信號轉變為角位移，即給一個脈沖，步進電機就轉一個角度，因此非常適宜單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉速、停頓的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，電機則轉過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。在性能上相比步進電機很適合做雨刷電機，且在價格方面步進電機也很廉價，市場供貨也很多。所以設計中采用步進電機，根據汽車雨刷條件，選用 12V 的四相六線制步進，其也可以作為兩相電機使用。其部構造如圖

17、1.3。-. z圖 1.3 四相六線制步進原理圖3電動機驅動芯片的選擇根據設計要求，本設計的核心局部就是對步進電動機進展控制。最常用的是脈寬調制式斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動芯片都采用這種驅動方式調速控制。TA8435H 和 L298 都是比較常用，性能比較穩定可靠的集成有橋式電路的電機專用芯片。TA8435 是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片,TA8435主要由 1 個解碼器，2 個橋式驅動電路、2 個輸出電流控制電路、2 個最大電流限制電路、1 個斬波器等功能模塊組成。工作電壓圍寬1040VL298 是 ST 公司生產的部集成有兩個橋式電路的電機驅動專用芯片，它

18、驅動的電壓可到達 46V，單個橋直流電流可到達 2A。具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反響給控制電路。其外，L298 的兩個橋式電路還可以并聯起來驅動一個直流電動機，直流電流可到達 4A。其實對于本設計來說，上述兩塊芯片都可用。不過在市場上，TA8435H 使用比較廣，而且控制起來也很方便，所以本設計選用 TA8435H 作為電機的驅動芯片。4雨量傳感器選擇目前市場上的雨水傳感器大都是依據以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三

19、種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應傳感器。相比較各類雨水傳感器的性能和價格，設計中采用的是第三種方案的雨量傳感器，其是基于光強變化的原理，提出了一種新的紅外線雨水傳感器。傳感器由紅外光發射電路和紅外光接收電路組成，實驗證明，這種雨水傳感器反響靈敏，實時性好，性能穩定。1.2.2 原理方框圖-. z該系統主要由控制單元、 、檢測局部、驅動局部和接口單元電路等組成，其構造框圖如圖 1.4 所示。圖 1.4 汽車自動雨刷控制系統構造框圖1.3 汽車自動雨刷控制系統的主要特點基于單片機 AT89C2051 對步進電機控制制作型的汽車控制系統的主要特點有：

20、 本設計運用步進電機取代傳統的雨刷電機，從而使控制精度增加，響應速度快，抗干擾能力強，外圍電路簡單易懂。 運用單片機控制系統，程序固化了，使系統更加穩定。 雨水感應式自動雨刷控制系統使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的平安性。 設計中運用元件價格廉價，適合推廣使用。 因為整個系統可集成在一個芯片上，因此體積小，功耗低。 通過以上方案的分析，就可以知道單片機技術是現代電子設計的開展的重要局部。采用單片機 AT89C2051 和步進電機的結合的汽車自動雨刷控制系統的設計方案，無論是在性能，特點，還是原理圖上，或者是在電路設計上，材料選用上都具有簡單，使用性強等優點。電源電路傳感器

21、時鐘電路復位電路單片機步進電機驅動芯片步進電機-. z第二章 控制系統的硬件設計根據設計要求，該系統的硬件設計按功能主要分為：電源模塊、檢測模塊、單片機控制模塊、電機控制模塊。其中，AT89C2051 單片機是整個電路的核心。附圖 1 就是汽車自動雨刷控制系統總電路圖。在本章下面的幾個小節中，我們根據附圖 1 所示的硬件設計圖，對各個模塊的主要的一些電路進展詳細的設計和分析。2.1 電源電路的設計與分析穩壓電源的輸出電壓 UO或電壓可調圍 UOmin UOma*和最大輸出電流 IOma*是它的特性指標，這兩個指標決定了該電源的適用圍，同時也決定了穩壓器的特性指標以及如何選擇變壓器、整流管和濾波

22、電容。而輸出電阻、紋波電壓、溫度系數是穩壓電源的質量指標，它們決定了穩壓器的穩壓系數、輸出阻抗、溫度系數和濾波電容的選擇。圖 2.1 穩壓電源原理圖因為系統是由單片機直接控制處理，其穩定的電壓是十分重要的，所以我們設計了一個穩壓電源，如圖 2.1 所示，本設計中控制局部的邏輯元件需要+5V 的直流電，而我們設計使用的步進電動機的額定電壓為 12V。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩壓電源。直流穩壓電源又分成線性直流穩壓電源和開關型直流穩壓電源，因為線性直流穩壓電源電路成熟，穩定度高，文波小，干擾小而且。由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩壓電源構造十分簡單，只

23、用了一個220V 變 12V 的變壓器，一個整流橋，兩塊穩壓集成電路7812 和 7805和四個電容。圖中 C1 是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于 C1 本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 C1 傍邊并聯一個高頻濾波性能良好的小電容 C2。而直流穩壓電路輸出端的電容 C3 和 C4 是用作改善穩壓電源電路的瞬態負載響應特性。-. z三腳穩壓塊選擇：該裝置中的穩壓塊選用 LM7805 和 7812 集成穩壓塊。其原理都一樣，下面介紹 LM7805 系列集成穩壓塊主要技術參數：輸入電壓：DC3V35V；最大輸出電流：1.5A。LM

24、7805 系列穩壓塊封裝：1 腳為輸入端 ，2腳為公共端 ，3 腳為輸出端。本卷須知：引腳不能接錯，公共端不能懸空；為防止過熱應安裝散熱片，其部原理圖如圖 2.2 所示，按圖我們來分析其原理：在本設計中應輸出電壓為 Vo=5V，則當 Vo5V 時，T2 的 b 極電壓上升，進而 T2 的 c極電壓下降，進而 T1 的 b 極電壓下降,進而 T1 的 Vce 極電壓上升，進而 Vo 趨于5V；反之當 Vo5V 時亦然。2.2 三端穩壓電源部圖2.2 中央控制器 AT89C2051AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機。95 年出現在中國市場。其主要特點為采用 Flash

25、存貯器技術，降低了制造本錢，其軟件、硬件與 MCS-51完全兼容，可以很快被中國廣闊用戶承受，其程序的電可擦寫特性，使得開發與試驗比較容易。2.2.1 AT89C2051 的特點AT89C2051 具有以下幾個特點： AT89C2051 與 MCS-51 系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容； 片有 2k 字節在線可重復編程快擦寫程序存儲器； 全靜態工作,工作圍:0Hz24MHz； 有 2 個程序位，位 1 被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，位 2 被編程之后，程序不能被讀出； 1288 位部 RAM； 32 位雙向輸入輸出線； 兩個十六位定時器/計數器； 兩個串行中斷，兩個

26、外部中斷源； 置一個模擬比較放大器；-. z 間歇和掉電兩種工作方式。2.2.2 AT89C2051 的功能描述T89C2051 是美國愛特梅爾ATMEL CORPORATION半導體制造公司生產的一種高性能的單片機，它的指令集和引腳構造與 INTEL 公司的 MCS51 系列單片機高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作，廣泛的應用于各種計算機系統、工業控制、電訊設備、宇航設備及消費類產品中。由于 ATMEL 是全球最大的FLASH 和 EEPROM 生產制造公司，加之以其 EEPROM 技術與 INTEL 的 80C31 核技術交換，使 ATMEL 從此擁有 80C31 核的使用權，從而該

27、公司的 89C51 系列單片機具有極高的性能價格比。AT89C2051 的性能構造上是一個功能強大的單片機，它將 AT89C51 的 P0 口、P2 口、EA/Vcc、ALE/PROG、 口線簡化后，形成的一種僅 20 個引腳的單片機，相當于 INTEL8031 的最小應用系統。這對于一些不太復雜的控制場合，僅用一片AT89C2051 就足夠了。由于將多功能的 8 位 CPU 和 2KB 閃速存儲器以及模擬電壓比較器集成到單個芯片上，從而成為一種多功能的微處理器，這為許多嵌入式控制提供了一種極佳的方案，使傳統的 51 系列單片機的體積大、功耗大、可選模式少等諸多困擾設計工程師們的致命弱點不復存

28、在。 AT89C2051 的主要特點：2K 字節閃速可編程可擦除只讀存儲器FLASH EEPROM和 128 bytes 的隨機存取數據存儲器RAM,可重復擦寫 10000 次，數據保存時間 10 年，工作電壓圍：2.76V,工作頻率：024MHz ,15 根可編程 I/O引線，2 個 16 位定時器/計數器，一個 5 向量兩級中斷構造，一個全雙工串行口，一個精細模擬比較器，兩級程序加密，輸出口可直接驅動 LED 顯示，低功耗的閑置和調電保護工作方式，以及片振蕩器和時鐘電路。由于 AT89C2051 單片機功能強勁，且體積小芯片只有 20 個引腳 ，所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統中得到廣泛

29、應用，如機電式或電子式電度表，智能煤氣表，測速儀等智能儀器。2.2.3 AT89C2051 的管角說明AT89C2051 單片機為 20 引腳芯片如圖 2.3 所示：-. z圖 2.3 AT89C2051 引腳分布圖AT89C2051 是一個有 20 個引腳的芯片,引腳如圖 10.1 所示,與 8051 部構造進展比照可發現,AT89C2051 減少了兩個對外端口即 P0、P2 口,使它最大可能地減少了對外引腳,因而芯片尺寸有所減少。 AT89C2051 芯片的 20 個引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 2. GND：地。 3. P1 口：P1 口是一 8 位雙向 I/O 口?？谝_ P

30、1.2P1.7 提供部上拉電阻。 P1.0 和 P1.1 要求外部上拉電阻。P1.0 和 P1.1 還分別作為片精細模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入AIN1)。P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅動 LED 顯示。當 P1 口引腳寫入“1時,其可用作輸入端。當引腳P1.2P1.7 用作輸入并被外部拉低時,它們將因部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1 口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數據。 4. P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是帶有部上拉電阻的七個雙向 I/0 引腳。P3.6 用于固定輸入片比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳而不可。

31、P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當 P3 口引腳寫入“1時,它們被部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時,被外部拉低的 P3 口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。 P3 口還用于實現 AT89C2051 的各種功能,如下表 10-1 所示。 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 5. RST：復位輸入。RST 一旦變成高電平,所有的 I/O 引腳就復位到“1。當振蕩器正在運行時,持續給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需 12 個振蕩器或時鐘周期。6. *TAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和部時鐘發生器的輸入。 7. *TAL2

32、：作為振蕩器反相放大器的輸出。 表 2.1 P3 口的功能P3 口引腳 功能 -. zP3.0 R*D(串行輸入端口) P3.1 T*D(串行輸出端口) P3.2 INT0(外中斷 0) P3.3 INT1(外中斷 1) P3.4 TO(定時器 0 外部輸入) P3.5 T1(定時器 1 外部輸入) 從上述引腳說明可看出,AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、數據、控制信號,因此利用 AT89C2051 構成的單片機應用系統不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備,也即 AT89C2051 本身即構成了最小單片 機系統。 表 2.2 AT89C

33、2051 的主要功能特性兼容 MCS51 指令系統2K 可反復擦寫(1000 次)Flash Rom15 個雙向 I/O 口6 個中斷源兩個 16 位可編程定時計數器2.7-6.0V 的寬工作電壓圍時鐘頻率 0-24MHz128 *8bit 部 RAM兩個外部中斷源兩個串行中斷可直接驅動 LED兩級加密位低功耗睡眠功能置一個模擬比較放大器可編程 UARL 通道軟件設置睡眠和喚醒功能2.3 電機控制電路分析與設計本設計運用步進電取代了傳統的雨刷電機，步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停頓的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影

34、響，即給電機加一個脈-. z沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。2.3.1 步進電機的根本原理及特點步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而到達準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而到達調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為

35、100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。常見的步進電機分三種：永磁式PM ，反響式VR和混合式HB ，永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度 或 15 度；反響式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等興旺國家 80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反響式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反響式步進

36、電機簡稱 VR 、永磁式步進電機簡稱 PM和混合式步進電機簡稱 HB 。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進展控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其根本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為 A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制-. zA,B,C，D 相的通斷。(2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。(3)控制步進電機

37、的速度如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進展調速。(4)步進電機的靜態指標及術語相數：產生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數。常用 m 表示。拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用 表示。=360 度轉子齒數 J*運行拍數 ，以常規二、四相，轉

38、子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為 =360 度/50*4=1.8 度俗稱整步 ，八拍運行時步距角為=360 度/50*8=0.9 度俗稱半步 。定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積幾何尺寸的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。(5)、步進電機動態指標及術語：步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值

39、與理論值的誤差。用百分-. z比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在 5%之，八拍運行時應在 15%以。失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載起動頻率：電機在*種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。最大空載的運行頻率：電機在*種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。運行矩頻特性：電機在*種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重

40、要的，也是電機選擇的根本依據。 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流而非靜態電流 ，平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。圖 2.4 步進電機特性曲線其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高;曲線 1 電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在 180-250pps 之間步距角 1.8 度或在400pps 左右步距角為 0.9 度 ，電

41、機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。根據設計要求，本設計選用的步進電機為選用 32V 的四相六線制步進，其也可以作為兩相電機使用。步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式，就能很好的解決這個問題，步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現步進電機步距角的細分，一般情況下，合成磁場矢量的-. z幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的

42、大小，步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。2.3.2 步進電機驅動芯片實現細分方式有多種方法，最常用的是脈寬調制式斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動芯片都采用這種驅動方式，TA8435 就是其中一種芯片而在這里，我們所接為感性負載步進電動機，因此不能直接由單片機進展直接驅動。選用TA8435H 芯片，TA8435H 是東芝公司推出的一款單片步進電機專用驅動芯片。該芯片具有以下特點： (1工作電壓圍寬1040V； (2輸出電流可達 1.5A平均和 2.5A峰值； (3具有整步、半步、1/4 細分、1/8 細分運行方式可供選擇； (4采用脈寬調試式斬波驅動方式； (5具有正/反轉控制功

43、能； (6帶有復位和使能引腳； (7可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。 AT8435H 芯片的引腳圖如以下圖 2.5圖 2.5 TA8435H 引腳圖TA8435H 采用 ZIP25 封裝形式，圖 2.5 為其引腳排列圖。各引腳功能如下：腳 1S-GND：信號地；腳 2RESET：復位端，低電平有效，當該端有效時，電路復位到起始狀態，此時在任何鼓勵方式下，輸出各相都置于它們的原點；腳 3ENABLE：使能端，低電平有效；當該端為高電平時電路處于維持狀態，此時各相輸出被強制關閉；腳 4OSC：該腳外接電容的典型值可決定芯片部驅動級的斬波頻率15KHZ80KHZ ，計算公式為：-. zfosc1/

44、5.15cosc式中，cosc 的單位為 Ffosc 的單位為。腳 5CW/CCW：正、反轉控制引腳；腳 6、7CK2、CK1：時鐘輸入端，可選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，最大時鐘輸入頻率為 5KHZ；腳 8、9M1、M2：選擇鼓勵方式，00 表示步進電機工作在整步方式，0為半步方式，01 為 1/4 細分方式，11 為 1/8 細分方式；腳 10REF IN：VNF 輸入控制，接高電平時 VNF 為 0.8V，接低電平時 VNF為 0.5V；腳 11MO：輸出監視，用于監視輸出電流峰值位置；腳 13VCC：邏輯電路供電引腳，一般為 5V；腳 15、24VMB、VMA：B 相和 A 相負載電源端

45、；腳 16、19 B、B：B 相輸出引腳；腳 17、22PG-B、PG-A：B 相和 A 相負載地；腳 18、21NFB、NFA：相和相電流檢測端，由該引腳外接電阻和 REF-IN 引腳控制的輸出電流為：IOVNFRNF腳 20、23 A、A：A 相輸出引腳。AT8435H 的工作原理:TA8435 主要由 1 個解碼器，2 個橋式驅動電路、2 個輸出電流控制電路、2 個最大電流限制電路、1 個斬波器等功能模塊組成。如圖 2.6圖 2.6 TA8435H 原理圖在圖 2.6 中，第一個 CK 時鐘周期時，解碼器翻開橋式驅動電路，電流從 VMA流經電機的線圈后經 RNFA 后與地構成回路，由于線

46、圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以 RNFB 上的電壓也隨之上升。當 RNFB 上的電壓大于比較器正端的電壓時，比較器使橋式驅動電路關閉，電機線圈上的電流開場衰減，RNFB 上的電壓也-. z相應減??；當電壓值小于比較器正向電壓時，橋式驅動電路又重新導通，如此循環，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖 2.7 中 IA 波形的第 1 段，另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十 KHz，其頻率大小與所選用電容有關，在 OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認為輸出電流是直流。在第 2 個時鐘周期開場時，輸出電流控制電路輸出電壓 Ua 到達第 2 階段，比較器正向電壓也相應為第 2 階

47、段的電壓，因此，流經步進電機線圈的電流從第 1 階段也升至第二階段 2，電流波形如圖 IA 第 2 局部，第 3 時鐘周期，第 4 時鐘周期 TA8435 的工作原理與第 1、2 是一樣的，只有又升高比較器正向電壓而已，輸出電流波形如圖IA 中第 3、4 局部。如此最終形成階梯電流，加在線圈 B 上的電流，如圖 2.7 中IB。在 CK 一個時鐘周期，流經線圈 A 和線圈 B 的電流共同作用下，步進電機運轉一個細分步。圖 2.7 TA8435 細分工作原理圖2.3.3 步進電與驅動芯片連接電路設計圖 2.8 TA8435 與步進電機工作電路圖圖 4 是單片機與 TA8435 相連控制步進電機的

48、原理圖，引腳 M1 和 M2 決定電機的轉動方式：M10、M20，電機按整步方式運轉；M11、M20，電機按半步方式運轉；M10、M21，電機按 1/4 細分方式運轉；M11、M21，電機按1/8 步細分方式運轉，CW/CWW 控制電機轉動方向，CK1、CK2 時鐘輸入的最大頻率不能超過 5KHz，控制時鐘的頻率，即可控制電機轉動速率。REFIN 為高電平時，NFA 和 NFB 的輸出電壓為 0.8V，REFIN 為低電平時，NFA 和 NFB 輸出電壓為0.5V，這 2 個引腳控制步進電機輸入電流，電流大小與 NF 端外接電阻關系式為：IOVref/Rnf。圖 4 中，設 REFIN1，選用

49、步進電機額定電流為 0.4A，R1，R2選用 1.6 歐姆、2W 的大功率電阻，O、C 兩線不接。步進電機按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩，D1D4 快恢復二極管用來泄放繞組電流。-. z2.4 復位電路的設計2.4.1 單片機復位電路根本原理及特點在 51 系列單片機中，在振蕩器運行時，RST 引腳上保持到少兩個機器周期的高電平輸入信號，復位過程即可完成。為響應這一不定期程，CPU 發出部復位信號。部復位操作是在發現 RST 為高電平后的第二個周期進展的，并且此后每個周期都重復進展復位操作，直到 RST 變成低電平為止。針對復位電路對時間的需要，我們對上電復位電路

50、進展精心設計。一般來講，Vcc 電源的上升時間不超過 1ms，片振蕩器啟動時間在 10ms 之。在這種情況下，把 RST 引腳通 10uF 電容接到 Vcc并同時經過 10K 電阻和地相連，就可獲得上電自動復位的結果。其具體的復位電路如圖 2.9 所示：圖 2.9 復位電路圖接通電源后，Vcc 便對電容通過電阻進展充電。RST 腳的電壓等于 Vcc 與電容兩端電壓之差。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于 Vcc，RST 引腳上之電壓最終將接近于 0。此過渡過程之長短取決于電阻和電容值的大小。10uF 電容足可使RST 腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個機器周期以上的時間保持高于施密特觸發器的低門

51、檻電平，從而使整個復位過程得以完成。2.4.1 單片機復位后的狀態的分析單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器PC0000H，這說明程序從 0000H 地址單元開場執行。單片機冷啟動后，片 RAM 為隨機值，運行中的復位操作不改變片 RAM 區中的容，21 個特殊功能存放器復位后的狀態為確定值，見下表 2.3。值得指出的是，記住一些特殊功能存放器復位后的主要狀態，對于了解單片機的初態，減少應用程序中的初始化局部是十分必要的。說明：表中符號*為隨機狀態；表 2.3 特殊功能存放器與初始狀態表特殊功能存放初始狀態特殊功能存放初始狀態-. z器器PSW00HTH000HP0P3

52、FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW00H，說明選存放器 0 組為工作存放器組；SP07H，說明堆棧指針指向片 RAM 07H 字節單元，根據堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的容寫入到 08H 單元中；PoP3FFH，說明已向各端口線寫入 1，此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出；IP*00000B，說明各個中斷源處于低優先級；IE0*00000B，說明各個中斷均被關斷；A00H，說明累加器已被清零；51 單片機的復位是由

53、RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24 個振蕩周期后，51 單片機即進入芯片部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到RESET 引腳轉成低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，假設為高電平則執行芯片部的程序代碼，假設為低電平便會執行外部程序。51 單片機在系統復位時，將其部的一些重要存放器設置為特定的值，在特殊存放器介紹時再做詳細說明至于部 RAM 部的數據則不變。-. z2.5 時鐘電路的設計與工作原理分析振蕩器特性*TAL1 和*TAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，*TAL2 應不

54、接。有余輸入至部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。2.5.2 時鐘電路的設計8031/8051 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳*TAL1 和*TAL2 外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或瓷諧振器，就構成了部振蕩方式。由于單片機部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。部振蕩方式的外部電路如以下圖 2.3 所示。圖中，電容器 C1，C2 起穩定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 5-30pF。晶振頻率的典型值為 12MHz，采用 6MHz 的情況也比

55、較多。部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩定，實用電路中使用較多。外部振蕩方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式的外部電路如以下圖 2.10 所示。由上圖可見，*TAL1 接地，外部振蕩信號由*TAL2 引入。為了提高輸入電路的驅動能力，通常將外部信號經過一個帶有上拉電阻的 TTL 反相門后接入*TAL2。2.5.3 單片機的根本時序單位單片機以晶體振蕩器的振蕩周期(或外部引入的時鐘周期)為最小的時序單位，片的各種微操作都以此周期為時序基準。振蕩頻率二分頻后形成狀態周期或稱 s 周期，所以，1 個狀態周期包含有 2個振蕩周期。振蕩頻率 f

56、oscl2 分頻后形成機器周期 MC。所以，1 個機器周期包含-. z有 6 個狀態周期或 12 個振蕩周期。1 個到 4 個機器周期確定一條指令的執行時間，這個時間就是指令周期。MCS-51 系列單片機指令系統中，各條指令的執行時間都在 1 個到 4 個機器周期之間。4 種時序單位中，振蕩周期和機器周期是單片機計算其它時間值(例如，波特率、定時器的定時時間等)的根本時序單位。單片機外接晶振頻率 12MHZ 時的時序單位的大?。赫袷幹芷?/fosc=1/12MHZ=0.0833us2.6 檢測電路的設計與分析設計中所用傳感器是運用雨量傳感器，雨量傳感器是汽車自動雨刷控制系統的重要組成局部。本設

57、計中所用雨量傳感器是基于光強變化的原理，提出的一種新的紅外線雨水傳感器。該傳感器由紅外光發射電路和紅外光接收電路組成，利用紅外專用集成接收芯片 TK1838 作為雨水傳感器的接收芯片。根據雨量的多少不同，可輸出相應的脈沖，當小雨時，輸出脈沖較少。當雨量大時，脈沖數量較多。當雨量變化時，會自動轉變脈沖數量，實驗證明，該雨水傳感器反響靈敏，實時性好，性能穩定。圖 2.11 雨水傳感器部構造2.6.1 雨水傳感器工作原理1、光學原理光線射在兩種介質分界面上，當一局部光線射入另外一種介質時，光線傳播方向發生改變，這稱為折射。在第二種介質中折射光線和分界面法線n0 的夾角稱為折射角。入射角i和折射角r有

58、下述關系： 1式中,第二種介質對第一種介質的相對折射率。 光從光密介質折射率n較大射入光疏介質折射率n較小時，如果入射角增大到*一角度，使折射角到達 90時，折射光完全消失，光全部反射回原來介質，這種現象叫做全反射。折射角變成 90時 的入射角叫做臨界角。全反射的-. z條件是，光從光密介質向光疏介質入射，入射角等于大于臨界角。本文設計的傳感器就是根據全反射光學原理制成。空氣的折射率是 1，水的折射率是 1.33，玻璃的折射率是 1.5。根據式1計算得出，光從玻璃入射到空氣中的臨界角是 42，光從玻璃入射到水中的臨界角是 63。 2、工作原理雨水傳感器由紅外光發射電路和紅外光接收電路組成。如圖

59、 1 所示。2.12 雨水傳感器原理圖 圖2.13 555電路輸出由紅外光發射元件發出的紅外光以全反射角度在擋風玻璃的外外表反射，其角度必須在 42玻璃-空氣和 63玻璃-水之間。如果在擋風玻璃上有水，一些光會雙倍射出，且這會引起紅外感光元件接收到的反射光減弱。從發射元件發出的光反射到接收裝置的擋風玻璃區域被稱之為傳感器的“敏感區域，僅當雨水滴到這個區域時，才可以被探測出來。為使系統靈敏可靠，擋風玻璃區域和靈敏區域之間必須要有一個較好的比例。如圖 2.12 和 2.13 所示。2.6.2 硬件設計與實現1、紅外發射電路紅外發射管采用硅光電二極管，它具有暗電流小，噪聲低，受溫度影響小，價格廉價等

60、優點。紅外發射管三個并聯，采用脈寬調制驅動，工作在38kHZ的頻率下。采用這種方式可以減少發射電路的功耗。脈沖發生器采用555電路構成。如圖3所示，經式(2) 3 4計算，得出R1、R2、C1值。微調節R2，使脈沖頻率為38kHz。由于紅外光線肉眼看不見，所以電路中參加LED指示燈來指示紅外發射管是否在工作。2342、紅外接收電路-. z紅外接收電路通常由光接收二極管、放大電路、帶通濾波器、檢波電路等組成。放大電路的任務是對光脈沖信號進展線性放大和整形。帶通濾波器的任務是進展頻率選擇，濾除干擾信號。檢波電路濾掉載頻后檢出的原始信號。因而電路比較復雜，體積也比較大。本文設計的接收電路采用德律風根