【正文】 系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)下雨時，駕駛者須以人為判斷前擋風(fēng)玻璃承受落雨量之模糊程度，故采用手動方式調(diào)整雨刷啟動按鈕，如此不僅使駕駛者分心，亦使玻璃落雨量刮除之清晰度不一，兩者均與駕駛安全相關(guān)，因此雨刷系統(tǒng)性質(zhì)屬于主動性安全裝置。自從世界的第一輛汽車的制造出來，雨刷器就被聰明的人們用在了汽車上。這樣，駕駛者就無需調(diào)節(jié)雨刷器設(shè)置來迅速停止刮片的運(yùn)動或者得到更好的視角。 國內(nèi)外許多汽車廠商研制以雨水傳感器為基礎(chǔ)的汽車制動控制系統(tǒng)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī) 械結(jié)構(gòu)的雨刷器，但不是價格昂貴就是系統(tǒng)不完善。 本系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)取代傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)（傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)為直流電機(jī)），目的是運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制精度高等特點，是系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。比如當(dāng)下小雨時，雨刷器自動工作在小雨運(yùn)行方案（雨刷電機(jī)轉(zhuǎn)動一個來回后停止 10s后繼續(xù)運(yùn)行），當(dāng)中下大雨時，雨刷器自動工作在中大雨運(yùn)行方案（雨刷電機(jī)轉(zhuǎn)動一個來回后停止 5s后繼續(xù)運(yùn)行），當(dāng)下大雨時，雨刷器自動工作在大雨運(yùn)行方案（雨刷電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個來回后繼續(xù)運(yùn)行）。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用細(xì)分發(fā)進(jìn)行控制，這樣可以使電機(jī)工作更穩(wěn)定，并通過編程實現(xiàn)對汽車雨刷的控制。設(shè)計中鍵盤、電機(jī)驅(qū)動芯片的也需要做出合理的選擇，下面對幾種主要器件進(jìn)行比較?？臻e時， CPU 停止，而讓RAM、定時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。因為其是純粹的數(shù)字 控制 電動機(jī)，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常合適 單片機(jī) 控制，在非超載的情況 下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角，同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無累積誤差，精度高。 圖 1 四相六線制步進(jìn)原理圖 （ 3）電動機(jī)驅(qū)動芯片的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計的核心部分就是對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行控制。工作電壓范圍寬（ 10－ 40V） L298是 ST公司生產(chǎn)的 內(nèi)部集成有兩個橋式電路的電機(jī)驅(qū)動專用芯片，它驅(qū)動的電壓可達(dá)到 46V，單個橋直流電流可達(dá)到 2A。 其實對于本設(shè)計來說，上述兩塊芯片都可用。相比較各類雨水傳感器的性能和價格，設(shè)計中采用的是第三種方案的雨量傳感器，其是 基于光強(qiáng)變化的原理，提出了一種新的紅外線雨水傳感器。 第 5周 第 6周 確定方案，提交開題報告。 第 13周 第 15周 完成不少于 10000字的畢業(yè)設(shè)計論文。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。此設(shè)計能免去駕駛員對雨刷的反復(fù)操作，提高了駕駛的安全性和舒適性，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(yùn)行的可靠度。 Automatic wipers Control System Design 1 緒論 研究背景 根據(jù)科學(xué)家針對消費(fèi)者對中型房車產(chǎn)品屬性偏好之研究，結(jié)果顯示消費(fèi)者對配備及式樣依序包括自動預(yù)縮安全帶、駕駛座安全氣囊、前座乘客座安全氣囊、主動式護(hù)頸頭枕、晶片防盜器、前霧燈、可調(diào)式間歇式雨刷、電動收藏廣角后照鏡、車側(cè)轉(zhuǎn)向警示燈、倒車?yán)走_(dá)。主動性安全系統(tǒng)為汽車系統(tǒng)工程師的努力目標(biāo)之一，且雨刷系統(tǒng)必然為擋風(fēng)玻璃保持清晰的唯一選擇。主動性安全系統(tǒng)為汽車系統(tǒng)工程師的努力目標(biāo)之一，且雨刷系統(tǒng)必然為擋風(fēng)玻璃保持清晰的唯一選擇。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(fēng)擋玻璃駕駛室 上，第三種把雨水傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強(qiáng)的變化感應(yīng)傳感器。考慮到設(shè)計成本，設(shè)計運(yùn)用的這些材料相對于其他同類產(chǎn)品價格非常底。 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 本次設(shè)計的設(shè)計思路是：運(yùn)用汽車雨量傳感器對環(huán)境雨量大小的檢測，把信號輸單片機(jī)系統(tǒng)，通過程序控制步進(jìn)電機(jī)根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)中所用的單片機(jī)為 AT89C2051單片機(jī)，其是一種性能優(yōu)良的集成可編程的單片機(jī)，其功能的強(qiáng)大，它把 CPU、存儲器、及 I/O集成到一個芯片上，只要外加少許電子零件便可以構(gòu)成一套簡易的控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)中大多采用直流電機(jī)，但綜合考慮，采用了步進(jìn)電機(jī)作為雨刷電極。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。 （ 2）電機(jī)的選擇 本設(shè)計中運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電極（傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)為直流電機(jī)）其相比傳統(tǒng)雨刷具有控制靈活、精度高等優(yōu)點。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 .。 TA8435 是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片 ,TA8435主要由 1 個解碼器， 2個橋式驅(qū)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。其外， L298 的兩個橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機(jī)，直流電流可達(dá)到 4A。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(fēng)擋玻璃駕駛室一側(cè)，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強(qiáng)的變化感應(yīng)傳感器 。 圖 結(jié)構(gòu)框圖 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的主要特點 基于單片機(jī) AT89C2051對步進(jìn)電機(jī)控制制作型的汽車控制系統(tǒng)的主要特點有： ? 本設(shè)計運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)取代傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)，從而使控制精度增加，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路簡單易懂。 ? 因為整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，因此體積小，功耗低。其中， AT89C2051單片機(jī)是整個電路的核心。而輸出電阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)，它們決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因為線性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容C3和 C4是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。注意事項：引腳不能接錯，公共端不能懸空；為防止過熱應(yīng)安裝散熱片，其內(nèi)部原理圖如圖 ，按圖我們來分析其原理：在本設(shè)計中應(yīng)輸出電 壓為 Vo=5V，則當(dāng) Vo＞ 5V時， T2的 b極電壓上升，進(jìn)而 T2的 c極電壓下降，進(jìn)而 T1的 b極電壓下降 ,進(jìn)而 T1的 Vce極電壓上升，進(jìn)而 Vo趨于 5V；反之當(dāng) Vo＜ 5V時亦然。 AT89C2051 的特點 AT89C2051具有以下幾個特點： ① AT89C2051與 MCS51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； ② 片內(nèi)有 2k字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器； ③ 全靜態(tài)工作 ,工作范圍 :0Hz～ 24MHz； ④ 有 2 個程序保密位，保密位 1 被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，保密位 2被編程之后，程序不能被讀出 ； ⑤ 128 8位內(nèi)部 RAM； ⑥ 32位雙向輸入輸出線； ⑦ 兩個十六位定時器 /計數(shù)器； ⑧ 兩個串行中斷 ， 兩個外部中斷源 ； ⑨ 內(nèi)置一個模擬比較放大器 ； ⑩ 間歇和掉電兩種工作方式。這對于一些不太復(fù)雜的控制場合，僅用一片 AT89C2051就足夠了。 AT89C2051 的管角說明 AT89C2051單片機(jī)為 20引腳芯片如圖 ： 圖 AT89C2051引腳分布圖 AT89C2051 是一個有 20 個引腳的芯片 ,引腳如圖 所示 ,與 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn) ,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?？谝_ ～ 。當(dāng) P1口引腳寫入“ 1”時 ,其可用作輸入端。 固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O引腳而不可訪問。 P3口還用于實現(xiàn) AT89C2051的各種功能 ,如下表 101所示。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時 ,持續(xù)給出 RST 引腳兩個機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。 表 P3 口的功能 P3口引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時器 0外部輸入 ) 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(kuò)展存儲器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號 ,因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲器或 I/O 設(shè)備 ,也即 AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片 機(jī)系統(tǒng)。使得 在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán) 控制。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。常用 m 表示。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電 機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。用百分比表示：誤差 /步距角*100%。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性 等。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個問題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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大小，步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。 AT8435H芯片的引腳圖如下圖 圖 TA8435H引腳圖 TA8435H采用 ZIP25封裝形式，圖 。如圖 圖 TA8435H原理圖 在圖 中，第一個 CK 時鐘周期時，解碼器打開橋式驅(qū)動電路，電流從 VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成回路，由 于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以 RNFB上的電壓也隨之上升。在 CK一個時鐘周期內(nèi)，流經(jīng)線圈 A和線圈 B的電 流共同作用下，步進(jìn) 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個細(xì)分步。步進(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩， D1－ D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。針對復(fù)位電路對時間的需要，我們對上電復(fù)位電路進(jìn)行精心設(shè) 計。 RST 腳的電壓等于 Vcc 與電容兩端電壓之差。 單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)的分析 單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。 51 單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，（在特殊寄存器介紹時再做詳細(xì)說明）至于內(nèi)部 RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應(yīng)不接。由于單 片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信 號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。 圖 時鐘振蕩方式 由上圖可見， XTAL1接地 ， 外部振蕩信號由 XTAL2引入。振蕩頻率foscl2 分頻后形成機(jī)器周期 MC。 4 種時序單位中，振蕩周期和機(jī)器周期是單片機(jī)內(nèi)計算其它時間值 (例如，波特率、定時器的定時時間等 )的基本時序單位。根據(jù)雨量的多少不同，可輸出相應(yīng)的脈沖，當(dāng)小雨時，輸出脈沖較少。在第二種介質(zhì)中折射光線和分界面法線 n0 的夾角稱為折射角。折射角變成90176。空氣的折射率是 1，水的折射率是 ，玻璃的折射率是 。如圖所示。如果在擋風(fēng)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。 硬件設(shè)計與實現(xiàn) 紅外發(fā)射電路 紅外發(fā)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，價格便宜等優(yōu)點。如圖 3所示，經(jīng)式 (2) （ 3）（ 4）計算，得出 R R C1值。放大電路的任務(wù)是對光脈沖信號進(jìn)行線性放大和整形。 本文設(shè)計的接收電路采用德律風(fēng)根公司（ Vishay）的紅外專用集成接收芯片 TK1838，將各功能電路封裝在一起，以實現(xiàn)接收脈沖編碼信號調(diào)制的紅外光信號，塑料封裝可濾除可見光。它具有微型一體化塑料封裝、體積小、可靠性高、內(nèi)部屏蔽、抗干擾光能力強(qiáng)、 5V 供電、功耗低、輸出信號靈敏、價格便宜等優(yōu)點。 當(dāng)有雨滴落在擋風(fēng)玻璃的“敏感區(qū)域”時， 1腳輸出一串脈沖波，小雨時，脈沖波的數(shù)量少； 大雨時，脈沖波的數(shù)量多。本設(shè)計中：在小雨的時候，輸出脈沖個數(shù)定為每 10ms輸出個數(shù)小于 80個；中雨時，每 10ms輸出個數(shù)大于等于 80小于等于 160；大雨時，輸出個數(shù)為每 10ms大于 160個。 首先分析主程序的流程，其主程序程序流程圖如圖 應(yīng)用兩個定時計數(shù)器， Timer0采用中斷方式（每定時 10ms 中斷一次）； Timer1 采用查值方式，用作計數(shù)（ Timer0沒中斷一次，讀取他的一次值，并作 相應(yīng)的處理） 主程序的初始化內(nèi)容 如上圖顯示，本設(shè)計的主程序設(shè)計比較簡單。所以，編程時應(yīng)在 0000H處寫一條跳