【文章內(nèi)容簡介】 和主要特點(diǎn) 本章重點(diǎn)產(chǎn)闡述汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計思路、控制方案的比較、設(shè)計電路的原理框圖以及本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 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。比如當(dāng)小雨時，雨刮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)中大雨時，雨刮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)大雨時，雨刮器自動工作在大雨運(yùn)行方案（雨刷電機(jī) 轉(zhuǎn)動一個來回后繼續(xù)運(yùn)行）。設(shè)計中單片機(jī)運(yùn)用 AT89C2051，步進(jìn)電機(jī)用 TA8435H進(jìn)行驅(qū)動。 方案的選擇設(shè)計與原理方框圖 本系統(tǒng)主要由電源電路、驅(qū)動電路、中央處理單元等組成。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)。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(shí)現(xiàn)對汽車雨刷的控制。通過這些可以降低設(shè)計出來的產(chǎn)品的硬件成本和提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 控制方案比較 設(shè)計中運(yùn)用的單片機(jī)為 AT89C2051, 它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與 INTEL公司的 MCS－ 51 系列單片機(jī)高度兼容 ， 加上我們也學(xué)習(xí)過該類型的單片機(jī)，應(yīng)用相對順手。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。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。 （ 1） AT89C105 AT89C2051的比較選擇 AT89C1051 是一種帶 1K 字節(jié)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(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 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(tǒng)應(yīng)用提供了一種靈活性高且價廉的解決方案。 AT89C1051有以下特點(diǎn)： 1k字節(jié) EPROM、 64字節(jié) RAM、 15根 I/O線、 2 個 16位定時 /計數(shù)器、 5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1 個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有 至 的電壓工作范圍和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(jié)電方式。空閑時， 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。 AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實(shí)現(xiàn)的功能跟 AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器 (FLASH ROM)升級到 2K，還有內(nèi)部 RAM為 128字節(jié)。 由上可知，為了降低難度，增加系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，因為在武漢 的電子城中 AT89C2051容易購買，所以選用了 AT89C2051。 （ 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(diǎn)。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。 在性能上相比步進(jìn)電機(jī)很適合做雨刷電機(jī)，且在價格方面步進(jìn)電機(jī)也很便宜，市場供貨也很多。所以設(shè)計中采用步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)汽車雨刷條件，選用 12V的四相六線制步進(jìn)，其也可以作為兩相電機(jī)使用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 .。 圖 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。 最常用的是脈寬調(diào)制式斬 波驅(qū)動方式，大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式 調(diào)速控制。 TA8435H 和 L298 都是比較常用，性能比較穩(wěn)定可靠的集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片。 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。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。具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機(jī)的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。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。 其實(shí)對于本設(shè)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(shè)計選用 TA8435H作為電機(jī)的驅(qū)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(jù)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(qiáng)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 。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。傳感器由紅外光發(fā)射電路和紅外光接收電路組成，實(shí)驗證明，這種雨水傳感器反應(yīng)靈敏，實(shí)時性好，性能穩(wěn)定。 原理方框圖 該系統(tǒng)主要由控制單元 、檢測部分、驅(qū)動部分和接口單元電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 圖 結(jié)構(gòu)框圖 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 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(diǎn)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。 ? 運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)，程序固化了，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。 ? 雨水感應(yīng)式自動雨刷控制系統(tǒng)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安全性 。 ? 設(shè)計中運(yùn) 用元件價格便宜，適合推廣使用。 ? 因為整個系統(tǒng)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(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計的發(fā)展的重要部分。采用單片機(jī)AT89C2051和步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合的汽車自動雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，無論是在性能，特點(diǎn)，還是原理圖上，或者是在電路設(shè)計上，材料選用上都具有簡單，使用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 電源電路 傳感器 時鐘電路 復(fù)位電路 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 步進(jìn)電機(jī) 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計按功能主要分為：電源模塊、檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊。其中， AT89C2051單片機(jī)是整個電路的核心。附圖 1就是汽車自動雨刷控制系統(tǒng)總電路圖。 在本章下面的幾個小節(jié)中，我們根據(jù)附圖 1 所示的硬件設(shè)計圖，對各個模塊的主要的一些電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和分析。 電源電路的設(shè)計與分析 穩(wěn)壓電源的輸出電壓 UO（或電壓可調(diào)范圍 UOmin~ UOmax）和最大輸出電流 IOmax是它的特性指標(biāo)，這兩個指標(biāo)決定了該電源的適用范圍，同時也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。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。 圖 穩(wěn)壓電源原理圖 因為系統(tǒng)是由單片機(jī)直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓是十分重要的，所以我們設(shè)計了一個穩(wěn)壓電源，如圖 ，本設(shè)計中控制部分的邏輯元件需要 +5V的直流電，而我們設(shè)計使用的步進(jìn)電動機(jī)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(wěn)壓電源。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。 由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個 220V變 12V的變壓器，一個整流橋，兩塊 穩(wěn)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(lián)一個高頻濾波性能良好的小電容 C2。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。 三腳穩(wěn)壓塊選擇：該裝置中的穩(wěn)壓塊選用 LM7805 和 7812 集成穩(wěn)壓塊。其原理都一樣，下面介紹LM7805系列集成穩(wěn)壓塊主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓： DC3V～ 35V；最大輸出電流： 。 LM7805系列穩(wěn)壓塊封裝： 1腳為輸入端 ， 2腳為公共端 ， 3腳為輸出端。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。 圖 中央控制器 —— AT89C2051 AT89C2051是由 ATMEL公司推出的一種小型單片機(jī)。 95年出現(xiàn)在中國市場。其主要特點(diǎn)為采用 Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS51 完全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗比較容易。 AT89C2051 的特點(diǎn) AT89C2051具有以下幾個特點(diǎn)： 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。 AT89C2051 的功能描述 T89C2051是美國愛特梅爾（ ATMEL CORPORATION）半導(dǎo)體制造公司生產(chǎn)的一種高性能的單片機(jī)，它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與 INTEL公司的 MCS－ 51系列單片機(jī)高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作，廣泛的應(yīng)用于各種計算機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)控制、電訊設(shè)備、宇航設(shè)備及消費(fèi)類 產(chǎn)品中。由于 ATMEL是全球最 大的 FLASH和 EEPROM生產(chǎn)制造公司，加之以其 EEPROM技術(shù)與 INTEL的 80C31內(nèi)核技術(shù)交換，使 ATMEL從此擁有 80C31內(nèi)核的使用權(quán)，從而該公司的 89C51系列單片機(jī)具有極高的性能價格比。 AT89C2051 的性能結(jié)構(gòu) 上 是一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)，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(jī)，相當(dāng)于 INTEL8031的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對于一些不太復(fù)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(tǒng)的 51 系列單片機(jī)的體積大、功耗大、可選模式少等諸多困擾設(shè)計工程師們的致命弱點(diǎn)不復(fù)存在。 AT89C2051的主要特點(diǎn)： 2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（ FLASH EEPROM）和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） ,可重復(fù)擦寫 10000 次，數(shù)據(jù)保存時間 10 年，工作電壓范圍： ～ 6V,工作頻率： 0～ 24MHz ,15根可編程 I/O引線， 2個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器，兩級程序加密，輸出口可直接驅(qū)動 LED顯示，低功耗的閑置和調(diào)電保護(hù)工作方式，以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。由于 AT89C2051 單片機(jī)功能強(qiáng)勁，且體積?。ㄐ酒挥?0個引腳），所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)電式或電子式電度表，智能煤氣表，測速儀等智能儀器。 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。 AT89C2051芯片的 20個引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 2. GND：地。