汽车自动雨刷控制系统设计.docx

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汽车自动雨刷控制系统设计

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

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。

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（FLASHROM）的低电压、高性能CMOS8位微控制器，该器件采用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（FLASHROM）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，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。

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，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：

⑴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。

⑵运用单片机控制系统，程序固化了，使系统更加稳定。

⑶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。

⑷设计中运用元件价格便宜，适合推广使用。

⑸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，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：

DC3V～35V；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Vo＞5V时，T2的b极电压上升，进而T2的c极电压下降，