基于单片机的汽车智能雨刮器设计.docx
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基于单片机的汽车智能雨刮器设计
基于单片机的汽车智能雨刮器设计-
（2）
摘要
本次设计的汽车自动雨刷省去了人为手动操作雨刷的问题，能够自动感应雨量并进行相应的工作。
自动雨刷用雨滴传感器作为检测器来感应雨量的大小，把感应信号传给单片机，通过软件的控制驱动芯片自动调节电机的正反转与转动频率。
此次设计采用40引脚的单片机AT89S52，设计中运用ULN2003AN驱动芯片来驱动步进电机的运转，克服了电机在低频工作时的噪音大，震动大的缺点。
本次设计在一定的程度上为驾驶者提供了舒适性和安全性的保障，避免了由于驾驶者手动操作雨刷的不当而带来的交通安全问题，同时也大大的提高了汽车雨刷的全面性与可靠性。
关键词：
汽车自动雨刷，雨滴传感器，单片机，步进电机
Abstract
Thedesignoftheautomaticwipersisimprovedfurtherinthetraditionalmanualbasedon.Automaticwiperwithrainsensorasthedetectorsizeinducedprecipitation,theinductionsignalissenttothesinglechipmicrocomputer.reversingandturningfrequencyautomaticadjustingmotorthroughthecontrolofthesoftwaredriver.Thedesignisbasedonthe40pinofthemicAT89S52.ThatuseofULN2003ANtodrivethesteppermotordriverchipdesignoperation.Thepulsewidthmodulation’schopperdrivermode.Thusgreatlyovercomethenoisewhenthemotorworkinthelowfrequency,vibrationfaults.Providecomfortandsafelyguaranteethisdesigninacertainextentforthedriver,toavoidthetrafficsafetyproblemcausedbythedrivermanuallyoperatedwiperimproper.Atthesametimealsogreatlyimprovethecomprehensivenessandreliabilityofautomobilewindshieldwiper.
Keyword:
Automaticwipers,Rainsensor,SCM,Steppermotor
前言
根据科学家针对消费者对中性车产品属性偏好的研究，结果显示消费者对配备及式样依序包括预缩安全带、前座安全气囊、驾驶席安全气囊、主动护颈头枕、前雾灯、可调间歇式雨刷、电动收藏广角后视镜、倒车雷达等。
可见，对安全性的设备已超过了对舒适性的设备需求。
其中对可调间歇雨刷的需求排在了第六位，消费者认为汽车雨刷必须具有可调频率，以应对不同车况和前挡风玻璃落雨量之需求。
然而驾驶人自己来判断前挡风玻璃落雨量的模糊程度，再去手动调节雨刷，不仅使驾驶者分心，而且使玻璃上落雨量刮除清晰度不一，两者均关系到驾驶的安全。
随着当今社会经济的迅速发展，对汽车性能的追求则在不断的提升，随着汽车制造业不断的创新，汽车中安装了越来越多自动控制系统，增加了汽车的安全性与舒适性，据统计，在雨天行车，世界上因为驾驶员对雨刷的操作不当而带来的交通事故占6%之多。
所有自动雨刷系统的安装对于汽车来说是十分重要的。
自动雨刷控制系统免去了驾驶员手动调节雨刷的麻烦，有效的提高了在雨天驾驶的安全性与可靠性；同时，也避免了因为路边积水溅在挡风玻璃上，驾驶员来不及操作而恐慌造成的交通事故。
国内外许多汽车厂商以雨水传感器为基础的自动雨刷控制系统，不是格昂贵就是系统不完善，反映不灵敏。
现今，则主要是把用雨水传感器检测出来的雨量大小的信号转变成电信号，然后传递给单片机，通过软件的控制来控制电机驱动芯片从而带动电机的旋转。
目前市场上的雨量传感器大都分为以下两种：
利用电阻压变，光强变化的传感器与各种信号控制器连接，来控雨刷电机的转动。
前一种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外侧，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后一种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
因为汽车雨刷主要功能是刮除挡风玻璃上的水渍及污垢，给驾驶者提供一个清晰的视野，所以自动雨刷系统属于必须的安全设备。
主动性安全系统是每个汽车系统工程师努力目标之一，雨刷系统是每辆车上为保证挡风玻璃清晰的唯一选择。
而此次设计的自动雨刷，乃目前各车厂投注心力的开发方向。
第一章自动雨刷控制系统的总体设计
本章主要阐述设计的整体设计思路，系统使用部件选择，设计原理框图与本次设计系统的主要特点。
1.1自动雨刷控制系统设计思路
设计的总体思路是：
运用雨滴传感器感应雨量的大小，把感应信号输给单片机系统，然后通过软件控制雨刷电机根据相应的环境做出不同的转动。
例如，当检测为小雨量的时候，电机工作在小雨模式（电机旋转一个来回要停留10秒再继续进行旋转）；当检测为中大雨的时候则，启动中大雨运转模式（电机旋转一个来回停止5秒后再继续工作）；当检测为大雨的时候，则启动大雨运转模式（电机连续进行来回旋转）。
设计中运用AT89S52单片机，步进电机采用ULN2003AN驱动芯片进行驱动。
1.2设计原理方框图
本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图1.1：
图1.1设计原理框图
1.3系统使用部件选择
系统主要是由单片机最小控制系统（包括晶振电路，复位电路，供电电源），雨滴感应模块，电机驱动模块组成。
1.3.1单片机
AT89S52，AT89C2051的比较与选择
单片机AT89S2051是具有可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的8位CMOS微处理器，有15根I/O线、16位定时/计数器两个、全双向的串行口一个、并且其内部含有精密的比较器和片内振荡器，具有4.25--5.5V的电压工作范围和12MHz的工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁和时钟电路等。
此外还支持二种软件可选的电源节电方式。
在空闲的时候，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统仍然继续工作。
共有20个引脚，引脚图如图1.2所示
图1.2单片机AT89C2051引脚图
单片机AT89S52是种低能耗，高性能的8位CMOS微控制器，在系统中具有8K可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密非易失性存储器技术制造，片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适合常规的编程。
在单片机上拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程存储器Flash，让它在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。
AT89S52单片机具有：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器。
能实现的功能比单片机AT89C2052更加全面，内存更大，引脚更加全面引脚如图1.3所示
图1.3单片机AT89S52引脚图
由上可知，为了更加便于操作，降低难度，不用担心引脚不够的问题，且考虑本次毕业设计小组能够协同工作，则选择单片机AT89S52，另外其是各性能比较全面，在郑州市场比较好买到的价格便宜的理想单片机。
1.3.2电机
选择
设计中选择了步进电机来代替了传统的雨刷电机，相比传统的电机其更加的灵活，精度高。
步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗的来讲就是当驱动器接受到一个脉冲信号，就会相应的驱动步进电机按照设定好的方向转动一个固定的角度。
通过脉冲个数可以来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也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。
在性能上步进电机更适合作为雨刷电机，并且其价格便宜，在市场上供货也比较多所以，所以在本次设计中选择步进电机。
步进电机的原理接线图如图1.4所示：
图1.4步进电机原理图
1-2相励磁顺序表，从输出轴方向看-逆时针方向如下表1.1
表1.1输出轴方向看-逆时针方向
主要的功能参数如下：
1——额定电压
2——相数
3——减速比
4——步距角
5——驱动方式
6——自定位转矩
7——绝缘电阻
1.3.3电机驱动芯片的选择
根据设计书的要求，本次设计核心就是对电机的控制，所以对于选择理想的驱动芯片来驱动电机则就成为了十分重要的一部分了。
最常用的就是脉宽调制式斩波驱动方式，大多步进电机都选择这种驱动方式来进行调速控制，TA8535H与ULN2003AN都是比较常用的，性能也是比较稳定可靠的专用芯片。
TH8435驱动芯片东芝公司生产的脉宽调制式斩波器型二相步进电机驱动芯片，工作稳定可靠，工作电压为10-40V，具有整步，半步，1/4细分和1/8细分运动方式供选择。
其由1个解码器，2个驱动桥式电路，2个电流控制电路，2个输出电流限制电路等功能模块构成。
ULN2003AN是一种最常用的驱动步进电机的芯片，而且接线十分简单，用单片机驱动小量步进电机是很好的选择，有16个引脚其中有七个为输入引脚另外七个为输出引脚，8号是接地引脚，9号是接电源12V或5V的引脚。
比如步进电机公共端接5V，其余四个引脚接驱动芯片的四个输出端，然后单片机或者外围电路接上ULN2003的四个输入引脚。
其实在本设计中这两种芯片都可以选择，但是ULN2003驱动芯片原理更加简单，操作容易，在驱动电机时，工作稳定；而且在市场上驱动芯片ULN2003使用比较广泛，所以选择ULN2003AN作为驱动芯片。
1.3.4雨滴传感器
的选择
在目前市场上雨滴传感器的工作原理大都分为以下两种：
利用电阻压变，光强变化的传感器与控制器相连接，来控雨刷电机的转动。
前种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外面，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
后种是在设计和发展上比较完善的传感器，但在市场上买配件的时候发现前电阻式的更便于设计操作而被选择。
目前在我国光强变化传感器与控制电路相接组成的雨滴传感器发展的比较完善，所以以下我对这两种雨滴传感器做个具体的分析：
光变雨滴传感器
的工作原理：
1光学原理
光线射在两种介质分界面上，当光线从一种介质射入另外一种介质时，光线的传播方向会发生一定的改变，这称之为光的折射。
在另一种介质中折射的光线和分界面的法线n0的夹角称之为折射角。
入射角i和折射角r的关系如下：
（式1）
上式1中
为第二种介质对第一种介质的相对折射率。
光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大到一定的角度，便能使折射角达到90°，这时折射光线就会完全的消失，光会全部反射到原来介质，这种现象叫做光的全反射。
折射角等于90°时的入射角叫做全反射临界角。
全反射的条件是：
①光从光密介质射入向光疏介质中；②入射角等于或大于临界角。
这种传感器就是根据全反射光学原理制成的。
空气和水的折射率分别为1和1.33，玻璃的折射率为1.5。
根据上式计算得出，玻璃和空气两种介质的临界角是42°，玻璃和水之间的临界角是63°。
2工作原理
雨水传感器由红外光发射电路和接收电路组成。
原理框图如图1.5
图1.5红外光发射电路和接收电路
由红外光发射元器件发出的红外光在挡风玻璃的外表面以全反射角反射，其角度必须控制在42°和63°之间。
如果挡风玻璃上有水，一些光会双倍折射出，这样会使红外感光元件接收到的反射光减弱。
在挡风玻璃发生反射的区域被称之为传感器“敏感区域”，仅当雨水在这个敏感区域时，才可以被探测出。
为了使系统更加灵敏可靠，灵敏区域和挡风玻璃区域之间必须要有一个较好的比例，如上图所示。
3红外发射电路
红外发射管用硅光电二极管，其具有暗电流小，噪声低，受温度影响小等优点。
红外发射管用三个并联，采用脉宽调制驱动方式，工作在38kHZ的频率下。
4红外接收电路
红外接收电路由光接收二极管，放大电路，带通滤波器，检波电路等构成。
其中放大电路的作用是对光脉冲信号进行线性放大与整形。
带通滤波器的作用是进行频率选择，滤除干扰信号。
检波电路滤掉载频后检出的原始信号。
因而电路比较复杂，体积也比较大。
在市场上还有种简捷的接收电路，采用的是红外专用集成接收芯片TK1838，将各功能电路封装在一起，用来接收红外光信号，塑料封装可滤除可见光。
内部结构如图1.6。
图1.6芯片TK1838内部结构图
TK1838只有接收到38kHz的脉冲信号时才会起作用。
它具有微型一体化的塑料封装，体积小，可靠性高，抗干扰光的能力强，用5V电源供电，功能损耗小，输出信号比较灵敏等优点。
其内部集成了放大、滤波、解调和控制电路。
当TK1838接收不到38kHz的脉冲信号时，输出为高电平；当接收到38kHz的脉冲信号时，输出低电平（有效信号）。
5传感器参数的选择
这种雨量传感器的参数可根据自己的需求，调节参数。
例如：
在小雨的时，定为每10ms输出脉冲的个数小于80个；在中雨时，输出的脉冲个数大于等于80小于等于160个；在大雨时，可以设定输出脉冲个数为每10ms大于160个。
本设计中选用的雨滴模块介绍如下：
1具体参数即功能描述
电压：
5V
控制板大小：
3*1.6cm
大面积雨滴检测板：
5.4*4.0cm
电源指示灯，输出信号LED指示灯
TTL电平输出
，输出有效信号为低电平，驱动能力为100MA左右
灵敏度可以通过电位器调节。
没有雨的时候LED点亮，整体检测芯片输出高电平；有雨滴上去时，输出低电平，开关指示灯亮，表明为有效信号
雨滴板和控制板是分开的方便将线引出
大面积的雨滴板更有利于检测到雨水
2接线方法
VCC：
接电源正极
GND：
接电源负极
DO：
TTL开关信号输出
AO：
模拟信号输出
3使用方法
接上5V电源电源灯亮，检测板上没有水滴时，DO输出为高电平，开关指示灯不亮，当滴上一滴水时，DO输出低电平，开关指示灯亮，
刷掉上面的水滴，又恢复到，输出高电平状态。
AO模拟输出，作为模拟演示时使用，可以连接到单片机的AD口来检测滴在上面的雨量大小。
DOTTL数字输出，用来连接到单片机上，检测是否有雨。
1.4汽车自动雨刷控制系统的主要特点
基于单片机AT89S52对步进电机控制制作系统的主要特点：
（1）本设计运用步进电机来代替传统的雨刷电机，从而使控制精度更高，响应速度更快，抗干扰能力更强，且外围电路简单易懂。
（2）运用单片机控制系统，程序定化，系统更加稳定。
（3）雨水感应式自动雨刷控制系统使驾驶员去除了手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了在雨天行驶的安全性。
（4）设计中运用元件价格便宜，较适合推广使用。
（5）整个系统可集成于一个芯片上，因此体积小，功耗低。
通过以上方案的分析，我们可以看出单片机技术是现代电子设计的重要发展部分。
采用单片机AT89S52和步进电机结合的自动雨刷控制系统的设计方案，无论是性能上，特点上，还是原理图上，或是在电路设计上都具有简单，使用性强的优点。
第二章控制系统的硬件
设计
根据设计要求，本次设计控制系统的硬件模块
按功能主要分为：
电源模块，单片机模块，感应检测模块，电机及驱动模块。
其中单片机AT89S52模块是本次设计的核心模块。
在本章的这几小节主要对各模块的电路
设计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。
设计的稳压电源设计原理图如图2.1
图2.1稳压电源设计原理图
在本次设计中本分逻辑元件需要稳压电源为5V的直流电，而步进电机的额定电压为12V，所以设计了5V与12V的额定电压电源。
为了解决这个问题，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。
图中有一个大容量的电解电容，起低频滤波的作用。
由于其本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果会比较差，所以为改善滤波电路对高频抑制特性，在其傍边并联一个高频滤波性能良好的小电容。
而直流稳压电路输出端的电容是用来改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。
2.2单片机模块设计
AT89S52单片机是ATMEL公司采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术来制造的，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，同时为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2.2.1单片机
AT89S52
1单片机的特点
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程
1000次擦写周期
全静态操作：
0-33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和断电模式
双数据指针
2AT89S52单片机的管脚说明
单片机AT89S52为40引脚芯片
引脚图如图2.2：
图2.2单片机AT89S52引脚图
各引脚说明如下：
VCC：
电源
GND：
地
P0口：
P0口十余个8位的漏极开路双向I/O口，作为输出口，每位能够驱动8个TTL逻辑电平。
对P0口写“1”是，引脚做高阻抗输入。
在Flash编程的时候，也可用着接收指令字节；在程序进行校验时，输出指令字节，不过程序校验的时候外部需要接上拉电阻。
P1口：
其是一个内部具有上拉电阻的8位双向I/O口，输出缓存器能驱动4个TTL逻辑电平。
对其写“1”时，内部的上拉电阻会把端口拉高，此时可作为输入使用。
在Flash编程与校验的时候，P1口接收低8位地址字节如下表2.1
表2.1P1口接收低8位地址字节
P2口：
其是一个内部具有上拉电阻的8位双向I/O口，输出缓存器能驱动4个TTL逻辑电平。
对其写“1”时，内部的上拉电阻会把端口拉高，此时可作为输入使用。
在Flash编程和校验时，P2口接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
其是一个内部具有上拉电阻的8位双向I/O口，输出缓存器能驱动4个TTL逻辑电平。
对其写“1”时，内部的上拉电阻会把端口拉高，此时可作为输入使用。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（即第二功能）使用，如下表所示
在Flash编程和校验时，P3口接收一些控制信号如下表2.2。
表2.2P3口接收控制信号
RST：
复位输入。
晶振工作时，引脚持续2个机器周期高电平将会使单片机复位。
看门狗及时完成后，引脚输出96个晶振周期的高电平。
30引脚：
地址锁存控制信号ALE在访问外部程序存储器的时候锁存住低8位地址的输出脉冲，在Flash编程的时候作为编程的输入脉冲。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。
31引脚：
访问存储器控制信号。
为了使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA接电源
在Flash编程的时候，也要接电源。
XTAL1与XTAL2接晶振电路。
2.2.2单片机
最小系统设计
单片机最小系统包括有晶振电路设计、复位电路设计、电源电路等，其连线图如下图2.3
图2.3单片机最小系统连线图
1其中晶振电路设计与分析
晶振器特性：
XTAL1和XTAL2分别是反向放大器的输入和输出。
此反向放大器可以当作为片内振荡器。
而且石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
有余输入至内部时钟信号时要通过一个二分频的触发器，因此对外部的时钟信号的脉宽没有任何要求，但必须要保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2时钟电路设计
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XTAL1和XTAL2两个引脚外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，便构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有个高增益反相放大器，当其外接晶振后，就构成了自激振荡器并会产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如下图2.4所示。
图中，两个电容器起到稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值的范围一般在5-30pF之间。
晶振频率典型值为12MHz。
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。
外部振荡方式则是把外部已有的时钟信号导入单片机内。
这种方式适合用来把单片机的时钟同外部信号保持同步。
外部震荡方式线图如下图2.5
图2.4内部振荡接线图图2.5外部振荡连线图
3复位电路的设计与分析
复位电路是在上位或是复位的工程中，控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位的状态，而不是以上电或是刚复位完就开始工作，防止器发出错误的指令，同时也可以提高电磁的兼容性。
单片机在启动的时候都需要进行复位，以使CPU及系统各部件处于初始的状态，并从初始状态开始工作。
设计上电复位电路图如图2.6
图2.6上电复位电路图
接通电源后，电源便通过电阻对电容进行充电。
这时电阻有瞬时电流通过，RST脚的电压等于电阻两端的电压之差。
也就相当于电源的电压值，也就是高电平。
在充电的过程中，随着电容端的电压逐步趋于电源电压，电阻两端最终将没有电流通过，这时RST引脚相当于地相连，因此RST引脚上的电压将最终将接近于0。
这个过渡过程的长短取决于电阻和电容值的大小。
10uF电容足以使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，从而能够使整个复位过程得以完成。
4单片机复位后的状态与分析
单片机复位操作使得单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明此程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动之后，片内RAM为随机值，之后运行中的复位操作不会改变片内RAM区中的内容，其中21个特殊功能寄存器被复位后的状态为确定值，如下表所示。
值得指出的是，记住一部分特殊功能寄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。
注明：
表2.3中符号*为随机状态；
表2.3特殊功能寄存器初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
PSW
00H
TH0
00H
P0～P3
FFH
SBUF
不定
IP
***00000B
SCON
00H
IE
0**00000B
PCON
0*******B
A
00H
TMOD
00H
B
00H
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