车窗升降控制器的设计.docx
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车窗升降控制器的设计
自动车窗升降控制器的设计与制作
摘要：
车窗是汽车必不可少的重要部件，早期的汽车采用传统的手动升降车窗。
90年代中期以来，汽车车窗控制器的控制技术发展迅速，电子模块控制形式大量应用于批量装车，并设有安全保护装置。
现在许多轿车门窗玻璃的升降使用的是价格低廉、性能稳定的单片机作为集成模块控制器进行控制。
据此本次设计也是以STC89C52RC单片机作为核心控制器，L9110芯片为电机驱动，带有温度检测以及状态显示的车窗升降控制器。
通过5V小功率电机的正反转、停止以及自动上升功能，模拟车窗的升降以及车辆停车熄火时车窗自动关闭控制功能。
采用单片机作控制核心不仅价格低廉而且性能稳定，电路简单。
关键词：
单片机；直流电机；车窗升降；温度检测
Designandmanufactureofautomaticwindowliftcontroller
Abstract:
Windowsareimportantandindispensablepartsforautomobiles,earlycarsusedtraditionalmanuallyliftwindow.Sincethemid90,rapiddevelopmentofcontroltechnologyofautomobilewindowcontroller,electroniccontrolmoduleformswidelyusedinbulkloading,andareequippedwithsafetydevices.Nowmanycarwindowglassliftisusedascheap,stableperformanceofthesinglechipmicrocomputerintegratedcontrolmodulecontroller.ThisdesignisalsoSTC89C52RCSCMasthecorecontroller,L9110chipformotordrive,withtemperaturedetectionandStatedisplaywindowliftcontroller.5Vlowpowermotorreverse,stop,aswellasanautomaticrisefunction,whenasimulatingmovementsinthecarwindowandvehicleparkingstallwindowclosesautomaticallycontrolfunctions.Usingsingle-chipmicrocomputercontrolledcorenotonlylowpricesbutstableperformance,simplecircuit.
Keywords:
microcontroller;DCmotor;windowlift;temperaturedetection
第2章系统元件选择与论证.................................3
单片机选择与论证.............................................3
电机驱动芯片选择与论证.......................................4
温度传感器筛选与论证.........................................4
显示器选择与论证.............................................4
系统方案设计.................................................5
第3章硬件电路设计.......................................6
硬件系统总体设计.............................................6
STC89C52RC微处理器核心电路...................................6
STC89C52RC单片机简介.........................................6
晶振电路...................................................8
单片机复位电路..............................................9
单片机总体硬件电路设计.......................................9
电源输入电路................................................10
L9110电机驱动电路...........................................11
L9110芯片.................................................11
1602液晶显示器电路..........................................12
1602液晶显示器.............................................12
1602LCD电路设计............................................14
DS18B20数字温度传感器电路...................................15
DS18B20的主要特征..........................................15
工作原理及应用.............................................15
DS18B20数字温度传感器电路设计................................17
按键模块设计................................................17
C语言在单片机中的应用.......................................18
文件包含处理...............................................18
单片机引脚定义.............................................19
主程序流程图设计............................................19
DS18B20传感器模块程序设计...................................20
LCD1602模块程序设计.........................................22
第5章软硬件调试........................................31
硬件调试....................................................31
软件程序调试................................................32
软硬件联调..................................................32
结语.....................................................33
参考文献.................................................34
................................................36
附录1硬件电路原理图.....................................37
附录2元器件清单.........................................38
附录3源程序清单.........................................39
附录4硬件实物图.........................................42
第1章绪论
选题意义
车窗是汽车必不可少的重要部件。
它不仅可以遮风挡雨，为驾驶人提供足够的视角来安全的行车而且调节车窗的开度可以使车内的温度，湿度和气压适应驾驶人和乘客。
当汽车高速行驶时，车窗打开必然要提高汽车的风阻系数[1]从而使车辆的用油量变多，而且风产生的噪音会对驾驶人和乘客的听力造成一定的破坏。
同时一旦发生意外打开的车窗也成为隐患，不利于保护乘客。
当汽车低速行驶时，车窗的开度需要不断地调整来满足乘坐舒适的需要。
鉴于以上原因，车窗的开度不时需要调节。
为了使车窗可以自由调节开度以及操作更加简便灵活车窗升降控制器就成了控制车窗的关键部件。
目前大多数汽车制造商制造的汽车都会有车窗升降控制器，车窗的升降功能已经是汽车的标准功能之一。
我相信没有哪个消费者会购买一款没有车窗升降功能的汽车。
综上所述，自动车窗升降控制器关系到驾驶人和乘客的舒适度和健康，行车安全以及车辆的行驶成本等等。
自动车窗升降控制器的发展历程
早期的汽车采用传统的手动升降车窗。
欧洲的一些豪华汽车制造商于二十世纪八十年代后期将自动窗户控制器首次应用于他们制造的汽车上，经过几十年的发展，其应用技术已相当成熟。
目前国内许多车辆也有这样的配置，它的设计思想是将汽车车窗的平常工作状态和停止状态输入的模拟信号进行A/D转换，把读取的数字信号存储在存储器（ROM）内，通过一个特定的微处理器匹配窗户自动关闭时与正常工作时信号的差别，再通过程序编写来控制电机的旋转[2]。
因为整个过程是连续依次的，可以确保电池没有在充电状态下放电，所以电池和电机能够高效，安全的工作。
现在通过微控制器控制车窗已经普及，实现的功能也多种多样，我相信将来的车窗控制器会更加人性化，智能化。
本文主要研究内容
本次设计是以STC89C52RC单片机为核心控制器，主要研究内容如下：
（1）熟悉STC89C52RC单片机的引脚功能及其硬件外围电路和软件程序的设计。
（2）直流电机驱动芯片L9110的了解，运用以及该芯片电路图的绘制，LCD1602的运用和温度传感器DS18B20的运用。
（3）硬件电路设计遵循布局合理简单，易于实现，简单实用的原则，使系统的抗干扰性能以及各项技术指标都达到设计要求。
（4）学习，研究高级语言C语言在单片机中的应用。
（5）硬件模块的仿真，软件程序的调试以及程序下载到STC89C52RC单片机中运行。
第2章系统元件选择与论证
本次设计会使用到单片机、传感器、电机驱动芯片、LED/LCD、独立按键等元件。
所以在使用何种型号的元件的问题上有必要进行选择和论证。
所以，系统的元件选择应在顺应自动车窗升降控制器功能的前提下，以控制器所处的环境条件为参考，所设计的各个硬件模块电路不仅要符合设计要求的技术参数而且要完成相应的功能。
元器件的选择不仅要考证其实用性而且要满足易于购买，参数合适，性能稳定，功耗低，成本低廉的特点[3]。
单片机选择与论证
从处理能力的角度来看，AT系列微控制器分为基本和增强两个种类。
两种类型的单片机区分主要是从芯片的末位数字1和2来判定。
若末位数字是1，就代表该单片机为基本型。
基本的单片机内含4字节的掩膜ROM，128位的RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源，4个并行口和1个串行口。
若末位数字是2，就代表该单片机为增强型。
增强型单片机拥有8字节掩膜ROM，256位的RAM，3个16位的定时器/计数器，6个中断源，4个并行口和1个串行口[4]。
由以上内容可知增强型单片机较基础型有以下优势：
（1）片内ROM增加了4KB的存储空间。
（2）片内数据存储器提高了128位的存储空间，可以处理更多的数据。
（3）定时器/计数器从2个增加到了3个，在串行通信中可以设置更高的波特率。
（4）中断增加了1而且增加1个看门狗增强型还在数据指针和断电保护等方面有些进步。
（5）增强型最高时钟频率可达33MHz，基础型大抵只有24MHz[5]。
当前市场上的AT89C51已经停销，取代它的是具有ISP能力的S系列单片机。
相比于C系列S51/52具备系统编程功能（ISP）。
考虑到够买器件的价格和难易度，本次设计选择购买宏晶科技公司生产的STC89C52RC单片机。
电机驱动芯片选择与论证
众所周知单片机是5V供电，工作电流很小。
本次设计购买的直流电机工作电流在1.5A左右，如果直接将直流电机接在单片机上会造成动力不足，过小的电流时电机不能转动。
这时需要电机驱动来提供足够的电流使直流电机能够正常工作。
而且电机工作时会产生扰动，扰动电流会影响控制器件的正常工作甚至遭到损坏。
电机驱动芯片可以很好的解决这个问题[6]。
由于单片机是5V供电而且本次设计不需要大功率直流电机，所以选择的是5V供电的小型直流电机。
那么，选择电机驱动芯片时不需要太大的电压范围和工作电流，所以本次设计选择了L9110电机驱动芯片。
温度传感器筛选与论证
因为本次设计中有测温的附加功能，所以需要用到温度传感器。
温度传感器的种类很多，从测量点上看有接触式和非接触式两大类。
从温度传感器的出现发展到现在大体包含四个种类：
热电偶、热敏电阻、电阻温度传感器和IC温度传感器。
这四个种类中的IC温度传感器根据输出方式的不同又可以分为：
模拟输出和数字输出两种种类[7]。
本次设计是以单片机为核心控制器的，温度传感器的选择上还是数字输出型的IC传感器更为方便，简单，对于后续程序设计也大大减少了工作量。
当前市场上的IC温度传感器还是以美国DALLAS半导体公司的DS18B20传感器为主。
它不仅是数字输出型的还是单总线型的，也就是说它与单片机的接口只有一根线，硬件电路十分简单。
显示器选择与论证
显示部分可以使用数码管或液晶显示芯片。
但是若使用数码管的话电路接线太过复杂而且软件设计也会大大增加难度，所以这次我选用了1620液晶显示器。
液晶显示器相比于其他显示器有很多优点：
功率小耗能低、小巧玲珑、可以显示字符及图形、厚度小，由于以上优点使它在各种仪器仪表和小型低功率系统中大放异彩。
液晶显示器又有字符型和图形型之分，顾名思义字符型可以显示字符；图形型可以显示图形。
液晶显示器有单行十六字的；也有两行十六字的；两行二十字的[8]。
1620是一种通用模块。
与数码管相比该模块有如下优点：
1.位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了
2.显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母
3.程序很简单，如果使用数码管动态显示，将需要大量的时间来刷新显示，而1602的自动完成功能。
系统总体方案设计
按下控制开关，控制开关和温度传感器将命令或信号传送给单片机，单片机接收到信号后通过程序的执行再发出控制命令，电机驱动电路连接在单片机和电机之间，能够采集直流电机的电流将其作样本，把样本信号传送给单片机中的A／D转换采样模块，单片机处理采样信号后发出控制指令返回给电机执行，电机就可以进行相应的动作所以才能控制玻璃的升降运动。
液晶显示器也是通过单片机中的程序执行来显示相应的字符。
图2-1自动车窗升降控制器总体设计框图
第3章硬件电路设计
硬件系统总体设计
本系统的硬件主要由STC89C52RC单片机核心电路、1602液晶显示器电路、DS18B20数字温度传感器电路、电源电路以及L9110电机驱动电路和5V直流电机组成。
以下是硬件结构框图。
图3-1自动车窗升降控制器硬件结构框图
STC89C52RC微处理器核心电路
3.2.1STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC是宏晶科技生产的最新单片机，该单片机有处理速度快、功率小能耗低、抗扰动性能强的特点。
它的控制指令标示符是和传统AT系列8051单片机兼容的。
它还有十二时钟/机器周期和六时钟/机器周期两个工作频率，用户可以随意挑选。
主要特性如下：
（1）5V单片机工作电压范围是到。
（2）其工作频率范围为0～40MHz。
（3）拥有片内ROM8KB，片内512BRAM。
（4）共有输入/输出口有32个，当清零后为：
P1~4口是准双向口，P0口是集电极开路输出，当P0口接上拉电阻起输入/输出口作用，当P0口不接上拉电阻时作总线扩展用。
（5）ISP/IAP，与普通的单片机不同的是它可以直接通过预留的引脚下载软件，不需要编程器和仿真器节省了很多资源。
（6）拥有3个16位定时器/计数器。
（7）它拥有四个外部中断源，时钟下降沿触发中断并进入掉电模式[9]。
图3-2STC89C52RC引脚图
STC89S52RC引脚功能说明：
VCC:
电源
GND:
接地
P0口：
P0口可以作一个八位漏极开路的双向I/O口使用或者作为低八位地址/数据总线使用。
当P0口作双向I/O口时，每个口能驱动八个肖特基门。
当调用外部存储器时，P0口开始作为低八位地址总线，然后再作为双向数据总线使用，这时需要外接一个地址锁存器。
在这个分时复用的情况下，P0具有内部上拉电阻。
P1口：
P1口和P2口在数据输入功能上相同。
对P1端口写“1”时，其中内部的上拉电阻把端口的电平拉高，这时P1口承担着输入口的作用。
当作其作为输入口使用时，内部的高电平电阻和外部的低电平引脚产生压降，这个压降便输出了一个电流。
此外，和引脚具有复用功能，当作触发输入和外部计数输入时它们可以单独作为定时器/计数器2（T2）和定时器/计数器2（T2EX）。
P2口：
P2口和P1口在数据输入功能相同。
但P2口在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在使用八位地址访问外部数据存储器功能时，P2口的内容被锁存在整个访问期间都不会改变。
P3口：
P3口和P1口一样有一般I/O口所具有的功能和特点，但它也有一些复用功能。
如:
RXD（串行输入口），：
TXD（串行输出口），：
外部中断0，：
外部中断1，：
定时器0的外部输入，：
定时器1的外部输入，：
外部存贮器的数据写选通，：
存贮器数据的外部读选通。
RST:
复位端口。
晶振工作时，在RST端口不间断给出两个时钟周期的高电平单片机就会清零。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
EA/VPP:
片外程序存储器访问许可/编程电压输入引脚。
在这个引脚上电平是零还是一决定了该引脚执行那个存储器里的程序。
如果引脚上的电位是“1”，单片机从片内ROM的0000H单元开始执行到FFFFH单元；如果引脚上的电位是“0”，单片机只从片外程序存储器中的初始单元开始运行程序。
用户对单片机片内flash进行并行编程时，此引脚会接收到十二伏的编程电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端[10]。
3.2.2晶振电路
微处理器的正常运行需要矩形脉冲信号来提供其内部各种微操作的时间准则。
时钟信号的产生通常有两种，一种是内部振荡方式另一种是外部振荡方式。
由于单片机内部自带振荡器反向放大器，为了电路简单此处选择采用内部振荡方式。
内部振荡方式是在XTAL1和XTAL2之间接一个石英晶体或陶瓷振荡器[11]，分别在两端接上一个电容来稳定振荡频率。
晶振电路相当于一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。
在这个网络中有两个谐振点，串联谐振是谐振频率较低的点，并联谐振是谐振频率较高的点。
因为晶体自己本身的物理特点使串联谐振和并联谐振的差别不是很明显即频率大致相同，在这个极小的差距内，晶振就相当于一个电感。
晶振可以选用12MHz。
单片机处理速度取决于最小系统的晶振频率，因此为了有更快的处理速度可以采用更高频率的晶振[12]。
晶振负载电容一般使用15~30pF，为了减少寄生电容，晶振和电容要尽可能靠近，单片机和晶振间也要尽可能近。
这个取值是数据手册推荐的经验值。
3.2.3单片机复位电路
单片机在启动时都需要复位，来使单片机及各个部分都在初始时的工作状态。
在单片机处在平时的工作状态和振荡器的稳定状态的时候，只需要在第9引脚RST接个2毫秒的高电平就使单片机复位。
上电复位只需要在复位端口上接个电容和电源，下端连接一个电阻和接地。
在上电位复位操作的过程中，上电操作的时候，复位电路经电容来给复位端提供高电压，这高电压会跟着电容的作用而逐渐减弱。
为了保证系统可靠地复位，高电平必须持续足够长的时间。
复位电路使用的是十千欧的电阻和十微法的电容。
在这样的参数下只需要的时间就能够使电容充电的容量达到电源电压的倍。
在微控制器运行中，电容的电压在0~增0加。
此时十千欧电阻两端的电压从5~反而在减少。
所以在内，RST引脚所接收到的电压是5V~。
在5V正常工作的51单片机中小于的电压信号为低电平信号，而大于的电压信号为高电平信号。
所以在开机内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为左右）[13]。
上电复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2uS以上的高电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2uS，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的[14]。
3.2.4单片机总体硬件电路设计
这部分是本系统的核心部分，提供了一个让单片机能够正常工作的最小电路。
其中，上电复位电路是实现单片机的上电复位功能（本电路不含手动复位按钮，断电开机等于复位）。
软件程序下载接口是现有的不需要购买编程器，STC89C52RC单片机拥有下载程序的专用接口。
晶振电路是给单片机提供振荡信号的，而晶振旁的两个电容则是晶振的负载电容。
单片机的P0口与其他接口不同，P0口是集电极开漏输出,原本就是低电平不能满足外围电路工作需求即没有高电平的驱动能力。
为了给单片机外部电路一个高电平来驱动相应的功能模块需要加装一些电阻。
这些电阻接在电源正极和单片机对应的P0口上，该电阻就叫上拉电阻。
图3-3STC89C52RC单片机电路
电源输入电路
图3-4电源输入电路
本部分是用于电源输入的，其中104电容起到的是去除干扰的作用，而220uF电解电容是用于稳定输入电源用的。
VCC即提供到系统各处的5V电压，通过限流电阻和电源灯实现电源接通的指示。
3.4L9110电机驱动电路
3.4.1L9110芯片
L9110是电机驱动芯片。
它是两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片集成电路之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上[15]。
它具有以下特点：
低静态工作电流；宽电源电压范围；；电流输出能力为每通道800mA；较低的饱和压降；TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU
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