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及控制器相连接，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方案的选择设计及原理方框图
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及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，及工业标准的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结构及可实现的功能跟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，增加系统的可靠性及稳定性，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电源电路的设计及分析
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，进而T1的b极电压下降,进而T1的Vce极电压上升，进而Vo趋于5V；反之当Vo＜5V时亦然。
2.2三端稳压电源内部图
2.2中央控制器——AT89C2051
AT89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。
95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件及MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发及试验比较容易。
2.2.1AT89C2051的特点
AT89C2051具有以下几个特点：
AT89C2051及MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
片内有2k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
全静态工作,工作范围:
0Hz～24MHz；
有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出；
128×8位内部RAM；
32位双向输入输出线；
两个十六位定时器/计数器；
两个串行中断，两个外部中断源；
内置一个模拟比较放大器；
间歇和掉电两种工作方式。
2.2.2AT89C2051的功能描述
T89C2051是美国爱特梅尔（ATMELCORPORATION）半导体制造公司生产的一种高性能的单片机，它的指令集和引脚结构及INTEL公司的MCS－51系列单片机高度兼容、低功耗、可以在接近零频率下工作，广泛的应用于各种计算机系统、工业控制、电讯设备、宇航设备及消费类产品中。
由于ATMEL是全球最大的FLASH和EEPROM生产制造公司，加之以其EEPROM技术及INTEL的80C31内核技术交换，使ATMEL从此拥有80C31内核的使用权，从而该公司的89C51系列单片机具有极高的性能价格比。
AT89C2051的性能结构上是一个功能强大的单片机，它将AT89C51的P0口、P2口、EA/Vcc、ALE/PROG、口线简化后，形成的一种仅20个引脚的单片机，相当于INTEL8031的最小应用系统。
这对于一些不太复杂的控制场合，仅用一片AT89C2051就足够了。
由于将多功能的8位CPU和2KB闪速存储器以及模拟电压比较器集成到单个芯片上，从而成为一种多功能的微处理器，这为许多嵌入式控制提供了一种极佳的方案，使传统的51系列单片机的体积大、功耗大、可选模式少等诸多困扰设计工程师们的致命弱点不复存在。
AT89C2051的主要特点：
2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（FLASHEEPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,可重复擦写10000次，数据保存时间10年，工作电压范围：
2.7～6V,工作频率：
0～24MHz,15根可编程I/O引线，2个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器，两级程序加密，输出口可直接驱动LED显示，低功耗的闲置和调电保护工作方式，以及片内振荡器和时钟电路。
由于AT89C2051单片机功能强劲，且体积小（芯片只有20个引脚），所以它在许多嵌入式和便携式测控系统中得到广泛应用，如机电式或电子式电度表，测速仪等智能仪器。
2.2.3AT89C2051的管角说明
AT89C2051单片机为20引脚芯片如图2.3所示：
图2.3AT89C2051引脚分布图
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图10.1所示,及8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
1.Vcc：
电源电压。
2.GND：
地。
3.P1口：
P1口是一8位双向I/O口。
口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4.P3口：
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5.RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6.XTAL1：
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
7.XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
表2.1P3口的功能
P3口引脚
功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出端口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
从上述引脚说明可看出,AT89C2051没有提供外部扩展存储器及I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备,也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。
表2.2AT89C2051的主要功能特性
兼容MCS51指令系统
2K可反复擦写（>1000次）FlashRom
15个双向I/O口
6个中断源
两个16位可编程定时计数器
2.7-6.0V的宽工作电压范围
时钟频率0-24MHz
128X8bit内部RAM
两个外部中断源
两个串行中断
可直接驱动LED
两级加密位
低功耗睡眠功能
内置一个模拟比较放大器
可编程UARL通道
软件设置睡眠和唤醒功能
2.3电机控制电路分析及设计
本设计运用步进电取代了传统的雨刷电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
2.3.1步进电机的基本原理及特点
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
常见的步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：
（1）控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。
（2）控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
（3）控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
（4）步进电机的静态指标及术语
相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
定位转矩：
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）
静转矩：
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，及驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩及电磁激磁安匝数成正比，及定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
（5）、步进电机动态指标及术语：
步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值及理论值的误差。
用百分比表示：
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
运行矩频特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩及频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
图2.4步进电机特性曲线
其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线及负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
电机的共振点：
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越
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