新型汽车电子单元电路试验设计报告汽车雨刷器系统设计.docx

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新型汽车电子单元电路试验设计报告汽车雨刷器系统设计

前言

直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使用。

常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工作频率受电源频率的限制,难以满足高精度的调速要求，不利于广泛推广。

如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。

1、设计方案比较与分析

1.1电机调速控制模块：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：

采用集成芯片L293D。

L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。

这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：

低速平稳性好等。

兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

1.2速度显示模块：

方案一：

使用液晶LCD1602.1602是能显示2行，每行16个字符，字符包括英文字符及阿拉伯数字。

但其不能显示汉字。

方案二：

使用数码管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

兼于方案二显示性能优良、使用范围广、使用简单，因此本设计采用方案二。

2、系统分析与设计

2.1系统的硬件电路设计与分析

2.1.1系统总体设计框图

图1系统设计框图

2.1.28051单片机简介

1.AT89S51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89S51提供了高性价比的解决方案。

  AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

2.AT89S51具有如下功能特性：

（1）兼容MCS—51指令系统；

（2）32个双向I/O口；

（3）两个16位可编程定时/计数器；

（4）1个串行中断；

（5）两个外部中断源；

（6）4k可反复擦写（>1000次）FlashROM；

（7）128x8bit内部RAM；

（8）6个中断源；

（9）低功耗空闲和掉电模式；

（10）软件设置睡眠和唤醒功能。

3.8051单片机引脚如图2所示：

图28051单片机引脚图

2.1.3电机驱动芯片

L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。

这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：

低速平稳性好等。

L293D通过内部逻辑生成使能信号。

H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。

另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。

每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。

选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。

L293D内部结构如图3所示：

图3L293D内部结构图

2.2PWM

直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。

所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。

调节电阻r即可改变端电压，达到调速目的。

但这种传统的调压调速方法效率低。

现在一般采用脉冲宽度调制（PWM）控制技术来实现电机速度调整。

该技术稳定性好，易控制，精度高。

2.2.1PWM定义

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

2.2.2调速原理

PWM是通过固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

2.3电路设计

2.3.1系统主电路图

图4总系统设计图

2.3.2按键控制电路图（k1为高速档，k2为低速档）

图5系统设计框图

2.3.3显示电路图

图6系统设计框图

2.3.4电机电路图

图7系统设计框图

3、系统的软件设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能控制的设计。

其流程图如图8所示：

图8程序流程图

4、系统测试

经实际做好电路板检测设计方案及原理，电机能实现运转控制。

单片机产生的PWM信号和正反转信号控制电机驱动芯片L293D，即控制电机的转向及速度大小。

键盘按键来测电机运转速度，准确快速地将电机速度信号传送到了单片机。

运用Protues软件进行仿真，测试结果验证了自己的设计方案。

5、结论

本文所述的汽车雨刮系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机控制直流电机高低速转动。

相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

而在软件方面，曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行控制，使得软件的运行更为合理可靠。

6、参考文献

1、牛昱光，《单片机原理与接口技术》，电子工业出版社，2009

2、林爵天，《微机控制PWM直流电机调速》，上海电机技术高等专科学校学报，2009

3、李玮、赵江、刘建业，《一种使用的单片机控制的数字式调速系统，吉林化工学院学报》，2010

4、张大明，《单片机微机控制应用技术》，机械工业出版社，2007

7、附录

图8电路原理图

图9PCB图