电子工艺与综合设计课程报告.docx

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电子工艺与综合设计课程报告

电子工艺与综合设计

课程报告

课题名称

12V汽车车窗直流电机控制器的

硬件设计

系部

电气与信息工程学院

专业

电子信息工程（汽车电子）

班级

T1223-14

学号

20120231410

姓名

孙鹏

指导教师

2015年11月23日

目录

摘要2

一、汽车车窗电机工作原理分析3

1.1、汽车车窗电机参数3

1.2、汽车车窗电机工作原理4

二、汽车车窗电机控制器方案5

2.1、汽车车窗电机参数分析5

2.2、汽车车窗电机控制方法分析5

2.3、汽车车窗电机硬件方案6

3.1 系统设计 7

四、汽车车窗电机控制器软件设计10

4.1主程序流程图10

4.2 键盘扫描流程图11

4.3 中断程序流程图12

参考文献13

摘要

本课题的主要内容是设计12V直流汽车雨刮电机控制器，本课题的主要内容是设计12V直流汽车车窗电机控制器，通过对汽车车窗电机参数、控制方法的分析，了解直流电机的工作原理，兼具软硬件结合，设计出对汽车车窗电机进行控制的设计方案。

本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。

并实现电路的仿真。

为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式。

一、汽车车窗电机工作原理分析

1.1、汽车车窗电机参数

额定工作电压：

12V。

额定负载：

3N.m

空载电流：

≤2.5A

空载转速：

90±10rpm

额定电流：

≤8A

额定转速：

65±15rpm

堵转电流：

≤25A

堵转转矩：

≥8.0N.m

噪音：

≤55dB

1.2、汽车车窗电机工作原理

直流电机如图3所示，绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。

N、S为—对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。

当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。

若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。

这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。

显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。

换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。

装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。

电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。

这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理．

图3

二、汽车车窗电机控制器方案

2.1、汽车车窗电机参数分析

改变励磁的恒功率调速：

从直流电动机的机械特性的公式可看出，当磁通减小电动机的转速也随之提高。

由直流电机的电压平衡方程式：

U=e+IR

其中I为电机线圈电流，R为线圈电阻，e为电机的反电势，e=C*Φ*ω,式中，C为电机结构常数，为一常量；Φ为线圈磁通；ω为电机转动角速度。

于是将e代入电压平衡方程式中，可得：

U=C*Φ*ω+IR

经过移项之后就可得出角速度和电压的关系式：

ω=（U-IR）/C*Φ

从上式可以看出，改变外接电压U,电机回路电阻R,磁通Φ，可改变电机转速。

2.2、汽车车窗电机控制方法分析

PWM（PulseWidthModulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。

PWM控制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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

简而言之，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，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。

电压或电流源是以一种通或断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去，断的时候即是供电被断开。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

采样控制理论中有一个重要结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。

知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。

一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。

对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。

因此，本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。

2.3、汽车车窗电机硬件方案

采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制，工作原理：

通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。

PWM的定义:

脉宽调制（PWM）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，

广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。

模拟信号与数字信号的区别于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。

在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

设计方案主要包括四个模块：

单片机控制模块，电机驱动模块，占空比显示模块，运行方式设置模块。

三、汽车车窗电机控制器硬件设计

3.1 系统设计 

3.1.1 AT89C51介绍 

图AT89C51

AT89C51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。

这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。

其封装形式有两种：

双列直插封装（DIP）形式和方形封装形式

主电源引脚：

VCC：

供电电压（+5V）。

GND：

接地。

I/O端口功能 

P0口：

 P0口有八条端口线，命名为P0.0～P0.7，其中P0.0为低位，P0.7为高位。

每条线的结构组成如图3-2所示。

它由一个输出锁存器，两个三态缓冲器，输出驱动电路和输出控制电路组成。

P0口是一个三态双向I/O口，它有两种不同的功能，用于不同的工作环境。

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口有八条端口线，命名为P1.0～P1.7，每条线的结构组成如图3-3所示。

P1口是一个准双向口，只作普通的I/O口使用，其功能与P0口的第一功能相同。

作输出口使用时，由于其内部有上拉电阻，所以不需外接上拉电阻；作输入口使用时，必须先向锁存器写入“1”，使场效应管T截止，然后才能读取数据。

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口有八条端口线，命名为P2.0～P2.7，每条线的结构如图3-4所示。

P2口也是一个准双向口，它有两种使用功能：

一种是当系统不扩展外部存储器时，作普通I/O口使用，其功能和原理与P0口第一功能相同，只是作为输出口时不需外接上拉电阻；另一种是当系统外扩存储器时，P2口作系统扩展的地址总线口使用，输出高8位的地址A7～A15，与P0口第二功能输出的低8位地址相配合，共同访问外部程序或数据存储器（64 KB），但它只确定地址并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口有八条端口线，命名为P3.0～P3.7，每条线的结构如图3-1所示。

P3口是一个多用途的准双向口。

第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理与P1口相同。

第二功能是作控制和特殊功能口使用，这时八条端口线所定义的功能各不相同。

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

3.1.2 系统时钟的设计 

时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。

通常时钟由于两种形式：

内部时钟和外部时钟。

我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。

AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。

电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。

晶振频率为在1.2MHZ～12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。

为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。

3.1.3 系统复位方式 

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

 3.2驱动电路设计 

3.2.1 L298N芯片介绍

L298N是SGS公司的产品，是由达林顿管组成的双桥高电压大电流集成PWM电路。

PWM电路由四个大功率晶体管组成的桥电路，四个晶体管分为两组,交替导通和截止,用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态,根据调整输入脉冲的占空比,精确调整电动机转速。

这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下,效率非常高。

H型电路使实现转速和方向的控制简单化,且电子开关的速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。

内部的每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起,其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电阻检测电流。

VSS接逻辑控制的电源。

VS为电动机驱动电源.IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号,用来控制桥的开与关即实现电机的正反转, ENA、ENB引脚则为使能控制端,用来输入PWM信号实现电机调速。

采用L298N驱动器，接受单片机的输入信号并放大，驱动电机运转。

四、汽车车窗电机控制器软件设计

4.1主程序流程图

主程序主要完成的工作是设置堆栈，清除标志位，清除暂存，清显示，对T0口进行初始化，对串口进行初始化后，调用其它功能子程序，完成设计的任务。

4.2 键盘扫描流程图

采用独立式键盘，本设计的键盘较为简单，只设计了电机的正反转，急停，加减速5个按键。

4.3 中断程序流程图

参考文献

[1]张翔.虚拟环境下汽车驾驶安全主动干涉控制技术研究[D].广东工业大学,2011.

[2]刘芳.基于注意机制的交通标识的检测[D].北京交通大学,2013.

[3]张彦，张同庄．基于80C196KB单片机实现数字化触发技术[J].机械制造与自动化，2005

（1）,45-60． 

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:

机械工业出版社,2003. 

[5]李发海.王岩.电机与拖动基础（第三版）[M].北京:

清华大学出版社2006. 

[6]李群芳.单片机原理及应用[M].北京:

清华大学出版社,2005. 

[7]贾金铃.微型计算机原理及应用[M].重庆:

重庆大学出版社,2006. 

谭浩强.C程序设计（第二版）[M].北京:

清华大学出版社