摘 要1Abstract2前 言3第一章 自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)41.1 自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路41.2 設(shè)計(jì)原理方框圖41.3 系統(tǒng)使用部件選擇41.3.1 單片機(jī)AT89S52，AT89C2051的比較與選擇51.3.2 電機(jī)選擇61.3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇71.4 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)11第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)132.1 電源電路的設(shè)計(jì)與分析132.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)142.2.1 單片機(jī)AT89S52142.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)172.3 感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)與分析202.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊212.4.1 電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與分析212.4.2 不進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片25第三章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)293.1 主程序設(shè)計(jì)293.1.1主程序的初始化內(nèi)容303.1.2 代碼轉(zhuǎn)換程序303.2 中斷服務(wù)程序303.2.1中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)313.3檢測脈沖及電機(jī)運(yùn)行程序的設(shè)計(jì)31第四章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)調(diào)試334.1 調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)334.2 問題分析及雨滴感應(yīng)模塊調(diào)試334.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)試334.4 系統(tǒng)軟件調(diào)試34第五章 總結(jié)與展望36參 考 文 獻(xiàn)37致 謝38附錄I39附錄II42附錄III612摘 要 本次設(shè)計(jì)的汽車自動(dòng)雨刷省去了人為手動(dòng)操作雨刷的問題，能夠自動(dòng)感應(yīng)雨量并進(jìn)行相應(yīng)的工作。自動(dòng)雨刷用雨滴傳感器作為檢測器來感應(yīng)雨量的大小，把感應(yīng)信號(hào)傳給單片機(jī)，通過軟件的控制驅(qū)動(dòng)芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。此次設(shè)計(jì)采用40引腳的單片機(jī)AT89S52，設(shè)計(jì)中運(yùn)用ULN2003AN驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，克服了電機(jī)在低頻工作時(shí)的噪音大，震動(dòng)大的缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)在一定的程度上為駕駛者提供了舒適性和安全性的保障，避免了由于駕駛者手動(dòng)操作雨刷的不當(dāng)而帶來的交通安全問題，同時(shí)也大大的提高了汽車雨刷的全面性與可靠性。關(guān)鍵詞：汽車自動(dòng)雨刷，雨滴傳感器，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)第 64 頁 共 66 頁Abstract The design of the automatic wipers is improved further in the traditional manual based on.Automatic wiper with rain sensor as the detector size induced precipitation,the induction signal is sent to the single chip microcomputer.reversing and turning frequency automatic adjusting motor through the control of the software driver.The design is based on the 40pin of the mic AT89S52.That use of ULN2003AN to drive the stepper motor driver chip design operation.The pulse width modulations chopper driver mode.Thus greatly overcome the noise when the motor work in the low frequency ,vibration faults.Provide comfort and safely guarantee this design in a certain extent for the driver,to avoid the traffic safety problem caused by the driver manually operated wiper improper.At the same time also greatly improve the comprehensiveness and reliability of automobile windshield wiper. Keyword:Automatic wipers ,Rain sensor,SCM,Stepper motor前 言 根據(jù)科學(xué)家針對(duì)消費(fèi)者對(duì)中性車產(chǎn)品屬性偏好的研究，結(jié)果顯示消費(fèi)者對(duì)配備及式樣依序包括預(yù)縮安全帶、前座安全氣囊、駕駛席安全氣囊、主動(dòng)護(hù)頸頭枕、前霧燈、可調(diào)間歇式雨刷、電動(dòng)收藏廣角后視鏡、倒車?yán)走_(dá)等?？梢姡瑢?duì)安全性的設(shè)備已超過了對(duì)舒適性的設(shè)備需求。其中對(duì)可調(diào)間歇雨刷的需求排在了第六位，消費(fèi)者認(rèn)為汽車雨刷必須具有可調(diào)頻率，以應(yīng)對(duì)不同車況和前擋風(fēng)玻璃落雨量之需求。然而駕駛?cè)俗约簛砼袛嗲皳躏L(fēng)玻璃落雨量的模糊程度，再去手動(dòng)調(diào)節(jié)雨刷，不僅使駕駛者分心，而且使玻璃上落雨量刮除清晰度不一，兩者均關(guān)系到駕駛的安全。 隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)汽車性能的追求則在不斷的提升，隨著汽車制造業(yè)不斷的創(chuàng)新，汽車中安裝了越來越多自動(dòng)控制系統(tǒng)，增加了汽車的安全性與舒適性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在雨天行車，世界上因?yàn)轳{駛員對(duì)雨刷的操作不當(dāng)而帶來的交通事故占6%之多。所有自動(dòng)雨刷系統(tǒng)的安裝對(duì)于汽車來說是十分重要的。自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)免去了駕駛員手動(dòng)調(diào)節(jié)雨刷的麻煩，有效的提高了在雨天駕駛的安全性與可靠性；同時(shí)，也避免了因?yàn)槁愤叿e水濺在擋風(fēng)玻璃上，駕駛員來不及操作而恐慌造成的交通事故。 國內(nèi)外許多汽車廠商以雨水傳感器為基礎(chǔ)的自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)，不是格昂貴就是系統(tǒng)不完善，反映不靈敏?，F(xiàn)今，則主要是把用雨水傳感器檢測出來的雨量大小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后傳遞給單片機(jī)，通過軟件的控制來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片從而帶動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。目前市場上的雨量傳感器大都分為以下兩種：利用電阻壓變，光強(qiáng)變化的傳感器與各種信號(hào)控制器連接，來控雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。前一種是把傳感器直接裝在汽車擋風(fēng)玻璃的外側(cè)，雨滴直接落在傳感器上來感應(yīng)雨量的大??；后一種則是安裝在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，由光照引起的折射強(qiáng)度的變化來檢測雨量的大小。 因?yàn)槠囉晁⒅饕δ苁枪纬龘躏L(fēng)玻璃上的水漬及污垢，給駕駛者提供一個(gè)清晰的視野，所以自動(dòng)雨刷系統(tǒng)屬于必須的安全設(shè)備。主動(dòng)性安全系統(tǒng)是每個(gè)汽車系統(tǒng)工程師努力目標(biāo)之一，雨刷系統(tǒng)是每輛車上為保證擋風(fēng)玻璃清晰的唯一選擇。而此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)雨刷，乃目前各車廠投注心力的開發(fā)方向。第一章 自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本章主要闡述設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)使用部件選擇，設(shè)計(jì)原理框圖與本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。1.1 自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的總體思路是：運(yùn)用雨滴傳感器感應(yīng)雨量的大小，把感應(yīng)信號(hào)輸給單片機(jī)系統(tǒng)，然后通過軟件控制雨刷電機(jī)根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)。例如，當(dāng)檢測為小雨量的時(shí)候，電機(jī)工作在小雨模式（電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)來回要停留10秒再繼續(xù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)）；當(dāng)檢測為中大雨的時(shí)候則，啟動(dòng)中大雨運(yùn)轉(zhuǎn)模式（電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)來回停止5秒后再繼續(xù)工作）；當(dāng)檢測為大雨的時(shí)候，則啟動(dòng)大雨運(yùn)轉(zhuǎn)模式（電機(jī)連續(xù)進(jìn)行來回旋轉(zhuǎn)）。設(shè)計(jì)中運(yùn)用AT89S52單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)采用ULN2003AN驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1.2 設(shè)計(jì)原理方框圖本次設(shè)計(jì)由檢測部分，控制部分，驅(qū)動(dòng)部分組成，其框圖如圖1.1： 圖1.1 設(shè)計(jì)原理框圖1.3 系統(tǒng)使用部件選擇 系統(tǒng)主要是由單片機(jī)最小控制系統(tǒng)（包括晶振電路，復(fù)位電路，供電電源），雨滴感應(yīng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。1.3.1 單片機(jī)AT89S52，AT89C2051的比較與選擇 單片機(jī)AT89S2051是具有可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能的8位CMOS微處理器，有15根I/O線、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器兩個(gè)、全雙向的串行口一個(gè)、并且其內(nèi)部含有精密的比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25-5.5V的電壓工作范圍和12MHz的工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖和時(shí)鐘電路等。此外還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。在空閑的時(shí)候，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作。共有20個(gè)引腳，引腳圖如圖1.2所示 圖1.2 單片機(jī)AT89C2051引腳圖 單片機(jī)AT89S52是種低能耗，高性能的8位CMOS微控制器，在系統(tǒng)中具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，片上允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，同樣也適合常規(guī)的編程。在單片機(jī)上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)上可編程存儲(chǔ)器Flash，讓它在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活有效的解決方案。AT89S52單片機(jī)具有：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器。能實(shí)現(xiàn)的功能比單片機(jī)AT89C2052更加全面，內(nèi)存更大，引腳更加全面引腳如圖1.3所示 圖1.3 單片機(jī)AT89S52引腳圖由上可知，為了更加便于操作，降低難度，不用擔(dān)心引腳不夠的問題，且考慮本次畢業(yè)設(shè)計(jì)小組能夠協(xié)同工作，則選擇單片機(jī)AT89S52，另外其是各性能比較全面，在鄭州市場比較好買到的價(jià)格便宜的理想單片機(jī)。1.3.2 電機(jī)選擇 設(shè)計(jì)中選擇了步進(jìn)電機(jī)來代替了傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)，相比傳統(tǒng)的電機(jī)其更加的靈活，精度高。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗的來講就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖信號(hào)，就會(huì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。通過脈沖個(gè)數(shù)可以來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 在性能上步進(jìn)電機(jī)更適合作為雨刷電機(jī)，并且其價(jià)格便宜，在市場上供貨也比較多所以，所以在本次設(shè)計(jì)中選擇步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的原理接線圖如圖1.4所示： 圖1.4 步進(jìn)電機(jī)原理圖1-2相勵(lì)磁順序表，從輸出軸方向看-逆時(shí)針方向如下表1.1 表1.1 輸出軸方向看-逆時(shí)針方向 主要的功能參數(shù)如下： 1額定電壓 2相數(shù) 3減速比 4步距角 5驅(qū)動(dòng)方式 6自定位轉(zhuǎn)矩 7絕緣電阻1.3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)書的要求，本次設(shè)計(jì)核心就是對(duì)電機(jī)的控制，所以對(duì)于選擇理想的驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)則就成為了十分重要的一部分了。最常用的就是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式，大多步進(jìn)電機(jī)都選擇這種驅(qū)動(dòng)方式來進(jìn)行調(diào)速控制，TA8535H與ULN2003AN都是比較常用的，性能也是比較穩(wěn)定可靠的專用芯片。 TH8435驅(qū)動(dòng)芯片東芝公司生產(chǎn)的脈寬調(diào)制式斬波器型二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，工作穩(wěn)定可靠，工作電壓為10-40V，具有整步，半步，1/4細(xì)分和1/8細(xì)分運(yùn)動(dòng)方式供選擇。其由1個(gè)解碼器，2個(gè)驅(qū)動(dòng)橋式電路，2個(gè)電流控制電路，2個(gè)輸出電流限制電路等功能模塊構(gòu)成。ULN2003AN是一種最常用的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的芯片，而且接線十分簡單，用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)小量步進(jìn)電機(jī)是很好的選擇，有16個(gè)引腳其中有七個(gè)為輸入引腳另外七個(gè)為輸出引腳，8號(hào)是接地引腳，9號(hào)是接電源12V或5V的引腳。比如步進(jìn)電機(jī)公共端接5V，其余四個(gè)引腳接驅(qū)動(dòng)芯片的四個(gè)輸出端，然后單片機(jī)或者外圍電路接上ULN2003的四個(gè)輸入引腳。 其實(shí)在本設(shè)計(jì)中這兩種芯片都可以選擇，但是ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片原理更加簡單，操作容易，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，工作穩(wěn)定；而且在市場上驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003使用比較廣泛，所以選擇ULN2003AN作為驅(qū)動(dòng)芯片。1.3.4 雨滴傳感器的選擇 在目前市場上雨滴傳感器的工作原理大都分為以下兩種：利用電阻壓變，光強(qiáng)變化的傳感器與控制器相連接，來控雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。前種是把傳感器直接裝在汽車擋風(fēng)玻璃的外面，雨滴直接落在傳感器上來感應(yīng)雨量的大小；后種則是安裝在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，由光照引起的折射強(qiáng)度的變化來檢測雨量的大小。 后種是在設(shè)計(jì)和發(fā)展上比較完善的傳感器，但在市場上買配件的時(shí)候發(fā)現(xiàn)前電阻式的更便于設(shè)計(jì)操作而被選擇。 目前在我國光強(qiáng)變化傳感器與控制電路相接組成的雨滴傳感器發(fā)展的比較完善，所以以下我對(duì)這兩種雨滴傳感器做個(gè)具體的分析：光變雨滴傳感器的工作原理： 1 光學(xué)原理 光線射在兩種介質(zhì)分界面上，當(dāng)光線從一種介質(zhì)射入另外一種介質(zhì)時(shí)，光線的傳播方向會(huì)發(fā)生一定的改變，這稱之為光的折射。在另一種介質(zhì)中折射的光線和分界面的法線n0 的夾角稱之為折射角。入射角i和折射角r的關(guān)系如下： （式1） 上式1中為第二種介質(zhì)對(duì)第一種介質(zhì)的相對(duì)折射率。 光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角大到一定的角度，便能使折射角達(dá)到90°，這時(shí)折射光線就會(huì)完全的消失，光會(huì)全部反射到原來介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做光的全反射。折射角等于90°時(shí)的入射角叫做全反射臨界角。全反射的條件是：光從光密介質(zhì)射入向光疏介質(zhì)中；入射角等于或大于臨界角。 這種傳感器就是根據(jù)全反射光學(xué)原理制成的。空氣和水的折射率分別為1和1.33，玻璃的折射率為1.5。根據(jù)上式計(jì)算得出，玻璃和空氣兩種介質(zhì)的臨界角是42°，玻璃和水之間的臨界角是63°。 2 工作原理 雨水傳感器由紅外光發(fā)射電路和接收電路組成。原理框圖如圖1.5 圖1.5 紅外光發(fā)射電路和接收電路 由紅外光發(fā)射元器件發(fā)出的紅外光在擋風(fēng)玻璃的外表面以全反射角反射，其角度必須控制在42°和63°之間。如果擋風(fēng)玻璃上有水，一些光會(huì)雙倍折射出，這樣會(huì)使紅外感光元件接收到的反射光減弱。在擋風(fēng)玻璃發(fā)生反射的區(qū)域被稱之為傳感器“敏感區(qū)域”，僅當(dāng)雨水在這個(gè)敏感區(qū)域時(shí)，才可以被探測出。為了使系統(tǒng)更加靈敏可靠，靈敏區(qū)域和擋風(fēng)玻璃區(qū)域之間必須要有一個(gè)較好的比例，如上圖所示。 3 紅外發(fā)射電路 紅外發(fā)射管用硅光電二極管，其具有暗電流小，噪聲低，受溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)。紅外發(fā)射管用三個(gè)并聯(lián)，采用脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)方式，工作在38kHZ的頻率下。 4 紅外接收電路 紅外接收電路由光接收二極管，放大電路，帶通濾波器，檢波電路等構(gòu)成。其中放大電路的作用是對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行線性放大與整形。帶通濾波器的作用是進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)。檢波電路濾掉載頻后檢出的原始信號(hào)。因而電路比較復(fù)雜，體積也比較大。 在市場上還有種簡捷的接收電路，采用的是紅外專用集成接收芯片TK1838，將各功能電路封裝在一起，用來接收紅外光信號(hào)，塑料封裝可濾除可見光。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.6。 圖1.6 芯片TK1838內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TK1838只有接收到38kHz的脈沖信號(hào)時(shí)才會(huì)起作用。它具有微型一體化的塑料封裝，體積小，可靠性高，抗干擾光的能力強(qiáng)，用5V電源供電，功能損耗小，輸出信號(hào)比較靈敏等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部集成了放大、濾波、解調(diào)和控制電路。當(dāng)TK1838接收不到38kHz的脈沖信號(hào)時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)接收到38kHz的脈沖信號(hào)時(shí)，輸出低電平（有效信號(hào)）。 5傳感器參數(shù)的選擇 這種雨量傳感器的參數(shù)可根據(jù)自己的需求，調(diào)節(jié)參數(shù)。例如：在小雨的時(shí)，定為每10ms輸出脈沖的個(gè)數(shù)小于80個(gè)；在中雨時(shí)，輸出的脈沖個(gè)數(shù)大于等于80小于等于160個(gè)；在大雨時(shí)，可以設(shè)定輸出脈沖個(gè)數(shù)為每10ms大于160個(gè)。本設(shè)計(jì)中選用的雨滴模塊介紹如下： 1 具體參數(shù)即功能描述電壓：5V 控制板大小：3*1.6cm 大面積雨滴檢測板：5.4*4.0cm 電源指示燈，輸出信號(hào)LED指示燈 TTL電平輸出，輸出有效信號(hào)為低電平，驅(qū)動(dòng)能力為100MA左右靈敏度可以通過電位器調(diào)節(jié)。沒有雨的時(shí)候LED點(diǎn)亮，整體檢測芯片輸出高電平；有雨滴上去時(shí)，輸出低電平，開關(guān)指示燈亮，表明為有效信號(hào) 雨滴板和控制板是分開的方便將線引出大面積的雨滴板更有利于檢測到雨水 2 接線方法 VCC：接電源正極 GND：接電源負(fù)極 DO：TTL開關(guān)信號(hào)輸出 AO：模擬信號(hào)輸出 3 使用方法 接上5V電源電源燈亮，檢測板上沒有水滴時(shí)，DO輸出為高電平，開關(guān)指示燈不亮 ，當(dāng)?shù)紊弦坏嗡畷r(shí)，DO輸出低電平，開關(guān)指示燈亮，刷掉上面的水滴，又恢復(fù)到，輸出高電平狀態(tài)。 AO模擬輸出，作為模擬演示時(shí)使用，可以連接到單片機(jī)的AD口來檢測滴在上面的雨量大小。 DO TTL數(shù)字輸出，用來連接到單片機(jī)上，檢測是否有雨。1.4 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 基于單片機(jī)AT89S52對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制制作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： （1） 本設(shè)計(jì)運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨刷電機(jī)，從而使控制精度更高，響應(yīng)速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)，且外圍電路簡單易懂。 （2）運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)，程序定化，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。 （3）雨水感應(yīng)式自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)使駕駛員去除了手動(dòng)操作雨刷的麻煩，有效地提高了在雨天行駛的安全性。 （4） 設(shè)計(jì)中運(yùn)用元件價(jià)格便宜，較適合推廣使用。 （5） 整個(gè)系統(tǒng)可集成于一個(gè)芯片上，因此體積小，功耗低。 通過以上方案的分析，我們可以看出單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的重要發(fā)展部分。采用單片機(jī)AT89S52和步進(jìn)電機(jī)結(jié)合的自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，無論是性能上，特點(diǎn)上，還是原理圖上，或是在電路設(shè)計(jì)上都具有簡單，使用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件模塊按功能主要分為：電源模塊，單片機(jī)模塊，感應(yīng)檢測模塊，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊。其中單片機(jī)AT89S52模塊是本次設(shè)計(jì)的核心模塊。 在本章的這幾小節(jié)主要對(duì)各模塊的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。2.1 電源電路的設(shè)計(jì)與分析 穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO（或電壓可調(diào)范圍UOmin UOmax）和最大輸出電流IOmax是它的特性指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了該電源的適用范圍，同時(shí)也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)，它們決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。 設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2.1 圖2.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理圖 在本次設(shè)計(jì)中本分邏輯元件需要穩(wěn)壓電源為5V的直流電，而步進(jìn)電機(jī)的額定電壓為12V，所以設(shè)計(jì)了5V與12V的額定電壓電源。為了解決這個(gè)問題，采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且。由上圖可見，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡單，只用了一個(gè)220V變12V的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路7812和7805和四個(gè)電容。圖中有一個(gè)大容量的電解電容，起低頻濾波的作用。由于其本身的電解比大，對(duì)高頻交流成分的濾波效果會(huì)比較差，所以為改善濾波電路對(duì)高頻抑制特性，在其傍邊并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容是用來改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。2.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)AT89S52單片機(jī)是ATMEL公司采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)來制造的，其主要特點(diǎn)為采用Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，同時(shí)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。2.2.1 單片機(jī)AT89S52 1單片機(jī)的特點(diǎn) 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0-33Hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 32個(gè)可編程I/O口線 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 全雙工UART串行通道 低功耗空閑和斷電模式 雙數(shù)據(jù)指針 2 AT89S52單片機(jī)的管腳說明 單片機(jī)AT89S52為40引腳芯片 引腳圖如圖2.2： 圖2.2 單片機(jī)AT89S52引腳圖 各引腳說明如下： VCC：電源 GND：地 P0口：P0口十余個(gè)8位的漏極開路雙向I/O口，作為輸出口，每位能夠驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0口寫“1”是，引腳做高阻抗輸入。在Flash編程的時(shí)候，也可用著接收指令字節(jié)；在程序進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，不過程序校驗(yàn)的時(shí)候外部需要接上拉電阻。 P1口：其是一個(gè)內(nèi)部具有上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩存器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)其寫“1”時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻會(huì)把端口拉高，此時(shí)可作為輸入使用。在Flash編程與校驗(yàn)的時(shí)候，P1口接收低8位地址字節(jié)如下表2.1 表2.1 P1口接收低8位地址字節(jié) P2口：其是一個(gè)內(nèi)部具有上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩存器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)其寫“1”時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻會(huì)把端口拉高，此時(shí)可作為輸入使用。 在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3口：其是一個(gè)內(nèi)部具有上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩存器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)其寫“1”時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻會(huì)把端口拉高，此時(shí)可作為輸入使用。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（即第二功能）使用，如下表所示 在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口接收一些控制信號(hào)如下表2.2。表2.2 P3口接收控制信號(hào) RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將會(huì)使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗及時(shí)完成后，引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。 30引腳：地址鎖存控制信號(hào)ALE在訪問外部程序存儲(chǔ)器的時(shí)候鎖存住低8位地址的輸出脈沖，在Flash編程的時(shí)候作為編程的輸入脈沖。 當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。 31引腳：訪問存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為了使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。 為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA接電源 在Flash編程的時(shí)候，也要接電源。 XTAL1與XTAL2接晶振電路。2.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括有晶振電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、電源電路等，其連線圖如下圖2.3 圖2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)連線圖1 其中晶振電路設(shè)計(jì)與分析 晶振器特性：XTAL1和XTAL2分別是反向放大器的輸入和輸出。此反向放大器可以當(dāng)作為片內(nèi)振蕩器。而且石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)要通過一個(gè)二分頻的觸發(fā)器，因此對(duì)外部的時(shí)鐘信號(hào)的脈寬沒有任何要求，但必須要保證脈沖的高低電平要求的寬度。2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，便構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)其外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并會(huì)產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖2.4所示。圖中，兩個(gè)電容器起到穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值的范圍一般在5-30pF之間。晶振頻率典型值為12MHz。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。 外部振蕩方式則是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)導(dǎo)入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適合用來把單片機(jī)的時(shí)鐘同外部信號(hào)保持同步。外部震蕩方式線圖如下圖2.5 圖2.4 內(nèi)部振蕩接線圖 圖2.5 外部振蕩連線圖3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)與分析 復(fù)位電路是在上位或是復(fù)位的工程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)，這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位的狀態(tài)，而不是以上電或是剛復(fù)位完就開始工作，防止器發(fā)出錯(cuò)誤的指令，同時(shí)也可以提高電磁的兼容性。單片機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候都需要進(jìn)行復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于初始的狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。設(shè)計(jì)上電復(fù)位電路圖如圖2.6 圖2.6 上電復(fù)位電路圖 接通電源后，電源便通過電阻對(duì)電容進(jìn)行充電。這時(shí)電阻有瞬時(shí)電流通過，RST腳的電壓等于電阻兩端的電壓之差。也就相當(dāng)于電源的電壓值，也就是高電平。在充電的過程中，隨著電容端的電壓逐步趨于電源電壓，電阻兩端最終將沒有電流通過，這時(shí)RST引腳相當(dāng)于地相連，因此RST引腳上的電壓將最終將接近于0。這個(gè)過渡過程的長短取決于電阻和電容值的大小。10uF電容足以使RST腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā)器的低門檻電平，從而能夠使整個(gè)復(fù)位過程得以完成。4 單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)與分析單片機(jī)復(fù)位操作使得單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC0000H，這表明此程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動(dòng)之后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，之后運(yùn)行中的復(fù)位操作不會(huì)改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，其中21個(gè)特殊功能寄存器被復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，如下表所示。值得指出的是，記住一部分特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對(duì)于了解單片機(jī)的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。 注明：表2.3中符號(hào)*為隨機(jī)狀態(tài)； 表2.3 特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)PSW00HTH000HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW為00H時(shí)，表明選寄存器0組為工作寄存器組；SP07H，表明堆棧指針指向單片機(jī)內(nèi)RAM 07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，可以知道第一個(gè)被壓入的內(nèi)容寫入到08H單元中；PoP3FFH，表明已經(jīng)向各端口寫入1，此時(shí)，各端口既可以作為輸入又可以作為輸出；IP*00000B，表明各個(gè)中斷源處在低優(yōu)先級(jí)；IE0*00000B，表明每個(gè)中斷源均被關(guān)斷；A00H，表明累加器已被清零； 此單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳控制的，此引腳與高電平相接時(shí)間超過24個(gè)振蕩周期之后，單片機(jī)便進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，并且一直在這種狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)成低電平之后，才會(huì)檢查EA引腳是高電平或低電平，若是高電平則會(huì)執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若是低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，會(huì)將其內(nèi)部的一些重要的寄存器設(shè)置成為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。2.3 感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)與分析 本次設(shè)計(jì)中的雨滴感應(yīng)模塊是由雨滴板、LN393低功率低失調(diào)電壓雙比較器、電位器、指示燈等組成。 控制模塊信號(hào)接收的連線圖如圖2.7 圖2.7 控制模塊信號(hào)接收的連線圖 雨滴感應(yīng)模塊信號(hào)輸出接線圖如圖2.8 圖2.8 感應(yīng)模塊信號(hào)輸出接線圖 在圖2.7中當(dāng)k1（雨滴板）沒有雨滴的時(shí)候1與2腳之間顯示斷開，這時(shí)輸入信號(hào)為高電平信號(hào)，電源指示燈亮，開關(guān)指示燈滅；當(dāng)有雨滴時(shí)，1與2引腳顯示接通，這時(shí)輸入的為低電平，此時(shí)開關(guān)指示燈亮起，為有效信號(hào)。雨滴模塊的實(shí)物圖如圖2.9所示： 圖2.9 雨滴模塊的實(shí)物圖2.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊2.4.1 電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與分析 本次設(shè)計(jì)運(yùn)用步進(jìn)電來取代傳統(tǒng)的雨刷電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呤蔷€位移的開環(huán)控制元件。在沒有超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率與脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而沒有累積誤差等特點(diǎn)。使其在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理和特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)電機(jī)中步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度稱之為“步距角”，其旋轉(zhuǎn)是以固定角度一步一步運(yùn)行的。我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到較為準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)還可以通過控制脈沖的頻率來控制不進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，來達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種開環(huán)控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差的特點(diǎn)（即精度為100%），廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 常見的步進(jìn)電機(jī)分為三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式電機(jī)步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積都較小，步進(jìn)角一般為7.5 度 或15 度；反應(yīng)式電機(jī)步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5 度，但因?yàn)樵肼暫驼駝?dòng)都很大。歐美等發(fā)達(dá)國家在80 年代就被淘汰了；混合式步進(jìn)電機(jī)則混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩相和五相兩種：兩相的步進(jìn)角一般為1.8 度，五相的步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)在當(dāng)下的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰疲唇o一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)來控制。步進(jìn)電機(jī)與其他的控制電機(jī)最大的區(qū)別在于步進(jìn)電機(jī)是通過輸入的脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，就是說電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號(hào)的頻率決定的。 步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)而工作。其基本原理如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為之脈沖分配。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定的工作方式是正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果是按反序通電 換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一步，再發(fā)給一個(gè)脈沖，它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔越短，則步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)得越快。因此我們可以調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行我們所需的調(diào)動(dòng)。 (4)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo) 相數(shù)：產(chǎn)生不同的對(duì)極N、S 磁場的激磁線圈的對(duì)數(shù)。常用m來表示。 拍數(shù)：在完成一個(gè)磁場周期性變化時(shí)所需要的脈沖數(shù)。常用n 表示，或者是電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，用四相電機(jī)為例，有四相四拍的運(yùn)行方式：AB-BC-CD-DA-AB，有四相八拍的運(yùn)行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，用 表示。=360 度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360 /（50*4）=1.8 度（稱為整步），則八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360 /（50*8）=0.9 度（稱之為半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的自身鎖定力矩。 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定的靜態(tài)電作用下，就是說電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。這個(gè)力矩是用來衡量電機(jī)體積（即幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源是無關(guān)的。靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安的匝數(shù)成正比，同定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但是過分的采用減小氣隙，增加激磁安匝數(shù)來提高靜力矩的做法是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)過于發(fā)熱及機(jī)械噪音。 (5) 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值之間的誤差。用百分比表示為：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其精度值不同，四拍運(yùn)行時(shí)的誤差應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)的誤差應(yīng)在15%以內(nèi)。 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。則稱之為失步。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏離定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)則必然存在失調(diào)角，由于失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是無法解決的。 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)于某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓和額定電流的接入下，在不加負(fù)載的情況時(shí)，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)于某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓和額定電流的狀態(tài)下，電機(jī)不加負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)在某一種測試的條件下，測得運(yùn)行中輸出的力矩與頻率之間的關(guān)系曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 電機(jī)一旦被選定后，電機(jī)的靜力矩則就確定下來了，而動(dòng)態(tài)力矩且不確定，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩是于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而不是靜態(tài)電流）所決定的，平均電流越大，則電機(jī)輸出力矩就越大，即電機(jī)的頻率特性就越硬。如圖2.10 圖2.10 步進(jìn)電機(jī)特性曲線 如上圖所示，其中，曲線3 的電流最大或者電壓最高；曲線1 的電流最小或者是電壓最低。曲線與負(fù)載橫線的的交點(diǎn)是此負(fù)載的最大速度點(diǎn)。想要使平均電流大，應(yīng)該盡可能的提高驅(qū)動(dòng)電壓（必須要主要電機(jī)的額定電壓值），采用小電感大電流的不進(jìn)電機(jī)。 電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)都會(huì)有固定的共振區(qū)域，共振區(qū)一般會(huì)在180-250pps 之間（步距角為1.8 度時(shí)）或是在400pps 左右（步距角為0.9 度時(shí)），電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流則越大，負(fù)載越輕，電機(jī)的體積越小，則共振區(qū)會(huì)向上偏移，反之則亦然，為了使電機(jī)輸出大的電矩，同時(shí)不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般電機(jī)的工作點(diǎn)都應(yīng)該偏移共振區(qū)較多。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)為四相五線制5V步進(jìn)電機(jī)，其也可以當(dāng)作兩相電機(jī)使用。大多步進(jìn)電機(jī)在低頻工作的時(shí)，都會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。但是如果采用細(xì)分方式，就能夠很好的解決上面的這個(gè)問題，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，從本質(zhì)上來說是通過對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制，來使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)的合成磁場變?yōu)榫鶆虻膱A形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，在一般情況下，其合成磁場矢量的幅值是由步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小來決定的，相鄰的兩合成磁場矢量之間的夾角大小會(huì)決定步距角的大小，步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分這種方式的工作原理。2.4.2 不進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片 實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多方法，最常用的是采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)的方式，大多數(shù)專用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)方式來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，ULN2003AN是其中的一種芯片，在本次設(shè)計(jì)中我們所使用的為感性負(fù)載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此不能直接用單片機(jī)來進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。選用ULN2003AN芯片來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)不進(jìn)電機(jī)。 ULN2003AN是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高，工作電壓高，溫度范圍寬，帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，其電路是美國Texas Instruments公司和Sprag公司開發(fā)的晶體管陣列電路。 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN的引腳圖如圖2.11; 圖2.11 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN的引腳圖 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003內(nèi)部電路原理圖如圖2.12所示 圖2.12 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003內(nèi)部電路原理圖 各引腳的功能符號(hào)如下表2.4所示： 表2.4 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003各引腳符號(hào) 1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片連接的電路設(shè)計(jì)與分析 步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的連接線圖如圖2.13 圖2.13 步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的連接線圖 （1）驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是精確的控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。程序設(shè)計(jì)是要根據(jù)傳感器的信息來判斷旋轉(zhuǎn)的方向，以便啟動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向子程序。正反控制程序分別按控制脈沖順序的要求采用相應(yīng)的控制模型，并判斷是否大幅度轉(zhuǎn)向，采用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。程序設(shè)計(jì)時(shí)把步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡歷成控制模型，并以數(shù)據(jù)表形式存于存儲(chǔ)器中，設(shè)計(jì)程序是可以直接調(diào)用該存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。 （2）電機(jī)對(duì)零 對(duì)零點(diǎn)事電機(jī)操作最重要的環(huán)節(jié)之一，在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位控制之前首先必須確定出一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系，系統(tǒng)就將對(duì)零點(diǎn)位置作為第一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系。上電后首先進(jìn)行歸零操作，電機(jī)一開始以順時(shí)針（或逆時(shí)針）方向任意旋轉(zhuǎn)，一旦接受到主控臺(tái)傳來的信號(hào)就立即控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，并等待接收旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，然后開始控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 （3）速度的控制 不但要求電機(jī)能夠精確的定位，而且還要求快速的到達(dá)預(yù)定的位置，也就是要求準(zhǔn)確的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率。步進(jìn)電機(jī)的速率控制方法主要是通過改變每個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，可以采用設(shè)置定時(shí)器的初始時(shí)間來獲得延時(shí)時(shí)間，也可以采用改變程序中的延時(shí)時(shí)間來滿足。假如轉(zhuǎn)動(dòng)方向變化比較大時(shí)，如果點(diǎn)擊還是按照恒定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，那么轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間就會(huì)比較長。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率fs比較低（100步/秒-250步/秒），而電機(jī)的啟動(dòng)頻率還要低于最高空載的啟動(dòng)頻率，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)工作頻率又會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于啟動(dòng)頻率。由此可見，一個(gè)靜態(tài)的不進(jìn)電機(jī)是不可能馬上達(dá)到較高穩(wěn)定工作頻率，而要求在啟動(dòng)電機(jī)的瞬間采取加速措施來完成，一般我們會(huì)在起步的時(shí)候采用升頻的方式，時(shí)間范圍約為0.1-1秒；反之，從高速運(yùn)轉(zhuǎn)到停止的時(shí)候有件減速的措施，而且減速時(shí)的加速度的絕對(duì)值要比加速時(shí)的加速度要大，這樣所需的時(shí)間就會(huì)變短。為了解決快速而不失步的問題，對(duì)電機(jī)提出了相應(yīng)的要求，如下“低速啟動(dòng)接著高速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止”。這種三段允許頻率方式我們利用程序的延時(shí)來完成。 利用高耐壓，大電流的達(dá)林頓陳列ULN2003直接與負(fù)載電機(jī)相連接，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由機(jī)械設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序進(jìn)行控制。由該芯片在5V的工作電壓下與TTL信號(hào)和CMOS電路直接相連，保證負(fù)載電流的供給，同時(shí)也減少了其他驅(qū)動(dòng)芯片容易被燒的事故。2 電機(jī)與控制模塊連接的實(shí)物圖如圖2.14圖2.14 電機(jī)與控制模塊連接的實(shí)物圖 單片機(jī)上用P3.0、P3.1、 P3.2、P3.3四個(gè)輸出口與圖中驅(qū)動(dòng)芯片的1B、2B、3B、4B四個(gè)引腳相連，作為信號(hào)的輸入，從而控制步進(jìn)電機(jī)作相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中電機(jī)的四根控制線有電流通過時(shí)，指示燈不斷的閃爍。第三章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括有主程序的設(shè)計(jì)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置程序設(shè)計(jì)和各中斷服務(wù)等程序的設(shè)計(jì)。3.1 主程序設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)單片機(jī)的控制程序采用51匯編語言編寫的，在編寫過程中，使用結(jié)構(gòu)化、模塊化的形式編寫，整個(gè)程序的清單見附錄II。本章將對(duì)本系統(tǒng)的程序做下具體的分析。 首先我來分析主程序的流程，其主程序程序流程圖如圖3.1所示 圖3.1 主程序程序流程圖 用兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，Timer0用中斷方式（每定時(shí)10ms中斷一次）；Timer1用查值方式，用來計(jì)數(shù)（Timer0每中斷一次，就來讀取他的一次值，并作出相應(yīng)的處理）3.1.1主程序的初始化內(nèi)容 如圖3.1顯示，本設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)比較簡單。程序首先送初值，即給AT89S52送取一個(gè)占空比為50%的數(shù)據(jù)。（當(dāng)然也可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里為了更好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值是可變）。接著對(duì)數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化。MCS-51系列單片機(jī)復(fù)位后，（PC）=0000H，而0003H002BH分別為各中斷源的入口地址。所以，編程的時(shí)候應(yīng)在0000H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令。當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)并做出響應(yīng)后，CPU會(huì)把當(dāng)前的PC內(nèi)容壓入堆棧中進(jìn)行保護(hù)，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。一般會(huì)在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，并以跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址作為中斷服務(wù)程序的其實(shí)地址進(jìn)行編程。 MCS-51系列單片機(jī)復(fù)位后，除了SP為07H，P0P3口為FFH外，其余給內(nèi)存單元內(nèi)容均為00H，所以應(yīng)對(duì)IE、IP進(jìn)行初始化編程，用來開放CPU的中斷，允許某些中斷源中斷設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)等。3.1.2 代碼轉(zhuǎn)換程序 人們?nèi)粘Ａ?xí)慣用十進(jìn)制的數(shù)，而計(jì)算機(jī)鍵盤的輸入和輸出以及顯示常采用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)或ASCII碼。因此，在程序設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要進(jìn)行代碼的轉(zhuǎn)換。各種代碼之間轉(zhuǎn)換十分有用，除了對(duì)硬件邏輯轉(zhuǎn)換外，程序設(shè)計(jì)中還會(huì)采用算法處理和查表方式。3.2 中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)的程序是一種具有特定功能的獨(dú)立程序段。它為中斷源所需要的特定要求而服務(wù)，以中斷返回指令而結(jié)束。由于工序操作和計(jì)數(shù)請(qǐng)求響應(yīng)采用中斷處理方式，所以中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。在中斷響應(yīng)過程中，斷點(diǎn)的保護(hù)和恢復(fù)主要由單片機(jī)內(nèi)部的電路來實(shí)現(xiàn)。在編寫中斷服務(wù)程序時(shí)，必須要考慮是否有需要保護(hù)的現(xiàn)場，也就是說在主程序中用到的寄存器、存儲(chǔ)單元等，同樣在中斷程序中也要使用。如果有，應(yīng)該注意不要遺漏；在恢復(fù)現(xiàn)場時(shí)，需要注意壓棧與出棧指令必須成對(duì)使用，先入棧的內(nèi)容應(yīng)該后彈出。另外，還要及時(shí)清除需要用軟件清除的中斷標(biāo)志。3.2.1中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中采用的是工序操作中斷服務(wù)程序，此程序中用延時(shí)表示工序操作的處理過程。其程序流程圖如圖3.2所示圖3.2 工序操作程序流程圖3.3檢測脈沖及電機(jī)運(yùn)行程序的設(shè)計(jì) 檢測出雨量傳感器輸出的脈沖是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，通過對(duì)雨量大小的檢測的信息能準(zhǔn)確控制步進(jìn)電極的運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)檢測的程序流程圖如下圖3.3所示Timer0保護(hù)現(xiàn)場關(guān)閉Timer0 Timer1讀取Timer1判斷Timer1的值調(diào)用小雨程序處理方案調(diào)用中雨程序處理方案調(diào)用大雨程序處理方案Timer0 Timer1清零中斷返回開啟 Timer0 Timer1 大于160大于等于80小于等于160小于80圖3.3 實(shí)現(xiàn)檢測的程序流程圖第四章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)調(diào)試 本次總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)束后，隨后完成了實(shí)驗(yàn)板的焊接工作。在這硬件都完成之后，然后對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試工作。4.1 調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng) 首先在單片機(jī)的P2.0引腳接個(gè)閃燈（電源 發(fā)光二極管 電阻和電容串聯(lián)接入單片機(jī)引腳P2.0引腳），然后通過實(shí)驗(yàn)板上的下載口向單片機(jī)內(nèi)下載閃燈程序,下載完成后發(fā)現(xiàn)閃燈沒有進(jìn)行閃燈，進(jìn)過對(duì)比最小程序電路圖，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)第31個(gè)引腳沒有接電源。出現(xiàn)了一些連線的錯(cuò)誤，經(jīng)改正后，閃燈能夠按照程序理想的進(jìn)行閃燈工作。 因此，可以斷定單片機(jī)的最小系統(tǒng)的接線沒有問題，最小系統(tǒng)調(diào)試完成。4.2 問題分析及雨滴感應(yīng)模塊調(diào)試 當(dāng)最小系統(tǒng)調(diào)試完成之后，接下來向單片機(jī)內(nèi)下載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，電機(jī)無法工作，接通電源一段時(shí)間，步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象考慮到問題可能有以下幾種情況： 1，雨滴感應(yīng)模塊除了問題，沒能夠傳送出感應(yīng)信號(hào) 2，系統(tǒng)程序編程出現(xiàn)了錯(cuò)誤，對(duì)信號(hào)的接收和處理不到位 3，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可能沒法接收信號(hào) 接下來對(duì)雨滴感應(yīng)模塊做了具體的分析，用萬能表檢查，當(dāng)沒有雨滴的時(shí)候雨滴模塊輸出電壓接近電源電壓，為高電平信號(hào)；當(dāng)有雨滴的時(shí)候輸出為低電壓，接近于0V，為低電平，輸出為有效信號(hào)。同樣檢測單片機(jī)接收引腳的時(shí)候同樣如此，由此可以的斷定在雨滴感應(yīng)信號(hào)的發(fā)出與接收這塊是沒有問題的。4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)試 如果步進(jìn)電機(jī)要是沒有問題的話，直接向單片機(jī)內(nèi)下載電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的話，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該會(huì)做相應(yīng)的相應(yīng)。有了這個(gè)想法之后，在網(wǎng)上直接下載了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，做了相應(yīng)的改動(dòng)和轉(zhuǎn)換格式之后下載到單片機(jī)內(nèi)，完成之后，電機(jī)能夠做相應(yīng)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，證實(shí)了，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊工作正常。接下來的問題那邊是單片機(jī)的程序問題。4.4 系統(tǒng)軟件調(diào)試 上面幾步對(duì)系統(tǒng)的硬件做了相應(yīng)的調(diào)試之后，基本上能夠把問題之所在控制在了軟件錯(cuò)誤。 由于對(duì)電機(jī)的調(diào)試，控制程序能夠控制步進(jìn)電機(jī)做正反轉(zhuǎn)，便引出了一個(gè)想法，那就是如果在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中加入雨滴感應(yīng)信號(hào)的檢測程序，然后在做相應(yīng)的變動(dòng)那便是一個(gè)自動(dòng)雨滴控制程序。本次設(shè)計(jì)只采用了一塊雨滴感應(yīng)模塊，則雨滴感應(yīng)信號(hào)也就只有一個(gè)輸入，程序簡單易懂。 根據(jù)觀察調(diào)試，把電機(jī)正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)編譯改成如下程序/*正向旋轉(zhuǎn)相序表*unsigned char code FFW8=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09;/*反向旋轉(zhuǎn)相序表* unsigned char code REV8=0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08; 重新下載到單片機(jī)后，問題又出現(xiàn)了，步進(jìn)電機(jī)有時(shí)候一直正傳，有時(shí)候電機(jī)正傳結(jié)束后，停止一段時(shí)間接著正傳。問題便出在了反轉(zhuǎn)程序的編輯和調(diào)用上。對(duì)反轉(zhuǎn)程序做了進(jìn)一步修改，完成后再次下載到單片機(jī)內(nèi)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)象是：步進(jìn)電機(jī)做正傳之后，停止一段時(shí)間，接下來有時(shí)會(huì)做反轉(zhuǎn)相應(yīng)，有時(shí)候不動(dòng)，然后緊跟著又做起了正轉(zhuǎn)相應(yīng)。這里對(duì)電機(jī)發(fā)熱的現(xiàn)象做了有效的改進(jìn)。通過上面的現(xiàn)象，對(duì)延時(shí)程序做了修正如下/*延時(shí)子程序* void delay(unsigned int t) unsigned int k; while(t-)