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1、目录第一部分 设计任务与调研21.1 毕业设计的主要任务21.2 汽车自动雨刷控制系统的设计思路21.3 方案的选择设计与原理方框图21.4 汽车自动雨刷控制系统的主要特点4第二部分 设计说明62.1 电源电路的设计与分析62.2 中央控制器 AT89C205172.3 电机控制电路分析与设计92.4 单片机复位电路基本原理及特点132.5 检测电路的设计与分析132.6 系统的安装与调试14第三部分 设计成果16第四部分 结束语18第五部分 致谢19第六部分 参考文献20第一部分 设计任务与调研1.1 毕业设计的主要任务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
2、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。1.2 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
3、单片机运用AT89C2051，步进电机用TA8435H进行驱动。1.3 方案的选择设计与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。1.3.1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与INTEL公司的MCS5
4、1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(FLASH ROM)的低电压、高性能CMOS 8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，与工业标准的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
5、，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结构与可实现的功能跟AT89C1051基本一样，只是闪速可编程可擦除只读存
6、储器(FLASH ROM)升级到2K，还有内部RAM为128字节。由上可知，为了降低难度，增加系统的可靠性与稳定性，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
7、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。图1 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
8、等功能模块组成。工作电压范围宽（1040V）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
9、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。1.3.2 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2所示。电源电路传感器时钟电路复位电路单片机步进电机驱动芯片步进电机图2 汽车自动雨
10、刷控制系统结构框图1.4 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：1. 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。2. 运用单片机控制系统，程序固化了，使系统更加稳定。3. 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。4. 设计中运用元件价格便宜，适合推广使用。5. 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
11、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。第二部分 设计说明根据设计要求，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。在本部分下面的几个小节中，我们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 电源电路的设计与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
12、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3 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3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1
13、2V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：DC3V35V；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
14、。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Vo5V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Vo5V时亦然。图4 三端稳压电源内部图2.2 中央控制器 AT89C2051AT89C2051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、硬件与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，使得开发与试验比
15、较容易。2.2.1 AT89C2051的特点AT89C2051具有以下几个特点：AT89C2051与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:0Hz24MHz；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；1288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。2.2.2 AT89C2051的功能描述T89C2051是美国爱特梅尔（ATMEL CORPORATION）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与INTEL公司的MCS51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技术与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。
