汽车雨刷模拟系统课程设计汇总.doc

、八 、，刖言在现在电子产品中，电子仪器设备、家用电器、儿童玩具、工业以及农业生产等方 面，直流电动机都得到了广泛的应用。大家都熟悉的录音机、录像机、电子计算机等， 上面都不可能缺少直流电动机。所以直流电动机的控制是一门很实用的技术。直流电动机具有良好的启动性，他的特点是启动转矩大，最大转矩大，能再宽广的 范围内平滑、经济的调速，调速效率高。并在工业上得到广泛的应用所以在汽车的雨刮 也有广泛的应用。雨刮系统是汽车的重要安全设备之一。在传统机械雨刷系统中，驾驶 者手动控制雨刷器速度转换开关，通过改变雨刷器摆动速度，以求快速清除附着在挡风 玻璃上的雨水。通过AT89C51单片机能够方便的对雨刮系统进行实时控制，让驾驶员 在雨天、大雾、大雪等恶劣天气下能够安全的架势车辆。随着科学技术的提高，汽车工业也得到了迅速发展，而且越来越趋向于智能化，阴 雨天气中交通事故时常发生，在实际应用中汽车雨刷控制通常由直流电机的控制来实 现。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模拟雨刷系统总体设计本系统一共需要按键、时钟、复位、显示、电机驱动五个模块电路。按键模块使用P1 口，时钟、复位电路按照51最小系统的电路连接。显示模块段选使用 P0 口，电机驱 动和显示模块位选使用P2 口。其系统总体设计框图如图1所示：按鍵锲块514显示模块单片机W电机驱动模 抉图1系统总体设计框图2.1.2 8051单片机简介AT89S51是一个低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写 的Flash只读程序存储器和128 bytes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旨令系统，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。8051单片机引脚图。如图2所示:PID4DVTC805138PO.DFD. 1FQ.ZP0.3Fl fFl! 1KT/VFDro.EB3II/P3.0 IHD/P3. 1 nf0/F3.2 一 IM71/F3.3 TO/E3.4 Tl/n.5 'WP3 B 丽 P3-T =XTAL2 HTAL1 VS5 131920313025 购27262524232221EA/VFP ALE/PTOG FSEM7 6 5 4 3 P2P£P2F2F2.P2.2P2.1也O图2 8051单片机引脚图AT89S51具有如下功能特性：兼容MC51指令系统； 32个双向I/O 口；两个16位可编程定时/计数器； 1个串行中断；两个外部中断源； 4k 可反复擦写（1000 次）Flash ROM； 128x8bit 内部 RAM ； 6个中断源；低功耗空闲和掉电模式；软件设置睡眠和唤醒功能。2.1.3电机驱动芯片L293D采用16引脚DIP封装，其内部结构如图3：OUT! DUI3UssH10UT2 OUT 4IN3ENABLE I1N2IH1图3L293D内部结构图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。2.2 PWM定义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。221 PWM定义脉冲宽度调制（PWM ）是英文“ Pulse Width Modulation”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PWM4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 PW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，PWh又被称为“开关驱动装置”。2.3电路设计2.3.1系统主电路系统核心电路为最小系统即按键复位电路和时钟晶振电路。单片机复位电路通常采 用按键复位和上电复位。按键电平复位：通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。而本设计结构简单，干扰性小，故采用按键复位。时钟电路用于生产单片机工作所 需的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，本电路采用了11.952MHz，晶体振荡器频率越咼，振荡频率就越咼。系统主电路图如图4所示：U1C1R13«Ts9nr"ii12J14131«17li-I5q-jon14Y1 匚二IP1.0VCCPUP12PO.l(ADl)P13M.2(AD2)PL4PO.3AD3)Pl-SIOSI)P0.+(AD4jpi eo-nso)P0.5(AD5)P1.7(SCK>PO.窝 AM)PO.AD?)P3.01EXD)EAfVPP)P3.KTXD)ALEPROG；iP3.2OT0)P3ENP33(IKT1)P2.7(A13)P3 4(T(JP2.A(A14)時上空P15(A13)P3時輔P14(AI2)P3.7(XOJP2.XA11)XTAL2P2.2(1.10)XTALln.i(A9)GKD2339a 238b 3节-435« s34f 7勢S s329_2akr4029VCC1P26EN1INI2CPGKD图4系统主电路图232按键控制电路在汽车雨刷设计要求高低不同两速挡，采用两按键控制。程序只需将K1、K2对应管脚进行位定义即可直接控制，极大的方便了程序的书写，下拉电阻使按键更为稳定。k1为高速档，k2为低速档。按键控制电路图如图 5所示：图5按键控制电路图233显示电路本系统需要显示雨刷的速度，采用两个数码管。于是使用三极管，此处使用三极管开关特性。选取数码管的时候要注意共阴还是共阳。显示电路图如图6所示：D$1DS21 1QIQ：W图6显示电路图234电机驱动电路由于本系统选用L293D电机驱动芯片，参考L293D手册上电路。电机驱动电路图如图7所示:EN1VSN1K40UT10UT4GNDGXDGNDGNDOUT! OUT3K2IN3VSEN2161+11*L2S3D图7电机驱动电路图3. 系统软件设计本设计以单片机AT89C51作为CPU，整个系统软件设计均采用 C语言实现。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、档位判断和控制的设计。其流程图如图8所示：定义P0 口味数码管段选1定义L293控制管脚I1定义控-制按键高档位PWM抵挡位PWM调整电机转速图8程序流程图4 系统仿真在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研 究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。单片机产生的PWM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。仿真电路图如图9所示:U1 -'m；'H-:A.:-U2'0IT3a B * J0 8：A：.A：-TS.L1? DITA IdP 口 NAiKWWLZWQH肿 j3O.4/A»*FDja*AV«RBTsn 711 A >7PZUflS口阿M£程.湖口愆妙1日P3«AI*P2.7fA1Sp g jp irrvfiFI2p ri= 1TIK_，1Pl*PNEpasP3ST1p t g 1 &<ET"JFsirttrM isC RTfETAL .h J-'TTF ' "S 's. in!I . bi.P.U19U4.RP1 .图9仿真电路图5. 设计总结经过这次的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎 实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。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。通过本次设计，使我更加了解了单片机的运行原理，并且还知道了超声波的用途 及如何运用超声波来为我们的生活服务。通过这一段时间的努力，提高了自我的学习能 力及查阅资料的能力，同时，我们采用分组的形式，小组内的合作交流培养了我们团结 互助的合作精神。两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的 知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在 设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作, 学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作 前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句 千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为 明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.6. 参考文献1 邵显龙可变配气机构的种类，构造和未来动向J.汽车研究与开发，2001 (4): 20-24.2 郑生虎.高强钢汽车结构件成形数值模拟及回弹分析D.吉林大学，2013.,2012,3 郭文志，李宏华，赵福全.汽车车身导水主板导水槽结构设计J.农业装备与车辆工程2: 012.4 田永，韦俊.汽车车门密封条系统的结构与功能研究J.汽车工程师，2012, 8: 007. 黄海.汽车缓速制动装置的种类及特点J.城市公共交通，2010 (008): 34-34. 郭天祥.51单片机C语言教程一入门、提高、开发J.电子工业出版社，2009.67 林爵天.微机控制PWh直流电机调速J.上海电机技术高等专科学校学报，20058 张大明.单片机微机控制应用技术J.机械工业出版社，2007。7附录附录1雨刷模拟系统电路原理图口rrP： 4F： J 泪HP：駅谢：*：SCK'SJTK.d-m； :二 yjjfr 怕丹料端IXTAU 'OALl 却we讯：*ALEfkKHF n w£) w百艸町 JUrALl、 13.4/Alli "珈ti 吧刖Al巧K. 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