汽车雨刷器电路设计毕业设计报告书.doc

目录
第一部分 设计任务 2
1.1主要任务 2
1.2自动雨刷控制系统设计思路 2
1.3设计原理方框图 2
1.4系统使用部件选择 2
1.5汽车自动雨刷控制系统的主要特点 6
第二部分 设计说明 7
2.1感应模块的设计与分析 7
2.2机及驱动模块 8
2.3自动雨刷控制系统调试 11
2.4电路原理图 13
第三部分 毕业设计成果 14
第四部分 结束语 15
第五部分 致谢 16
第六部分 参考文献 17
第一部分 设计任务
1.1主要任务
1：汽车自动雨刷控制系统的设计思路
2：控制电源电路的设计
3：收集材料进行制作
4：完成设计测试运行是否正常

1.2自动雨刷控制系统设计思路
设计的总体思路是：运用雨滴传感器感应雨量的大小，把感应信号输给单片机系统，然后通过软件控制雨刷电机根据相应的环境做出不同的转动。例如，当检测为小雨量的时候，电机工作在小雨模式（电机旋转一个来回要停留10秒再继续进行旋转）；当检测为中大雨的时候则，启动中大雨运转模式（电机旋转一个来回停止5秒后再继续工作）；当检测为大雨的时候，则启动大雨运转模式（电机连续进行来回旋转）。设计中运用AT89C2052单片机，步进电机采用ULN2003AN驱动芯片进行驱动。
1.3设计原理方框图
本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图1：

图1设计原理框图
1.4系统使用部件选择
系统主要是由单片机最小控制系统（包括晶振电路，复位电路，供电电源），雨滴感应模块，电机驱动模块组成。
1.4.1单片机AT89C2052，AT89C2051的比较与选择
单片机AT89S2051是具有可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的8位CMOS微处理器，有15根I/O线、16位定时/计数器两个、全双向的串行口一个、并且其内部含有精密的比较器和片内振荡器，具有4.25--5.5V的电压工作范围和12MHz的工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁和时钟电路等。此外还支持二种软件可选的电源节电方式。在空闲的时候，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统仍然继续工作。共有20个引脚，引脚图如图2：

图2单片机AT89C2051引脚图

单片机AT89C2052是种低能耗，高性能的8位CMOS微控制器，在系统中具有8K可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密非易失性存储器技术制造，片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适合常规的编程。在单片机上拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程存储器Flash，让它在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。AT89S52单片机具有：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器。能实现的功能比单片机AT89C2051更加全面，内存更大，引脚更加全面引脚如图3：

图3单片机AT89C2052引脚图

由上可知，为了更加便于操作，不用担心引脚不够的问题，则选择单片机AT89C2052，另外其是各性能比较全面。
1.4.2电机选择
设计中选择了步进电机来代替了传统的雨刷电机，相比传统的电机其更加的灵活，精度高。步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗的来讲就是当驱动器接受到一个脉冲信号，就会相应的驱动步进电机按照设定好的方向转动一个固定的角度。通过脉冲个数可以来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机 转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在性能上步进电机更适合作为雨刷电机，并且其价格便宜，在市场上供货也比较多所以，所以在本次设计中选择步进电机。步进电机的原理接线图如图4：

图4步进电机原理图

1-2相励磁顺序表，从输出轴方向看-逆时针方向如下表

表1 输出轴方向看-逆时针方向

主要的功能参数如下：
1——额定电压
2——相数
3——减速比
4——步距角
5——驱动方式
6——自定位转矩
7——绝缘电阻
1.4.3电机驱动芯片的选择
根据设计书的要求，本次设计核心就是对电机的控制，所以对于选择理想的驱动芯片来驱动电机则就成为了十分重要的一部分了。最常用的就是脉宽调制式斩波驱动方式，大多步进电机都选择这种驱动方式来进行调速控制，TA8535H与ULN2003AN都是比较常用的，性能也是比较稳定可靠的专用芯片。
TH8435驱动芯片东芝公司生产的脉宽调制式斩波器型二相步进电机驱动芯片，工作稳定可靠，工作电压为10-40V，具有整步，半步，1/4细分和1/8细分运动方式供选择。其由1个解码器，2个驱动桥式电路，2个电流控制电路，2个输出电流限制电路等功能模块构成。
ULN2003AN是一种最常用的驱动步进电机的芯片，而且接线十分简单，用单片机驱动小量步进电机是很好的选择，有16个引脚其中有七个为输入引脚另外七个为输出引脚，8号是接地引脚，9号是接电源12V或5V的引脚。比如步进电机公共端接5V，其余四个引脚接驱动芯片的四个输出端，然后单片机或者外围电路接上ULN2003的四个输入引脚。
其实在本设计中这两种芯片都可以选择，但是ULN2003驱动芯片原理更加简单，操作容易，在驱动电机时，工作稳定；而且在市场上驱动芯片ULN2003使用比较广泛，所以选择ULN2003AN作为驱动芯片。
1.4.4雨滴传感器的选择
在目前市场上雨滴传感器的工作原理大都分为以下两种：利用电阻压变，光强变化的传感器与控制器相连接，来控雨刷电机的转动。前种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外面，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
后种是在设计和发展上比较完善的传感器，但在市场上买配件的时候发现前电阻式的更便于设计操作而被选择。
1.5汽车自动雨刷控制系统的主要特点
基于单片机AT89S2052对步进电机控制制作系统的主要特点：
（1） 本设计运用步进电机来代替传统的雨刷电机，从而使控制精度更高，响应速度更快，抗干扰能力更强，且外围电路简单易懂。
（2）运用单片机控制系统，程序定化，系统更加稳定。
（3）雨水感应式自动雨刷控制系统使驾驶员去除了手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了在雨天行驶的安全性。
（4） 设计中运用元件价格便宜，较适合推广使用。
（5） 整个系统可集成于一个芯片上，因此体积小，功耗低。
通过以上方案的分析，我们可以看出单片机技术是现代电子设计的重要发展部分。采用单片机AT89S2052和步进电机结合的自动雨刷控制系统的设计方案，无论是性能上，特点上，还是原理图上，或是在电路设计上都具有简单，使用性强的优点。

第二部分 设计说明
2.1感应模块的设计与分析
本次设计中的雨滴感应模块是由雨滴板、LN393低功率低失调电压双比较器、电位器、指示灯等组成。
控制模块信号接收的连线图如图5：

图5控制模块信号接受的连接线

雨滴感应模块信号输出接线图如图6

图6感应模块信号输出接线图

在图5当k1（雨滴板）没有雨滴的时候1与2脚之间显示断开，这时输入信号为高电平信号，电源指示灯亮，开关指示灯灭；当有雨滴时，1与2引脚显示接通，这时输入的为低电平，此时开关指示灯亮起为有效信号。
雨滴模块的实物图如图7示：

图7雨滴模块的实物图
2.2电机及驱动模块
2.2.1电路的设计与分析
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或者是线位移的开环控制元件。在没有超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率与脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而没有累积误差等特点。使其在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
1 步进电机的基本原理和特点
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。当电机中步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称之为“步距角”，其旋转是以固定角度一步一步运行的。我们可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到较为准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲的频率来控制不进电机的转动速度和加速度，来达到调速的目的。步进电机可以作为一种开环控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点（即精度为100%），广泛应用于各种开环控制。
常见的步进电机分为三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式电机步进一般为两相，转矩和体积都较小，步进角一般为7.5 度 或15 度；反应式电机步进一般为三相，可实现较大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但因为噪声和振动都很大。欧美等发达国家在80 年代就被淘汰了；混合式步进电机则混合了永磁式和反应式的优点。它分为两相和五相两种：两相的步进角一般为1.8 度，五相的步进角一般为 0.72 度。这种步进电机在当下的应用最为广泛。
电机是一种数字控制电机，它将脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就相应的转动一个角度，因此非常适合于单片机来控制。步进电机与其他的控制电机最大的区别在于步进电机是通过输入的脉冲信号来进行控制的，就是说电机的总转动角度是由输入的脉冲数决定的，电机的转速是由脉冲信号的频率决定的。
步进电机的控制信号由单片机产生，步进电机的驱动电路根据控制信号而工作。其基本原理如下：
(1)控制换相顺序
通电换相这一过程称为之脉冲分配。
(2)控制步进电机的转向
如果给定的工作方式是正序换相通电，则步进电机正转，如果是按反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度
如果给步进电机一个控制脉冲，它就相应的转动一步，再发给一个脉冲，它就会再转一步。两个脉冲之间的时间间隔越短，则步进电机就会转得越快。因此我们可以调整单片机发出的脉冲频率，来对步进电机的转速进行我们所需的调动。
2.2.2步进电机的驱动芯片
实现细分方式有多方法，最常用的是采用脉宽调制式斩波驱动的方式，大多数专用步进电机的驱动芯片都采用这种驱动方式来进行驱动，ULN2003AN是其中的一种芯片，在本次设计中我们所使用的为感性负载步进电动机，因此不能直接用单片机来进行直接驱动。选用ULN2003AN芯片来进行驱动不进电机。
LN2003AN是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高，工作压高，温度范围宽，带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统，其电路是美国Texas Instruments公司和Sprag公司开发的晶体管阵列电路。驱动芯片ULN2003AN的引脚图如图8：

图8驱动芯片ULN2003AN的引脚图

驱动芯片ULN2003内部电路原如图9：

图9驱动芯片ULN2003内部电路原理图
各引脚的功能符号如下表2：
表2驱动芯片ULN2003各引脚符号

步进电机由驱动芯片驱动的连接线图如图10：

图10步进电机由芯片驱动的连接线图
（1）驱动电机
电机驱动的关键是精确的控制电机旋转的角度。程序设计是要根据传感器的信息来判断旋转的方向，以便启动相应的转动方向子程序。正反控制程序分别按控制脉冲顺序的要求采用相应的控制模型，并判断是否大幅度转向，采用调节脉冲宽度的方式来实现电机调速。程序设计时把步进电机的控制方式简历成控制模型，并以数据表形式存于存储器中，设计程序是可以直接调用该存储器的数据。
（2）电机对零
对零点事电机操作最重要的环节之一，在步进电机进行点位控制之前首先必须确定出一个绝对坐标系，系统就将对零点位置作为第一个绝对坐标系。上电后首先进行归零操作，电机一开始以顺时针（或逆时针）方向任意旋转，一旦接受到主控台传来的信号就立即控制电机停止运动，并等待接收旋转的数据，然后开始控制电机的运转。
（3）速度的控制
不但要求电机能够精确的定位，而且还要求快速的到达预定的位置，也就是要求准确的控制步进电机的转动速率。步进电机的速率控制方法主要是通过改变每个脉冲信号的时间间隔，可以采用设置定时器的初始时间来获得延时时间，也可以采用改变程序中的延时时间来满足。假如转动方向变化比较大时，如果点击还是按照恒定的转速进行工作，那么转动的时间就会比较长。因为步进电机的响应频率fs比较低（100步/秒-250步/秒），而电机的启动频率还要低于最高空载的启动频率，当电机启动后，在进入稳态时工作频率又会远远的大于启动频率。由此可见，一个静态的不进电机是不可能马上达到较高稳定工作频率，而要求在启动电机的瞬间采取加速措施来完成，一般我们会在起步的时候采用升频的方式，时间范围约为0.1-1秒；反之，从高速运转到停止的时候有件减速的措施，而且减速时的加速度的绝对值要比加速时的加速度要大，这样所需的时间就会变短。为了解决快速而不失步的问题，对电机提出了相应的要求，如下“低速启动接着高速运转，然后降低速度，最后停止”。这种三段允许频率方式我们利用程序的延时来完成。
利用高耐压，大电流的达林顿陈列ULN2003直接与负载电机相连接，并驱动步进电机，电机的转动速度由机械设计和单片机程序进行控制。由该芯片在5V的工作电压下与TTL信号和CMOS电路直接相连，保证负载电流的供给，同时也减少了其他驱动芯片容易被烧的事故。
2.3自动雨刷控制系统调试
2.3.1调试单片机最小系统
首先在单片机的P2.0引脚接个闪灯（电源 发光二极管 电阻和电容串联接入单片机引脚P2.0引脚），然后通过实验板上的下载口向单片机内下载闪灯程序,下载完成后发现闪灯没有进行闪灯，进过对比最小程序电路图，发现单片机第31个引脚没有接电源。出现了一些连线的错误，经改正后，闪灯能够按照程序理想的进行闪灯工作。
因此，可以断定单片机的最小系统的接线没有问题，最小系统调试完成。
2.3.2问题分析及雨滴感应模块调试
当最小系统调试完成之后，接下来向单片机内下载步进电机驱动程序，电机无法工作，接通电源一段时间，步进电机出现发热现象。出现这种现象考虑到问题可能有以下几种情况：
1，雨滴感应模块除了问题，没能够传送出感应信号
2，系统程序编程出现了错误，对信号的接收和处理不到位
3，步进电机驱动模块可能没法接收信号
接下来对雨滴感应模块做了具体的分析，用万能表检查，当没有雨滴的时候雨滴模块输出电压接近电源电压，为高电平信号；当有雨滴的时候输出为低电压，接近于0V，为低电平，输出为有效信号。同样检测单片机接收引脚的时候同样如此，由此可以的断定在雨滴感应信号的发出与接收这块是没有问题的。
2.3.3步进电机驱动模块调试
如果步进电机要是没有问题的话，直接向单片机内下载电机驱动程序的话，步进电机应该会做相应的相应。有了这个想法之后，在网上直接下载了电机的驱动程序，做了相应的改动和转换格式之后下载到单片机内，完成之后，电机能够做相应的正转与反转。
电机的转动，证实了，电机驱动模块工作正常。由于本次设计采用的只有一块雨滴感应模块，所以整个系统接线比较简单。因此，本次对系统的调试工作完成。

2.4电路原理图

图11电路原理图

第三部分 毕业设计成果
特点：
1、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、单片机控制系统，程序固化了，使系统更加稳定。
3、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、统可集成在一个芯片上，因此体积小，功耗低

图 12 实物图

第四部分 结束语
在汽车制造业飞速发展的今天，汽车中已经安装了越来越多的自动控制系统增加主动和被动安全性。据统计，全世界雨天行车有7％的事故是由于驾驶员手动操作雨刷引起的，所以，一种具有极高可靠性能的汽车自动雨刷控制系统显的非常的重要，汽车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和雨刷的可靠度。国内外许多汽车厂商研制以雨水传感器为基础的汽车自动雨刷控制系统，来代替传统的机械结构的雨刮器，但不是价格昂贵就是系统不完善。现在开发的汽车雨刷控制系统中，将雨滴传感器检出的雨水强度实成时测量值变电信号，根据电信号的大小，自动设定雨刮器工作的时间间隔，控制雨刮器动作。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、利用静电电容的传感器、利用光强变化的传感器与控制器相连接，控制雨刷电机的工作。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。雨刮器是重要的安全件，它必须能有效地清除雨水、雪和污垢。
在设计本作品时，通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上指导老师的指导与资料提供，与生活中汽车雨刷控制原理相结合，设计出了这一汽车自动雨刷系统的主要硬件结构和软件结构，基本完成了课题的要求，但是由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，在某些技术关键上的叙述不能达到详细、精辟。
由于本人的水平有限，设计当中，难免会有不少的缺点和不足之处，恳请教导老师批评并改正。

第五部分 致谢
光阴似箭，日月如棱。三年的时间，在我们漫长的人生旅途中是那么的短暂，但是，这短短的三年是最真诚的青春，是最纯真的岁月，是最美丽的大学生活。我们的自学能力在这里得提升，我感谢所有的恩师：是您赋予我们最有意义的收获；是您带领我们走进知识殿堂，使我们丰富了知识,感悟生活的美；是你教会我们珍惜友谊和时间；是您给了我们看世界的眼睛，是你们用博大的胸怀，给予我们最无私的关怀和奉献。这在这次的毕业设计中，发挥了我在学校学到的文化知识和技能的应用，也算是我最后一次做学校的作业了，我要感谢我的指导老师，还有我的班主任老师，以及任课老师，感谢他们的教诲，让我知道在社会上懂得怎样去做好自己，端正自己的位置，为社会贡献出我自己的力量。
本文是在老师精心指导和大力支持下完成的。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于汽车雨刷器的知识，实验技能也有了很大的提高。

第六部分 参考文献
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