汽車雨刮器的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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. 汽車雨刮器的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)總說明 本次設(shè)計(jì)的汽車自動雨刷省去了人為手動操作雨刷的問題，能夠自動感應(yīng)雨量并進(jìn)行相應(yīng)的工作。自動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)信號傳給單片機(jī)，通過軟件的控制驅(qū)動芯片自動調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)動頻率。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)動芯片來驅(qū)動步進(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。 在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個(gè)雨刮擺動不同步的問題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來選擇控制PWM的輸出語言變量，并以此通過脈寬調(diào)制技術(shù)來驅(qū)動直流電機(jī)，使兩個(gè)雨刮同步擺動。 關(guān)鍵詞：雨滴傳感器；步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；雨刮器 . Car Wiper Blade Design and Implementation of Automatic Control System Design Description 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 modulation’s 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. In intelligent windscreen wiper system of automobile, As the problem of technics, rotate speed of two electro motors are not the same completely, so there are the problems that two wiper blades swing ansynchronous. In the thesis, a intelligent windscreen wiper system of automobile based on fuzzy control is presented, by analyzing fuzzy control theory and synchronous swing rules of windscreen wiper. The speed error and its change were used as fuzzy stable variable. According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the PWM switch. In this way, the PWM technique was used to drive the DC motor and control windscreen wiper to swing synchronously. keywords：rain sensor;Stepper motor;MCU; windscreen wiper . 目錄 1.緒論 1 1.1 概述 1 1.2 研究背景 1 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4研究意義 3 2.總體設(shè)計(jì)方案 4 2.1自動雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 4 2.2設(shè)計(jì)原理 4 2.3系統(tǒng)組成 5 2.3.1 單片機(jī)的比較與選擇 5 2.3.2 STC12c5a60s2功能特性概述 6 2.4雨滴傳感器的分類 8 2.4.1壓電振子原理的雨滴傳感器 8 2.4.2雨滴傳感器種類 9 2.4.3光量變化的雨滴傳感器 9 2.4.4紅外雨滴傳感器的原理 10 2.5 顯示元件選擇 10 2.5.1液晶顯示簡介 10 2.5. LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能 12 2.6刮水電機(jī) 13 2.6.1刮水電機(jī)型號的編制方法 13 2.6.2減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14 6.2.3刮水電機(jī)的控制電路分析 15 3.智能雨刮器的硬件組成及其芯片介紹 18 3.1 STC89C52的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 18 3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 19 3.2.1 ADC0832芯片介紹 19 3.2.2 ADC0832芯片電路 21 3.2 液晶顯示電路 21 3.2.1 1602液晶簡介 21 3.2.2 液晶引腳說明 22 3.2.3 液晶顯示模塊電路 22 3.3 雨滴傳感器電路設(shè)計(jì) 23 3.4電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì) 24 3.5發(fā)射模塊 25 3.5.1發(fā)射管 25 3.5.2由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 26 3.6接收模塊 27 3.6.1紅外接收管 27 3.6.2帶通濾波器 28 4.軟件設(shè)計(jì) 29 4.1程序語言及開發(fā)環(huán)境 29 4.2 智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì) 29 4.3雨滴傳感器的流程圖設(shè)計(jì) 30 4.4智能雨刮器電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì) 31 5.系統(tǒng)調(diào)試 33 5.1 元器件的選擇與測量 33 5.2 元件的焊接與組裝 33 5.3程序燒錄 34 5.4 KEIL運(yùn)行 35 5.5 運(yùn)行結(jié)果 35 6. 總結(jié) 37 致謝 38 參考文獻(xiàn) 39 附錄 41 附錄Ⅰ 電路原理圖 41 附錄Ⅱ 程序 42 . 1.緒論 1.1 概述 雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪和灰塵等，以保證玻璃透明清晰。 在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個(gè)雨刮擺動不同步的問題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來選擇控制PWM的輸出語言變量，并以此通過脈寬調(diào)制技術(shù)來驅(qū)動直流電機(jī)，使兩個(gè)雨刮同步擺動。 汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代汽車正從一種單純的交通工具朝著滿足人們需求、安全、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。為了滿足人們對汽車日益提高的要求，汽車研發(fā)及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)必然要將越來越多的電子產(chǎn)品引入到汽車上，智能控制系統(tǒng)也成為汽車革新的主要內(nèi)容。 1.2 研究背景 隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對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{駛員對雨刷的操作不當(dāng)而帶來的交通事故占6%之多。所有自動雨刷系統(tǒng)的安裝對于汽車來說是十分重要的。自動雨刷控制系統(tǒng)免去了駕駛員手動調(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。 雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪、灰塵和水泥等，以保證玻璃透明清晰。 第一個(gè)發(fā)明電動刮水器的是德國博世公司，博世將它作為“博世最年幼的產(chǎn)品”加入到博世的產(chǎn)品家族。自那以后，這個(gè)嬰兒逐漸成長，從單純的刮片發(fā)展到二十一世紀(jì)初的風(fēng)窗玻璃之星——無支架的刮水器。在汽車的駕駛史上，對風(fēng)窗玻璃的清潔問題解決開始得比較晚。汽車從只有平添駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛。技術(shù)變化最大是在二戰(zhàn)以后，伴隨著大規(guī)模機(jī)械的出現(xiàn)。風(fēng)窗玻璃洗滌器、間歇開關(guān)、后窗刮水器和可加熱噴水器保證了駕駛時(shí)的視野清晰與行車安全。伴隨著其他一些技術(shù)革新，比如雨滴傳感器、可變位刮水臂、刮水器的出現(xiàn)，就更擴(kuò)大了刮拭的范圍，刮水器成為了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外許多汽車廠商以雨水傳感器為基礎(chǔ)的自動雨刷控制系統(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轉(zhuǎn)變成電信號，然后傳遞給單片機(jī)，通過軟件的控制來控制電機(jī)驅(qū)動芯片從而帶動電機(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控制器連接，來控雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動。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，所以自動雨刷系統(tǒng)屬于必須的安全設(shè)備。主動性安全系統(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)的自動雨刷，乃目前各車廠投注心力的開發(fā)方向。 雨刮器總成含有電動機(jī)、減速機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、掛水片總成等。當(dāng)司機(jī)按下雨刮器的開關(guān)時(shí)，電動機(jī)啟動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動擺臂，擺臂帶動四連桿機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)帶動安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動，最后由轉(zhuǎn)軸帶動雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。 雨刮器的種類很多, 按安裝位置分, 有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等;按雨刮范圍分, 有局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮;按運(yùn)動方式分, 有四桿機(jī)構(gòu)左右擺動式、導(dǎo)軌式直線和弧線運(yùn)動式;按制作材料分,有普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮器。目前,車輛上廣泛使用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)黑膠體雨刮器。 國外對汽車電動雨刮器的性能要求： 1、耐久性能 美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦 （1）總成耐久試驗(yàn) （2）刮片耐久試驗(yàn) （3）橡膠片耐久試驗(yàn) 日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦 （1）橡膠片耐久試驗(yàn) （2）總成耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后搖臂的壓力變化和試驗(yàn)前相比應(yīng)在15%以內(nèi), 搖臂和刮片的各部分不應(yīng)有明顯的松弛、松動（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。 2、強(qiáng)度性能 美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦 在刮動過程中阻擋搖臂15秒，試驗(yàn)后應(yīng)仍能正常工作。 3、刮刷性能 美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦 耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后刷凈性能仍應(yīng)達(dá)到75%。 4、刮動頻率 （1）美國文獻(xiàn)介紹 刮動周期 1--20秒 （2）法國文獻(xiàn)介紹 刮動頻率 12--40次/分 （3）美國文獻(xiàn)介紹 間隔 3秒較普遍 （4）英國文獻(xiàn)介紹 適應(yīng)極細(xì)雨時(shí)用, 頻率和間歇均能獨(dú)立控制。 （5）美國文獻(xiàn)介紹 傾盆大雨時(shí)的刮刷頻率可高達(dá)80次/分,高于上述頻率則雨刮將在風(fēng)窗玻璃水而上浮掠而過, 破壞刮水性能。 1.4研究意義 據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛員手動操作雨刷引起的，現(xiàn)在的汽車中已經(jīng)安裝了越來越多的傳感器以增加主動性和被動安全性。采用雨滴感應(yīng)式自動雨刷控制系統(tǒng)可以使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。如果汽車有雨滴傳感器，駕駛者就無需調(diào)節(jié)雨刮器設(shè)置來迅速停止刮片的運(yùn)動或者得到更好的視角。當(dāng)在濕路上駕駛時(shí)，駕駛者就無需動手來打開雨刮器，所以駕駛者就可以集中精力開車。 2.總體設(shè)計(jì)方案 現(xiàn)在開發(fā)的雨滴檢測雨刮器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成電信號，根據(jù)電信號的大小，控制刮雨器動作。在這個(gè)系統(tǒng)中雨滴傳感器的作用最重要。 2.1自動雨刷控制系統(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。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)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。 2.2設(shè)計(jì)原理 本次設(shè)計(jì)由檢測部分，控制部分，驅(qū)動部分組成，其框圖如圖2-1所示。 圖2-1 設(shè)計(jì)原理框圖 2.3系統(tǒng)組成 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)動模塊組成。 2.3.1 單片機(jī)的比較與選擇 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心部件它的選擇對整個(gè)系統(tǒng)起著很重要的作用。目前較為廣泛應(yīng)用的單片機(jī)有51系列的8位、面向大數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP)、增強(qiáng)型的16位單片機(jī)機(jī)以及32位的AR芯片這幾種。 DSP器件在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，從長遠(yuǎn)來看它的應(yīng)用必將越來越廣。目前DSP器件具有的特性為，運(yùn)算能力強(qiáng)，速度快，側(cè)重于高端領(lǐng)域使用，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)側(cè)重于有大量數(shù)字信息處理的場合，但是它的價(jià)格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。 ARM芯片的優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、功能廣泛和性能高的特點(diǎn)，它主要應(yīng)用在比較簡單的小型的場合。 51單片機(jī)是從八十年代就開始流行的處理器，其價(jià)格低，開發(fā)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但不足在于功能過于簡單，計(jì)算能力有限，并且擴(kuò)展麻煩、功耗高，已不能適應(yīng)于目前對測控系統(tǒng)功能和速度的要求[6]。 本次選擇8位控制器的典型代表就是8051微控制器的stc12c5a60s2單片機(jī)。它是一款入門級微控制器，它內(nèi)核簡易，應(yīng)用廣泛，非常適合入門學(xué)習(xí)使用。而且它的價(jià)格低，對實(shí)時(shí)性要求不高的電子產(chǎn)品。STC單片機(jī)是一款增強(qiáng)型51單片機(jī)，完全兼容MCS．51，還增加新的功能，新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個(gè)外中斷，內(nèi)置EEPROM，硬件看門狗，具有掉電模式，512B內(nèi)存，支持ISP在線編程，不用編程器，程序可擦寫10萬次。引腳完全兼容，性能好，驅(qū)動能力強(qiáng)；抗干擾能力強(qiáng)；功耗更低；價(jià)格也比傳統(tǒng)的89系列低。 2.3.2 STC12c5a60s2功能特性概述 目前市場上使用比較常見的51系列是STC89C52。STC89C52是通過低電壓，高性能CMOS 8位微控制器與4K字節(jié)的只讀程序可以反復(fù)擦寫存儲器（PEROM）和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的生產(chǎn)，該設(shè)備采用了該公司的STC高密度，非易失性存儲技術(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集，內(nèi)置通用8件中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大STC89C52單片機(jī)可為您提供高性價(jià)比的許多應(yīng)用程序兼容的地方可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域其。性能參數(shù)如下： (a)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 (b)4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器 (c)1000次擦寫周期 (d)全靜態(tài)操作：0Hz－24MHz (e)三級加密程序存儲器 (f) 1288字節(jié)內(nèi)部RAM (g) 32個(gè)可編程I／O口線 (h) 2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 (i) 6個(gè)中斷源 (j)可編程串行UART通道 (k)低功耗空閑和掉電模式 圖2-2 STC 12c5a60s2引腳圖 STC89C52單片機(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I／O口線，兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，stc12c5a60s2可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 （2）STC89C52的內(nèi)存空間 1、內(nèi)部程序存儲器（FLASH）4K字節(jié)。 2、外部程序存儲器（ROM）64K字節(jié)。 3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）256字節(jié)。 4、外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）64K字節(jié)。 表2-1 程序存儲6個(gè)特殊地址 0000H 上電或復(fù)位入口地址 0003H 外部中斷0入口地址 000BH 定時(shí)器T0中斷入口地址 0013H 外部中斷1入口地址 001BH 定時(shí)器T1中斷入口地址 0023H 串口中斷入口地址 在上述事件發(fā)生時(shí)，PC指針獲得固定的地址，然后CPU執(zhí)行PC指針?biāo)傅刂穯卧獌?nèi)的程序。 2.4雨滴傳感器的分類 2.4.1壓電振子原理的雨滴傳感器 雨滴傳感器又叫雨滴檢測傳感器，用于檢測是否下雨及雨量的大小，廣泛用于汽車自動刮水系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)和智能天窗系統(tǒng)中。在雨滴傳感刮水系統(tǒng)中，用雨滴檢測傳感器檢測出雨量，并利用控制器將檢測出的信號進(jìn)行變換，根據(jù)變換后的信號自動地按雨量設(shè)定刮水器的間歇時(shí)間，以便隨時(shí)控制刮水器電動機(jī);在汽車智能燈光系統(tǒng)中檢測車輛行駛的環(huán)境，自動調(diào)整燈光模式，提高車輛在惡劣環(huán)境下行駛的安全性;在智能天窗系統(tǒng)中傳感器一旦檢測到下雨，會自動關(guān)閉天窗。 圖2-3 靜電電容傳感器 2.4.2雨滴傳感器種類 雨滴傳感器的種類有:(1)根據(jù)雨滴沖擊能量的變化進(jìn)行檢測;(2)利用靜電電容量變化進(jìn)行檢測;(3)利用光亮變化進(jìn)行檢測。 2.4.3光量變化的雨滴傳感器 把半導(dǎo)體發(fā)光元件和感光元件配成一對，從發(fā)光元件發(fā)出的光信號，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光強(qiáng)減弱?？衫霉鈴?qiáng)的衰減信號控制雨刮器的動作。 前兩種雨滴傳感器需要放在汽車的外部，而本文所研制的雨滴傳感器需要放在汽車的內(nèi)部，即駕駛室一側(cè)的風(fēng)擋玻璃上。所以采用第三種方法，利用光強(qiáng)變化來實(shí)現(xiàn)的雨滴傳感器。如圖2-4為雨滴傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖2-4 雨滴傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2.4.4紅外雨滴傳感器的原理 本設(shè)計(jì)中的雨滴傳感器選用紅外雨滴傳感器，屬于光量變化原理雨滴傳感器的一種。由光（本設(shè)計(jì)中選用紅外線）發(fā)射元件發(fā)射出的紅外光以全反射角度在擋風(fēng)玻璃的外表面反射，其角度必須在42（玻璃-水）和63（玻璃-空氣）之間。如果在擋風(fēng)玻璃上有雨，雨量越大，反射回來的光越多。從發(fā)射元件發(fā)出的光反射到接收裝置的擋風(fēng)玻璃區(qū)域被稱之為傳感器的“敏感區(qū)域”，僅當(dāng)雨水滴到這個(gè)區(qū)域時(shí)，才可以被探測出來。為使系統(tǒng)靈敏可靠，擋風(fēng)玻璃區(qū)域和靈敏區(qū)域之間必須要有一個(gè)較好的比例。雨滴傳感器的原理圖如圖2-5所示： 圖2-5 雨滴傳感器原理圖 2.5 顯示元件選擇 顯示器現(xiàn)在最常用的有LED和LCD兩種顯示屏，LED顯示屏顯示清晰度高，分辨率高，但是價(jià)格相對較高：LCD顯示屏雖然顯示清晰度沒有LED高，但是LCD顯示屏價(jià)格相對便宜。主要考慮到LCD1602的價(jià)格便宜，使用方便，我們在學(xué)習(xí)中接觸的也比較多。所以顯示器模塊選擇LCD1602液晶顯示屏。 2.5.1液晶顯示簡介 ①液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。②液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。③液晶顯示器各種圖形的顯示原理:線段的顯示 點(diǎn)陣圖形式液晶由MN個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H——00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。 字符的顯示 用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由68或88點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。 漢字的顯示 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對齊，送第三個(gè)字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個(gè)完整漢字。 1602字符型LCD簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖2-6所示： 圖2-6 液晶顯示器實(shí)物 2.5. LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖2-7所示： 圖2-7 LCD1602尺寸圖 1602LCD主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162個(gè)字符 芯片工作電壓:4.5—5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 引腳功能說明 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表2-2所示: 表2-2 1602引腳功能說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 2.6刮水電機(jī) 2.6.1刮水電機(jī)型號的編制方法 根據(jù)《GB4831-1984電機(jī)產(chǎn)品型號編制方法》中規(guī)定，電機(jī)產(chǎn)品型號由產(chǎn)品代號、規(guī)格代號、特殊環(huán)境代號和補(bǔ)充代號等四部分按以上順序組成。 電機(jī)產(chǎn)品代號見表2-3。 規(guī)格代號見表2-4所示。 表2-3 電機(jī)產(chǎn)品代號 序號 電機(jī)類型 代號 1 異步電動機(jī)（籠型及繞線轉(zhuǎn)子型） Y 2 同步電動機(jī) T 3 同步發(fā)電機(jī)（除汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)外） TF 4 直流電動機(jī) Z ZD 5 直流發(fā)電機(jī) ZF 6 汽輪發(fā)電機(jī) QF 7 水輪發(fā)電機(jī) SF 8 測功機(jī) C 9 交流換向器電動機(jī) H 10 潛水電泵 Q 11 紡織用電機(jī) F 表2-4 主要系列產(chǎn)品的規(guī)格代號 序號 系列產(chǎn)品 規(guī) 格 代 號 1 小型異步電動機(jī) 中心高（mm）-機(jī)座長度（字母代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù) 2 大型異步電動機(jī) 中心高（mm）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù) 3 小型同步電機(jī) 中心高（mm）-機(jī)座長度（字母代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù) 4 中大型同步電機(jī) 中心高（mm）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù) 5 小型直流電機(jī) 中心高（mm）-機(jī)座長度（字母代號） 6 中型直流電機(jī) 中心高（mm）或機(jī)座號（數(shù)字代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-電流等級（數(shù)字代號） 7 大型直流電機(jī) 電樞鐵芯外徑（mm）-鐵心長度（mm） 8 汽輪發(fā)電機(jī) 功率（MW）-極數(shù) 9 中小型水輪發(fā)電機(jī) 功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm） 10 大型水輪發(fā)電機(jī) 功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm） 11 測功機(jī) 功率（kw）-轉(zhuǎn)速（僅對直流測功機(jī)） 2.6.2減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刮水電機(jī)的主要輸出形式有兩種：旋轉(zhuǎn)輸出與擺動輸出。減速主要是一級或多級圓柱齒輪減速，蝸桿螺旋齒輪減速。 （1）圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出的特點(diǎn) 這種電機(jī)傳動效率高，二級減速為80%以上，但噪音較難控制，它的大小取決于齒輪的加工精度及裝配體的尺寸精度，一般用于20W以下的電機(jī)減速，以增大力矩，如圖2-8所示。 圖2-6 二級圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出結(jié)構(gòu) （2）蝸桿螺旋齒輪擺動輸出的特點(diǎn) 這種電機(jī)減速傳動的特性與上述相同，但它還將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動改變?yōu)閿[動運(yùn)動的一套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)同時(shí)置于減速箱內(nèi)，使刮水電機(jī)輸出形式直接為擺動，在20W以內(nèi)的刮水電機(jī)中，這種型式較常見，其特點(diǎn)是在車身前圍安裝方便，適應(yīng)性很強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊。 （3）蝸桿螺旋齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出的特點(diǎn) 這種減速有時(shí)會被稱之為蝸輪蝸桿減速，但實(shí)際上刮水電機(jī)減速器是一個(gè)斜齒輪與蝸桿吻合，所以嚴(yán)格講應(yīng)該稱為螺旋齒輪減速。這類齒輪減速方式的優(yōu)點(diǎn)是加工成本低、噪音小、沖擊小、結(jié)構(gòu)緊湊、但傳動效率低，約為50%。一般在15W以上的刮水電機(jī)中大多用此方式達(dá)到減速增大力矩。 6.2.3刮水電機(jī)的控制電路分析 （1）電動刮水器的復(fù)位 如圖2-7刮水器自動復(fù)位裝置示意圖。 在減速渦輪上，嵌有銅環(huán)，其中較大的一片與電機(jī)外殼相連接而搭鐵，觸點(diǎn)臂3、5用磷銅片制成（有彈性），其一端鉚有觸點(diǎn)，與蝸輪端面或銅片接觸。 當(dāng)電源開關(guān)接通，把刮水器開關(guān)拉到：“I”擋（低速擋）時(shí)，電路為電池正極→開關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B1→接線柱②→接觸片→接線柱③→搭鐵，此時(shí)電動機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)刮水器開關(guān)拉到“Ⅱ”檔時(shí)，電路為蓄電池正極→開關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B2→接線柱④→接觸片→接線柱③→搭鐵，電動機(jī)以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)刮水器開關(guān)推到0擋（停止位置）是，如果刮水器刮水片沒有回到原始位置（停放位置），由于觸點(diǎn)與銅環(huán)9接觸，則電流繼續(xù)流入電樞，其電路為蓄電池正極→開關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B1→接線柱②→接觸片→接線柱①觸點(diǎn)臂5→銅環(huán)9→搭鐵，形成回路，如圖2-7b所示，電動機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)直至蝸輪旋轉(zhuǎn)到圖2-7（a）所示的特定位置，電路中斷。由于電樞的慣性，電機(jī)不可能立即停止轉(zhuǎn)動，電動機(jī)以發(fā)動機(jī)方式運(yùn)行，此時(shí)電樞繞組通過觸點(diǎn)臂3、5與銅環(huán)7接通而短路，電樞繞組產(chǎn)生很大的反電動勢，產(chǎn)生制動力矩，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，使刮水片復(fù)位到風(fēng)窗玻璃的下部[7]。 （2）電刷調(diào)速 圖2-7 雙速刮水電動機(jī)的變速原理 (a)結(jié)構(gòu)原理 （b）電路原理 刮水電動機(jī)通常采用改變兩電刷間串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)速，如圖2-5所示。電刷B3為高低速公用電刷，B1用于低速，B2用于高速，B1與B2相差。電樞采用對稱疊繞式。 永磁式三刷電動機(jī)，是利用三個(gè)電刷來改變正負(fù)電刷之間串聯(lián)的線圈數(shù)來實(shí)現(xiàn)變速的。當(dāng)直流電動機(jī)工作時(shí)，在電樞內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生反電動勢，其方向與電樞電流的方向相反。如果使電樞旋轉(zhuǎn)，外加電壓必須克服反電動的作用，即U＞e，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)速上升時(shí)，反電動勢也相應(yīng)上升，只有當(dāng)外加電壓U幾乎等于反電動勢e時(shí)，電樞的轉(zhuǎn)速才趨于穩(wěn)定。 3.智能雨刮器的硬件組成及其芯片介紹 該雨刮器的雨滴傳感器部分主要由發(fā)射模塊和接收模塊兩大模塊組成。而電機(jī)部分的主要芯片是四總線緩沖門74LS125。 3.1 STC89C52的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 （1）時(shí)鐘電路： STC89C52與內(nèi)部振蕩器包括一個(gè)反相放大器的一個(gè)單芯片，XTAL1和XTAL2是振蕩器電路和輸出端的輸入端，內(nèi)部或外部時(shí)鐘可以在XTAL1和XTAL2引腳的外部晶體振蕩器y為生成的，內(nèi)部振蕩電路將產(chǎn)生自振蕩。定時(shí)元件用石英晶體和電容器的并聯(lián)諧振電路系統(tǒng)。晶體頻率選擇12MHZ，電容值C1，C2取的30pF的電容器從頻率調(diào)諧的作用大小。 (2)復(fù)位電路： 單片機(jī)有多種復(fù)位電路，本設(shè)計(jì)采用自動復(fù)位（上電復(fù)位）與手動復(fù)位方式。當(dāng)上電時(shí)，C3充電，電源經(jīng)過電容器C3加到RESET引腳，使單片機(jī)復(fù)位；在正常工作狀態(tài)下，按下復(fù)位鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。時(shí)鐘復(fù)位電路如圖3-1。 圖3-1 時(shí)鐘復(fù)位電路 3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與被測量對象的精度有關(guān)。一般情況下，電路設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是大于最小信號的分辨率更高的是所測量的對象。如果你想測量電源電壓的電平，電壓輸出范圍為0-10V，如要求精確到0.1V，即分辨率為0.1/10=0.01=1％。選擇實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，A/D轉(zhuǎn)換器有1/256=0.4％的分辨率。并行接口A/D芯片仍然是最流行的是ADC0832，ADC0832，AD574，等等。該系統(tǒng)采用實(shí)現(xiàn)ADC0832模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。ADC0832主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1)高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出； （2）分辨率：8位(0-255)； (3)存取時(shí)間：135ms； (4)轉(zhuǎn)換時(shí)間：100ms； (5)總誤差：-1-+1LSB； (6)工作溫度：ADC0832C為0度-70度；ADC0832L為-40-85； (7)模擬輸入電壓范圍：0V-5V； (8)參考電壓：2.5V； (9)工作電壓：5V； (10)輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)。 3.2.1 ADC0832芯片介紹 圖3-2 ADC0832規(guī)格及引腳圖 本設(shè)計(jì)采用A/D芯片ADC0832，8位CMOS單信道是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其規(guī)格和引腳圖如圖3-2所示，大致如下各引腳的功能： CS：芯片的片選信號，低電平有效，即，CS=0時(shí)，芯片正常工作時(shí)，多個(gè)外部ADC0832芯片，該信號可以被用來作為選擇地址通過不同的地址ADC0832芯片，以使不同的信號，這可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用的多個(gè)ADC通道。 WR：當(dāng)您啟動ADC0832采樣進(jìn)行的，該信號為低電平有效，即WR從高電平變成低電平，觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的信號。 RD：低電平有效，也就是說，RD=0，則可以通過數(shù)據(jù)端口DB0?DB7讀出該樣品的結(jié)果。 UIN（+）和名單（-）：模擬電壓輸入，模擬電壓輸入連接器UIN（+）端子， UIN（-）接地。當(dāng)雙側(cè)輸入U(xiǎn)IN（+），UIN（-）連接到正的模擬電壓信號分別端子和負(fù)極端子。當(dāng)模擬輸入電壓信號的“零電壓漂移”的存在時(shí)，在UIN（-）連接到一個(gè)等效的零點(diǎn)偏移電壓，該電壓被自動從UIN（+）的轉(zhuǎn)化時(shí)減去。 VREF/2：進(jìn)入?yún)⒖茧妷阂_，該引腳可外接電壓也可以是空置的，如果外部電壓，ADC參考電壓的外部電壓的兩倍，如果沒有外部的，它是一種常見的電源電壓Vref和Vcc時(shí)，在這一點(diǎn)上是電源電壓Vcc的ADC的參考電壓的值。 CLKR和CLKIN：外部RC電路產(chǎn)生所需的時(shí)鐘信號，ADC時(shí)鐘頻率CLK= 1/1.1RC，為100kHz至1.28MHz的頻率范圍一般要求。AGND和DGND：分別連接到模擬地和數(shù)字地。 INT：中斷請求信號輸出引腳，該引腳為低電平，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換完成后， INT=0，實(shí)際應(yīng)用中，該引腳應(yīng)是一個(gè)外部中斷輸入引腳連接到微處理器（MCU是51 INT0，INT1腳），當(dāng)INT信號是積極的，你需要等待RD=0為了讀取正確的結(jié)果A/D轉(zhuǎn)換，ADC0832如果單獨(dú)使用，也可以是INT引腳懸空DB0?DB7：8位二進(jìn)制結(jié)果輸出A/D轉(zhuǎn)換。 3.2.2 ADC0832芯片電路 圖3-3 ADC0832芯片電路 3.2 液晶顯示電路 3.2.1 1602液晶簡介 液晶顯示器是一種顯示器件，具有小體積、輕重量、低功耗等特色。由于其功耗低、顯示的信息量大（例如，文本，圖形，曲線等）、無電磁輻射、使用壽命長，它已被廣泛應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品。 本系統(tǒng)顯示采用了工業(yè)字符型液晶模塊1602，可顯示2行16個(gè)字符，能方便顯示英文字母大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)字、常用符號等。通過自定義還可顯示簡單的漢字。 本系統(tǒng)采用的1602是一款物美價(jià)廉的液晶顯示屏，可以顯示2行標(biāo)準(zhǔn)字符，每行共有16個(gè)字符。在通信系統(tǒng)，智能操作儀表和辦公設(shè)備的自動化中被廣泛的應(yīng)用，主要功能是顯示ASCII字符，因此被稱為“字符型顯示裝置”。當(dāng)在內(nèi)部沒有適合的漢字庫的液晶類型顯示器想要表達(dá)漢字的時(shí)候，第一步就是要獲得想要的漢文或者圖形的子模數(shù)據(jù)。子模塊的軟件不能直接提取的子模塊的數(shù)據(jù)58點(diǎn)陣，可以從手工提取漢字的字體以模具。第二步，把取得的漢字子模數(shù)據(jù)保存在液晶存儲器里面。 1602液晶分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別。 3.2.2 液晶引腳說明 第1腳：接地電源VSS。 第2腳：5V正電源為VDD。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整的端口，對比度的強(qiáng)弱由接電源的不同決定，對比度的調(diào)整可以通過一個(gè)10k的電位器。 第4腳：RS是寄存器選擇，高水平的數(shù)據(jù)寄存器，低選擇指令寄存器。 第5腳：R / W的讀和寫信號線，高水平低的讀操作，寫操作。其中RS與R/W的關(guān)系決定了當(dāng)時(shí)狀態(tài)，例如兩端共同為0時(shí)能夠?qū)懭朊罨蛘唢@示其地址，當(dāng)兩端同為1時(shí)可以讀忙碌信號，當(dāng)RS為1，R/W為0時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)錄入。 第6腳：使能端E，當(dāng)E端由1至0時(shí)，液晶模塊中的命令開始被運(yùn)行。 第7至14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負(fù)極。 3.2.3 液晶顯示模塊電路 液晶模塊的電路的連接圖如圖3-5所示，第1腳和第2腳分別接到了電路的GND和VCC，這2個(gè)腳是液晶工作的電源輸入腳。第3腳通過一個(gè)10K的電位器連接到地端，可通過調(diào)節(jié)該電位器來調(diào)節(jié)液晶的對比度。第4腳是液晶的寄存器控制腳，接到了單片機(jī)的P27腳上。第5腳是液晶的讀寫控制腳，接到了單片機(jī)的P26腳上。第6腳是液晶的使能腳，接到了單片機(jī)的P25腳上。第7腳到第14腳是液晶的數(shù)據(jù)/地址8位總線，接到了單片機(jī)的P0口上。最后第15腳和第16腳是液晶的背光電源腳，直接連接系統(tǒng)VCC和GND。如圖3-4所示。 圖3-4 顯示電路 3.3 雨滴傳感器電路設(shè)計(jì) 雨滴傳感器部分，由555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器對紅外發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)動，再由接收管接收，這樣就構(gòu)成一個(gè)光電傳感器。把光電傳感器的信號經(jīng)帶通濾波器把信號頻率限制在38KHz左右，再經(jīng)分頻器進(jìn)行128分頻，使脈沖信號變?yōu)楹撩霐?shù)量級。如此構(gòu)成的硬件圖如圖3-5所示： 圖3-5雨滴傳感器部分硬件圖 3.4電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì) stc12c5a60s2單片機(jī)的P0口的P0.0、P0.1及P0.3、P0.4分別經(jīng)四總線緩沖門74LS125和反向驅(qū)動器74LS04控制4個(gè)光電隔離器和4個(gè)大功率場效應(yīng)開關(guān)管IRF640。 下面舉例說明此電路對電機(jī)A的控制過程:當(dāng)單片機(jī)經(jīng)P0接口輸出12H控制模型時(shí)，由于鎖存器74LS125中的三態(tài)門1是打開的，所以光電隔離器LEI導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場效應(yīng)開關(guān)管IRF640（v1）導(dǎo)通。同理，74LS125中的三態(tài)門4輸出為高電平，因此光電隔離器LEI發(fā)光并導(dǎo)通，因而使v4導(dǎo)通。同理可分析，此時(shí)v2和v3是關(guān)斷的。因此電流從左至右流過直流電機(jī)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)P0接口輸出09H時(shí)，則鎖存器74LS125中的2，3號三態(tài)門打開，使得v2和v3接通，v1和v4關(guān)斷，電流由右向左流過電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。SA0為電機(jī)左到位開關(guān)，當(dāng)SA0置一，則輸出正向代碼；SA1為電機(jī)右到位開關(guān)，當(dāng)SA1置一，則輸出反向代碼[7]。電機(jī)復(fù)位端為兩電機(jī)各自的左到位開關(guān)。電機(jī)部分硬件圖如圖3-6所示： 圖3-7 電機(jī)部分硬件圖 3.5發(fā)射模塊 發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的光輻射通量，本設(shè)計(jì)中光源定為紅外線，所以發(fā)射模塊由八個(gè)紅外發(fā)射器、一個(gè)555定時(shí)器和電阻電容元件組成。八個(gè)紅外發(fā)射管采用4個(gè)為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動。 3.5.1發(fā)射管 發(fā)射管采用西門子公司出產(chǎn)的SFH421作為光源。峰值波長λ為880 nm，帶寬<80 nm。它具有高線性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。采用4個(gè)一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動，發(fā)出頻率為38 kHz的紅外光。工作在38 kHz的頻率下，采用這種方式可以減少發(fā)射電路的功耗。 3.5.2由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 發(fā)射器的核心是振蕩器,多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖或方波?？捎杉呻娐贩聪嗥?、與非門、無穩(wěn)態(tài)電路, 555定時(shí)器等組成. 其中555定時(shí)器組成的振蕩發(fā)射系統(tǒng)容易起振,本身的輸出功率較大,常用其組成發(fā)射系統(tǒng),其芯片圖如圖3.1所示，原理圖如圖3.2所示： C、C的比較電壓分別為V和V。接通電源后，電容C被充電，v上升，當(dāng)v上升到v時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電BJT T導(dǎo)通，此時(shí)v為低電平，電容C通過R和T放電，使v下降。當(dāng)v降到v時(shí)，觸發(fā)器又被置位，v翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為： 式(3.1) 當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，T截止，v將通過R、R向電容器C充電，v由v上升到v所需的時(shí)間為： 式(3.2) 當(dāng)v上升到v時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為[2]： 式(3.3) 圖3-8 多謝振蕩器電路圖 本文設(shè)計(jì)的發(fā)射模塊就是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，通過式(3.1)、(3.2)、(3.3)計(jì)算出R、R和C的值，使555電路發(fā)出頻率為38 kHz的脈沖波，從而驅(qū)動紅外發(fā)射管工作在38 kHz的頻率下。 由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電壓和溫度變化的影響很小。所以電源電壓的變化,對發(fā)射頻率的影響可忽略.但對紅外光發(fā)射強(qiáng)度的影響不容忽略,須采取提高穩(wěn)定發(fā)射強(qiáng)度的措施,方法是采取恒流源技術(shù)或窄脈沖發(fā)射的措施,能使紅外輻射強(qiáng)度保持不變。本設(shè)計(jì)中采用的是恒流源技術(shù)。如圖3-9所示。 3.6接收模塊 接收模塊是由一個(gè)紅外接收管、帶通濾波器、分頻器及51單片機(jī)組成。 3.6.1紅外接收管 紅外接收管SFH320是西門子公司生產(chǎn)的，外形圖如圖3-3所示。它將接收到的紅外光脈沖信號變成電脈沖信號后送入帶通濾波器。SFH320是NPN型硅光電三極管。峰值波長λ為880 nm，具有高線性度、高可靠性等特點(diǎn)。 圖3-9 SFH320外形圖 3.6.2帶通濾波器 帶通濾波器的作用是只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。這種濾波器經(jīng)常用于抗干擾的設(shè)備中，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)的有效信號，而消除高頻段及低頻段的干擾和噪聲。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)起來，即可獲得帶通濾波電路。其原理示意圖如圖3.3所示。 在圖2-3中，低通濾波器的通帶截止頻率為f，即該低通濾波器只允許ff的信號通過。現(xiàn)將二者串聯(lián)起來，且f>f，則其通頻帶即是上述二者頻帶的覆蓋部分，即等于f-f，成為一個(gè)帶通濾波器根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器的典型電路見圖3-10。輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個(gè)電容C和電阻R組成高通電路，二者串聯(lián)起來接在集成運(yùn)放的同相輸入端。 4.軟件設(shè)計(jì) 4.1程序語言及開發(fā)環(huán)境 C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件、三維、二維圖形和動畫，具體應(yīng)用例如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。 4.2 智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì) 在汽車智能雨刮系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會對雨刮同步造成影響。這樣，我們就需要用人的經(jīng)驗(yàn)知識來調(diào)整PWM信號的占空比，使兩個(gè)雨刮同步擺動。因此，把模糊控制技術(shù)運(yùn)用到雨刮同步控制中，可以使系統(tǒng)有良好的控制效果。汽車智能雨刮器的主程序流程圖如圖4-1所示： 圖4-1 智能雨刮器主程序流程圖 4.3雨滴傳感器的流程圖設(shè)計(jì) 因?yàn)槊}沖的中心頻率為38KHZ，進(jìn)行128分頻后約為300HZ，周期即為3ms，所以選定定時(shí)時(shí)間為60ms，在此時(shí)間段內(nèi)最多可接收20個(gè)脈沖，由此在按脈沖的多少進(jìn)行大小雨的分配，由此形成的雨滴傳感器的流程圖如圖4-2所示。 圖4-3定時(shí)器的流程圖 4.4智能雨刮器電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì) 對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來說，當(dāng)勵(lì)磁恒定時(shí)，它是隨著電樞電壓的增減而增減的(當(dāng)然也可以利用改變勵(lì)磁的大小來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速)。所以，一旦調(diào)節(jié)或改變直流電動機(jī)的電樞電壓，即可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過改變單片機(jī)輸出PWM脈寬信號的占空比，來控制直流電動機(jī)的電樞電壓，從而改變雨刮電動機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。汽車雨刮器電機(jī)的軟件流程圖如圖4-4所示。 圖4-4 雨刮器電機(jī)部分流程圖 5.系統(tǒng)調(diào)試 5.1 元器件的選擇與測量 本次設(shè)計(jì)的元器件主要有：單片機(jī)、晶振、電阻、電容、按鍵、開關(guān)、電源座、三極管、雨滴傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、液晶等。這些元器件的引腳需要我們認(rèn)真查找資料，了解每個(gè)器件的特性再進(jìn)行焊接。這些元器件直接根據(jù)型號到電子元器件市場就很容易買到。其中焊接時(shí)要注意元件正負(fù)極性，電阻電容大小、芯片引腳順序等細(xì)節(jié)。一般電阻的大小可以通過色環(huán)讀取，或直接用萬用表進(jìn)行測量；電容和晶振等的大小會標(biāo)準(zhǔn)在元件本身；元件的正負(fù)可以遵循長正短負(fù)的原則，一些特殊元件可以通過查找資料獲知正負(fù)極。 5.2 元件的焊接與組裝 組裝電路通常采用焊接和在面包板上插接兩種方法，無論采用哪種方法均應(yīng)注意以下幾方面。 (1)所有元器件在組裝前應(yīng)盡可能全部測試一遍，以保證所用元器件均合格。 (2)所有集成電路的組裝方向要保持一致，以便于正確進(jìn)行焊接合理安排布線。 (3)分立元件時(shí)應(yīng)仔細(xì)辨明器件的正反向，標(biāo)志應(yīng)處于比較容易觀察的位置方便檢查和調(diào)試。對于有正負(fù)極性的元件，例如電解電容器、晶體二極管等，組裝時(shí)一定要特別注意極性，否則將會造成實(shí)驗(yàn)失敗。 (4)為了便于焊接查線以及后期的檢查電路，可根據(jù)電路中接線的不同作用選擇不同顏色的導(dǎo)線。一般習(xí)慣是正電源用紅色線、負(fù)電源用藍(lán)色線、地線用黑色線、信號線用黃色線等。當(dāng)然使用一種顏色也是可以的。 (5) 在實(shí)際焊接中連線需要盡量做到排版簡潔連線方便。連線不跨接集成電路芯片上，必須從其周圍通過。同時(shí)應(yīng)盡可能做到連線不相互穿插重疊、盡量不從電路中元器件上方通過。 (6)為使電路能夠正常工作與調(diào)測，所有地線必須連接在一起，形成一個(gè)公共參考點(diǎn)。正確的組裝方法和合理的布局，不僅可使電路整齊美觀、工作可靠，而且便于檢查、調(diào)試和排除故障。如果能在組裝前先擬訂出組裝草圖，則可獲得事半功倍之效果，使組裝既快又好。 5.3程序燒錄 在整體調(diào)試之前，首先將編譯、鏈接通過的前提下，把程序下載到單片機(jī)中，使用的軟件是STC_ISP船用下載器燒錄到單片機(jī)，如圖5-1。由于系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線傳輸接受數(shù)據(jù)。程序下載成功之后，通過USB供電通訊給單片機(jī)提供5V電源，DS18B20將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，同時(shí)將溫度通過LCD1602顯示。 圖5-1 程序燒錄圖 5.4 KEIL運(yùn)行 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在Keil C環(huán)境下開發(fā)的，使用的Keil C軟件支持C語言的編程及調(diào)試，運(yùn)用方便。Keil C程序運(yùn)行如圖5-2所示： 圖5-2 KEIL運(yùn)行圖 5.5 運(yùn)行結(jié)果 線路連接后之后，按下工作電源，使電路板處于工作狀態(tài)。就可以看到在LCD上顯示當(dāng)前采集到的溫度值和煙霧濃度值，并可以設(shè)置界限值，如圖5-3所示。 圖5-3 硬件顯示結(jié)果 6.總結(jié) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對世界經(jīng)濟(jì)的工業(yè)革命從資本進(jìn)入經(jīng)濟(jì)向知識型經(jīng)濟(jì)。在電子世界的領(lǐng)域，從收音機(jī)時(shí)代進(jìn)入現(xiàn)代智能電子系統(tǒng)的21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的時(shí)代，20世紀(jì)。現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基本核心是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡稱嵌入式系統(tǒng)），而單片機(jī)是最典型，最廣泛，最流行的嵌入式系統(tǒng)。 該雨滴傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃上駕駛室一側(cè)，通過改變雨量的大小，能使雨刮器自動工作在低速檔或高速檔。實(shí)驗(yàn)證明，該智能雨刮系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，輸出信號延時(shí)可忽略，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測。 本文在查閱了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用問題，對智能雨刮系統(tǒng)進(jìn)行了研究。目前的雨刮系統(tǒng)大多是機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)的，采用雨滴感應(yīng)式的智能雨刮系統(tǒng)只是在少數(shù)高級轎車上有應(yīng)用，因?yàn)槟壳笆褂玫墓怆娪甑蝹鞲衅鞔蠖际怯蓢鈴S商一統(tǒng)天下，因而，價(jià)格比較昂貴，很難普及。本文所研究的紅外雨滴傳感器及智能雨刮系統(tǒng)，由于成本低廉，性能穩(wěn)定，可靠性高，易于在大客車和低檔轎車上普及應(yīng)用，有廣泛的市場應(yīng)用前景。關(guān)于紅外雨滴傳感器及模糊控制器的設(shè)計(jì)，還有一些特殊情況未在本文所研究之