雨刮控制器電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃躍娟 譚巖 劉鐵輝

【摘?要】雨刮控制器的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是經(jīng)過系統(tǒng)來控制汽車雨刮電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，就能夠控制汽車雨刮器不同的運(yùn)行方式，本次雨刮器的設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是控制技術(shù)在汽車產(chǎn)品制造領(lǐng)域當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用。本文基于單片機(jī)完成了對主電路、驅(qū)動(dòng)電路控制的軟、硬件設(shè)計(jì)，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效的抑制超調(diào)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】雨刮器;直流電機(jī);驅(qū)動(dòng)芯片;單片機(jī)

1、引言

科學(xué)家曾根據(jù)駕駛者對汽車內(nèi)產(chǎn)品屬性的個(gè)人喜好做出了研究，研究結(jié)果表明大部分駕駛員對汽車內(nèi)設(shè)備種類按照重視程度的順序包括自動(dòng)預(yù)縮安全帶、駕駛座安全氣囊、前座乘客安全氣囊、主動(dòng)式護(hù)頸頭枕、晶片防盜器、前霧燈、可調(diào)式間歇式雨刮、電動(dòng)收藏廣角后照鏡、車側(cè)轉(zhuǎn)向警示燈、倒車?yán)走_(dá)。足以說明人們對汽車安全性的重視遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于舒適性。其中，排在第七位的是可以調(diào)節(jié)的間歇式雨刮器，對于消費(fèi)者來說可以調(diào)節(jié)雨刮器頻率的重要性非常高，它可以根據(jù)駕駛員開車過程中遇到的不同狀況和擋風(fēng)玻璃上因?yàn)橛炅繉?dǎo)致的模糊程度，再以手動(dòng)方式啟動(dòng)相應(yīng)的雨刮器按鈕，能讓駕駛者看到清晰的路況，防止駕駛者分神。汽車雨刮控制器的設(shè)計(jì)是電氣自動(dòng)化這門學(xué)科中與生產(chǎn)單位聯(lián)系最為密切的大眾化應(yīng)用設(shè)計(jì)，在汽車制造業(yè)飛速發(fā)展的今天，汽車中已經(jīng)安裝了許許多多的控制系統(tǒng)目的是為了增強(qiáng)安全性。

2、方案設(shè)計(jì)

為了能夠更好的控制直流電機(jī)，讓雨刮電機(jī)的工作更加穩(wěn)定，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為有主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、檢測電路等一起組成的控制系統(tǒng)，然后通過編程實(shí)現(xiàn)對汽車雨刮器的控制，通過這些可以降低設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品的硬件成本和提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于單片機(jī)AT89C2051對直流電機(jī)控制制作型的汽車控制系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：

（1）運(yùn)用直流電機(jī)作為傳統(tǒng)的雨刮電機(jī)，以此來增加控制精度，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路簡單易懂。

（2）運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)，使程序固化，等夠讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

（3）雨刮控制系統(tǒng)可以減少駕駛者手動(dòng)操作的次數(shù)，直接根據(jù)自己的意愿控制雨刮器的工作頻率，很大程度上提高了駕駛者在雨天行車的安全。

（4）設(shè)計(jì)中使用的元器件價(jià)格便宜，適合推廣使用。

（5）將汽車雨刮控制系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片內(nèi)，使它的體積變得更小，功耗變得更低，對于現(xiàn)代的自動(dòng)化發(fā)展趨勢，單片機(jī)技術(shù)的使用變得越來越普遍，成為了控制系統(tǒng)中的重要組成部分，在單片機(jī)和直流電機(jī)的汽車雨刮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，選用的材料更簡便，實(shí)用性更強(qiáng)。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）控制模塊設(shè)計(jì)

控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最普遍的有兩種方法，分別是勵(lì)磁控制法和電樞電壓控制法，其中不常用的方法是勵(lì)磁控制法，通過控制磁通量的大小來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，它的控制幾率比較小，但是在低速時(shí)會(huì)收到磁飽和的限制，高速時(shí)會(huì)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差，電樞電壓控制法主要是通過改變電樞端電壓來進(jìn)行調(diào)速的，并且這種方法可以通過調(diào)節(jié)電阻來改變電壓，使得該方法在調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方面比較常用，由于這類調(diào)速方法的效率比較低，所以在本文準(zhǔn)備利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，這種技術(shù)的穩(wěn)定性好，更容易控制，而且精度特別高。

（2）驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A;內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作;有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

（3）電流檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在本文中是通過串聯(lián)的方法去完成對電源電流的檢測工作，在對磁電式電子儀表的大電流檢測過程中，一定要在外部加上相應(yīng)的分流電阻，如果量程的范圍不一致，那么分流電阻的選取肯定不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致測量精度出現(xiàn)偏差。在互逆電源的測量過程中，使用轉(zhuǎn)換開關(guān)來完成，不可以隨便的跟蹤測量，更不能去自動(dòng)識(shí)別，本文采用MAX271集成電路十分良好的I/V轉(zhuǎn)換性能，在此基礎(chǔ)上還是用了高端雙向電流靈敏放大器和內(nèi)置檢流電阻，這樣就可以更好的進(jìn)行檢測穩(wěn)壓電源電流的工作，完成設(shè)計(jì)中電流檢測的工作。

（4）時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的重要組成部分，在運(yùn)行過程中一直都是它在掌控著單片機(jī)的工作節(jié)奏，由于不同型號(hào)之前存在的區(qū)別很多，時(shí)鐘頻率同樣也會(huì)存在著很多的差別之處，不過這一般都是在單片機(jī)允許范圍內(nèi)的，它的典型值是12兆赫。單片機(jī)的內(nèi)部存在一個(gè)反相振蕩放大器，它的輸入端時(shí)XTAL1、它的輸出端是XTAL2，可以將反向放大器配置成為片內(nèi)振蕩器，本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為12兆赫，在有些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中51系列單片機(jī)也選擇可以使用外部時(shí)鐘，當(dāng)我們在使用外部時(shí)鐘的時(shí)候，外部時(shí)鐘必須從XTAL1輸入，而XTAL2應(yīng)該懸空，然而單片機(jī)系統(tǒng)對外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬沒有其他特殊的需求，并且脈沖之中的高低電平一定要保證能夠達(dá)到要求的寬度。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的系統(tǒng)中編程使用的是KELI-C51語言進(jìn)行工作的，設(shè)計(jì)的方法利用模塊化與各個(gè)子程序一起作為每個(gè)部分實(shí)現(xiàn)主要功能的入口，完成按鍵識(shí)別和功能控制的設(shè)計(jì)，通過按鍵控制雨刮電機(jī)的啟停，其主程序流程圖如圖所示。

系統(tǒng)通過實(shí)際做出的電路板檢測設(shè)計(jì)方案及原理，在軟件控制下的單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298上，從而能夠更好地控制雨刮電機(jī)的啟動(dòng)、停止，和間歇性的運(yùn)行。按鍵來測雨刮電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，準(zhǔn)確快速地將電機(jī)速度信號(hào)傳送到了單片機(jī)。運(yùn)用Protues軟件進(jìn)行仿真，監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案。

5、小結(jié)

在汽車雨刮控制器系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)過程中，一般都會(huì)采用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)有集成化、性能高。價(jià)格便宜等，使它更加的大眾化，不管是在設(shè)計(jì)還是在生活中都被普遍的應(yīng)用，在硬件的選擇之中選擇使用了AT89C2051單片機(jī);在軟件上，充分利用了AT89C2051的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了信息的快速處理和控制、顯示功能，能精確檢測。該系統(tǒng)的應(yīng)用有助于減減少駕駛員的重復(fù)操作，提高駕駛的舒適度。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈紅衛(wèi).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M].航空航天大學(xué)出版社，2013

[2]李廣第.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2011

（作者單位：哈爾濱華德學(xué)院?機(jī)器人工程學(xué)院）