題t目：基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 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。 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(dòng)。 發(fā)射管 發(fā)射管采用西門子公司出產(chǎn)的 SFH421作為光源，實(shí)物圖如圖 210所示。峰值波長(zhǎng)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(dòng)，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。 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(wú)需外接觸發(fā)信號(hào)就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖或方波。可由集成電路反相器、與非門、無(wú)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 ，原理圖如圖 ： C1 、 C2 的比較電壓分別為 32 Vcc 和 31 Vcc 。 接通電源后，電容 C被充電 ， vc 上升 ， 當(dāng)vc 上升到 32 vc c 時(shí) ， 觸 發(fā)器被復(fù)位 ， 同時(shí)放電 BJT T導(dǎo)通 ， 此時(shí) v0 為低電平 ， 電容 C通過(guò) R2和 T放電 ， 使 vc 下降 。 當(dāng) vc 降到 31 vc c 時(shí) ， 觸發(fā)器又被置位 ， v0 翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器 C放電所需的時(shí)間為 ： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） CRCRt PL 22 )2ln( ?? 式 () 當(dāng) C放電結(jié)束時(shí) ， T截止 ， vc c 將通過(guò) R1 、 R2向電容器 C充電 ， vc 由31vc c 上升到32vc c所需的時(shí)間為 ： CRRCRRt PH )()( 2121 ???? 式 () 當(dāng) vc 上升到32vc c 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]： CRRttf PHPL )2( 21 ???? 式 () 圖 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(guò)式 ()、 ()、 ()計(jì)算出 R1 、 R2 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(dòng)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(duì)發(fā)射頻率的影響可忽略 .但對(duì)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 [3]。本設(shè)計(jì)中采用的是恒流源技術(shù)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 555定時(shí)器原理圖 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。 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 。它將接收到的紅外光脈沖信號(hào)變成電脈沖信號(hào)后送入帶通濾波器。 SFH320是 NPN型硅光電三極管。峰值波長(zhǎng)λ為 880 nm，具有高線性度、高可靠性等特點(diǎn)。 圖 SFH320外形圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 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(hào)通過(guò)，而將此頻帶以外的信號(hào)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(hào)，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(lái)，即可獲得帶通濾波電路。其 原理示意圖如圖 。 在圖 ，低通濾波器的通帶截止頻率為 f2 ，即該低通濾波器只允許 ff2 的信號(hào)通過(guò)；而高通濾波器的通帶截止頻率為 f1 ，即它只允許 ff1 的信號(hào)通過(guò)?，F(xiàn)將二者串聯(lián)起來(lái)，且 f2 f1 ，則其通頻帶即是上述二者頻帶的覆蓋部分，即等于 f2 f1 ，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(jiàn)圖 。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 R2 組成高通電路，二者串聯(lián)起來(lái)接在集成運(yùn)放的同相輸入端 [4]。 圖 帶通濾波器原理示意圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 帶通濾波器的典型電路 為了估算方便起見(jiàn)，設(shè) R2 =2R， R3 =R，此時(shí)可求得帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為： )(1)()3( 0000 ffffjqAffffjAAA upuouou ???????。 式 () RCf π2 10 ? 式 () uouououp QAAAA ??? 3 式 () 11 RRA fuo ?? 式 () uoAQ ?? 31 式 () 本設(shè)計(jì)中選取中心頻率為 38kHz，帶寬為 100Hz，所以 Q 為 380， 選取 C，再求 R 。C 的容量不易超過(guò) 。因大容量的電容器體積大，價(jià)格高，應(yīng)盡量避免使 用。根據(jù)式取 C= F? ， ???? MRK 11 ,根據(jù)式 ()可得： K H zRRCf 12 1 60 ????? ?ππ 計(jì)算出 R=? .再 根據(jù) Ｑ 值求 和 ： 因?yàn)?f= 0f 時(shí)則uoAQ ?? 31 =380，所以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） ?uoA 。 根據(jù)與 Auo 、 、 的關(guān)系，集成運(yùn)放兩輸入端外接 電阻的對(duì)稱條件，可得： 1+ 1 ?? uof ARR RRRRRR f 3//1 ???? 解得： R1 = ,Rf = 分頻器 CD4024 分頻器 CD4024是由 7級(jí)主從觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù) /分頻器。 引腳圖如圖 所示。 輸出端連接 Q Q Q Q Q Q Q7就可以對(duì)輸入端 1腳的信號(hào)進(jìn)行 1 3 6 128分頻。用 CD4024分頻器把由帶通濾波器輸出的脈沖信號(hào)分頻，滿足輸出脈沖信號(hào)是毫秒數(shù)量級(jí) [5]。 因?yàn)橹行念l率為 38KHz，所以本設(shè)計(jì)中選用 128分頻，使f變?yōu)?300Hz，則周期為 3ms。把雨滴傳感器單片機(jī)的定時(shí)時(shí)間選為 60ms，則最多可以測(cè)出 20個(gè)脈沖，用 60ms中脈沖的數(shù)量來(lái)確定雨量的多少：小于 3個(gè)脈沖視為無(wú)雨，沒(méi)有啟動(dòng)雨刮器的必要； 3~12個(gè)脈沖為小雨，雨刮器此時(shí)工作在慢速檔； 12~20個(gè)脈沖為大雨，雨刮器工作在高速檔；大于 20個(gè)脈沖無(wú)法檢測(cè)到，也視為無(wú)雨對(duì)待。 圖 CD2042的引腳圖 80C51 芯片資料 80C51 由一個(gè) 8 位通用中央處理器、程序存儲(chǔ)器、隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、常用外圍內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 電路等部分組成。其中 P0 口、 P2 口既可作為一般的 I/O 引腳使用；在擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口將作為低 8 位地址總線（ A7～ A0） /數(shù)據(jù)總線（ D7～ D0）使用， P2 口作為高 8位地址總線（ A15～ A8） 使用。 80C51 引腳圖如圖 所示 [6]： ALE：低八位地址鎖存信號(hào)，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用 ALE 信號(hào)下降沿鎖存從 P0口輸出的低 八位地址信息 A7～ A0. ～ ：內(nèi)部帶有弱上拉的雙向 I/O口，作為輸入引腳使用前，先向 P1 口鎖存器寫入 1，使 P1 口引腳被上拉為高電平。 、 ：除了作為一般 I/O 引腳使用外，還具有第二輸入 /輸出功能。 T2（ ）：定時(shí)器 T2的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器 T2 的時(shí)鐘輸出端。 T2EX()：定時(shí)器 T2 外部觸發(fā) 輸入端。 圖 80C51引腳圖 ～ ：內(nèi)部帶有弱上拉的雙向 I/O口，作為輸入引腳使用前，先向 P2 口鎖存器寫入 1，使 P2 口引腳被上拉為高電平。 在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí) ， P2 口輸出高八位地址 A15～ A8。 ～ ：內(nèi)部帶有弱上拉的雙向 I/O口，作為輸入引腳使用前，先向 P3 口鎖存器寫入 1，使 P3 口引腳被上拉為高電平。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） P3 口除了可作為一般 I/O 引腳使用外，還具有第二輸入 /輸出功能： RXD()：串行數(shù)據(jù)接收（輸入）端。 TXD()：串行數(shù)據(jù)發(fā)送（輸入）端 0INT ()：外中斷 0 輸入端。 1INT ()：外部中斷 1輸入端。 T0()：定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0的 外部輸入端。 T1()：定時(shí) /計(jì)時(shí)器 T1是的外部輸入端。 WR（ ）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 寫選通信號(hào)，低電平有效。 RD ()：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。 RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。 PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有外部存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳懸空。 ALE：第八位地址鎖存信號(hào)。訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用 ALE信號(hào)下降沿鎖存從 P0 口輸出的第八位地址信息 A7～ A0，以便隨后將 P0 作為數(shù)據(jù)總線使用。 ALE 只能在執(zhí)行 MOVX 指令時(shí)被激活。 EA /VPP：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。在復(fù)位期間 CPU 檢測(cè)并鎖存其引腳電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該引腳為高電平時(shí)，從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令，只有當(dāng)程序計(jì)數(shù)器 PC超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址編碼范圍時(shí)，才能到外部 ROM 中取指令；當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，一律從外部程序存儲(chǔ)器中取指令。 XTAL1：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸入端，接 CPU 內(nèi)部時(shí)鐘電路。 XTAL2：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸出端。 四總線 緩沖門 74ls125 本設(shè)計(jì)中用三態(tài)門 74ls125 做 三態(tài)輸出四總線同相緩沖器，它 和反相驅(qū)動(dòng)器 74ls06內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 控制 4 個(gè)光電隔離器和 4 個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管 IRF640。 74ls125 的引腳圖如圖 所示： 圖 74ls125引腳圖 三態(tài)輸出門（簡(jiǎn)稱三態(tài)門）的電路 結(jié)構(gòu)是在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制電路構(gòu)成的。三態(tài)門的功能表如表 所示 ： 表 三態(tài)門的功能表 輸 入 輸 出 EN A Y 0 0 0 0 1 1 1 0 高阻態(tài) 1 1 高阻態(tài) 從 表 中 可以看出，在三態(tài)使能端 EN的控制下，輸出端 Y 有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)，高阻態(tài)、關(guān)態(tài)（高電平）、開(kāi)態(tài)（低電平）。當(dāng) EN=“1”時(shí)，電路輸出 Y 呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，當(dāng) EN =“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn) Y=A 的邏輯功能，即 EN為低電平有效。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 智能雨刮器硬件設(shè)計(jì) 智能雨刮器的結(jié)構(gòu)框圖 智能雨刮器系統(tǒng)由單片機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、雨滴傳感器及雨刷等組成。智能雨刮器的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 雨 滴 傳感 器5 1 單 片機(jī)到 位 信 號(hào)雨 刷 電 機(jī)雨 刷 圖 雨滴傳感器的硬件設(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(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(hào)經(jīng)帶通濾波器把信號(hào)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(hào)變?yōu)楹撩霐?shù)量級(jí)。如此構(gòu)成的硬件圖如圖 ： 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì) 80c51 單片機(jī)的 P0口的 、 及 、 74LS125和反向驅(qū)動(dòng)器 74LS04 控制 4個(gè)光電隔離器和 4個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管 IRF640。 下面舉例說(shuō)明此電路對(duì) 電機(jī) A的控制過(guò)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(kāi)的，所以光電隔離器 LEI1 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(chǎng)效應(yīng) 開(kāi)關(guān) 管 IRF640（ v1）導(dǎo)通。同理， 74LS125 中內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 的 三態(tài)門 4輸出為 高電平， 因此光電隔離器