1、貴州大學本科畢業論文（設計）第II頁摘要IV.AbstractV.刖 言1.第一章 汽車自動雨刷控制系統總體設計和主要特點 21.1汽車自動雨刷控制系統的設計思路 21.2方案的選擇設計與原理方框圖 21.2.1控制方案比較 2.1.2.2原理方框圖5.1.3汽車自動雨刷控制系統的主要特點 5第二章 控制系統的硬件設計 6.2.1 電源電路的設計與分析 6.2.2中央控制器AT89C20518.2.2.1 AT89C2051的特點.8.2.2.2 AT89C2051的功能描述 82.2.3 AT89C2051的管角說明92.3電機控制電路分析與設計122.3.1 步進電機的基本原理及特點 1.

2、22.3.2步進電機驅動芯片162.3.3 步進電與驅動芯片連接電路設計 2 02.4復位電路的設計202.4.1 單片機復位電路基本原理及特點 2 02.4.1 單片機復位后的狀態的分析 212.5時鐘電路的設計與工作原理分析 232.5.1振蕩器特性 232.5.2時鐘電路的設計232.5.3單片機的基本時序單位242.6檢測電路的設計與分析 252.6.1雨水傳感器工作原理 252.6.2硬件設計與實現26第三章 汽車自動雨刷控制系統統軟件設計29貴州大學本科畢業論文（設計）第II頁貴州大學本科畢業論文（設計）第II頁3.1主程序設計 293.1.1主程序的初始化內容303.1.2代碼轉

3、換程序303.2中斷服務程序303.2.1中斷服務程序的設計 313.3檢測脈沖及電機運行程序的設計 32第四章汽車自動雨刷控制系統的安裝與調試334.1電路圖的繪制與 PCB板的制作 .334.1.1電路圖的繪制9 334.1.2 PCB板的制作334.2元件的識辯與檢測 354.3元件的安裝焊接與系統功能調試 364.3.1元件安裝的基本要求與原則 364.3.2元器件的焊接374.3.3系統調試與分析38總 結39參考文獻40致謝41.附 錄42附錄一 汽車自動雨刷控制系統設計程序清單 42附錄二 汽車自動雨刷控制系統設計電路原理圖 46附錄三 汽車自動雨刷控制系統設計電路PCB4 7貴

4、州大學本科畢業論文（設計）第III頁附錄四汽車自動雨刷控制系統設計元件圖 48貴州大學本科畢業論文（設計）第IV頁汽車自動雨刷控制系統的設計摘要本設計主要完成以傳感器作為檢測器并通過軟件的設計實現適時地對雨刷 電機的轉停、正轉及反轉，從而實現對汽車雨刷的自動控制。 這次設計是傳感器 技術和現代控制技術在在汽車制造業中的應用， 并且設計中運用步進電機代替傳 統的雨刷電機，通過傳感器檢測到的雨量大小的信號，把信號輸入單片機 AT89C2051中通過程序控制步進電機的啟動、電機轉動速度及正反轉時間。設 計中運用TA8435H作為步進電機的驅動芯片，其是脈寬調制式斬波驅動方式， 這樣能克服步進電機在低

5、頻工作時， 會有振動大、噪聲大的缺點。此設計能免去 駕駛員對雨刷的反復操作，提高了駕駛的安全性和舒適性，減少由于駕駛員對雨 刷操作帶來的交通事故，也大大提高了汽車雨刷運行的可靠度。關鍵詞：汽車自動雨刷控制系統，單片機，傳感器，步進電機貴州大學本科畢業論文（設計）第V頁Automatic wipers Con trol System Desig nAbstractThe sen sors desig ned main ly to the completi on as a detector and software desig n to achieve a timely manner on the

6、 wipers to stop the motor, and are to reverse in order to achieve the automatic con trol of the vehicle wipers. The desig n is moder n sen sor tech no logy and con trol tech no logy in the automobile manu facturi ng in dustry in the applicati on and use of the desig n of the stepper motor in stead o

7、f the traditi onal wipers motors, sen sors detected by the size of the rain fall sig nal, the sig nal in put in the SCM AT89C2051 Stepper motor con trolled by the start of motor rotati on speed and positive and time. Design TA8435H use as a stepping motor driver chip, it is the PWM chopper drive, so

8、 overcome stepper motor in the low-freque ncy work, there will be vibratio n, no ise major shortco min gs. This desig n can be removed from the driver of the wipers of repeatedoperations, improve driving safety and comfort, reduce the pilot operati on of the wipers the accide nt, greatly impro ving

9、the reliability of the car wipers running.Keyword : SCM, Sensors Stepper motor, Automatic wipers Control SystemDesig n貴州大學本科畢業論文（設計）第1頁、八前在汽車制造業飛速發展的今天，汽車中已經安裝了越來越多的自動控制系統增 加主動和被動安全性。據統計，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，所以，一種具有極高可靠性能的汽車自動雨刷控制系統顯的非常的 重要，汽車自動雨刷控制系統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和雨刷的可靠度。國

10、內外許多汽車廠商研制以雨水傳感器為基礎的 汽車自動雨刷控制系統，來代替傳統的機械結構的雨刮器， 但不是價格昂貴就是系 統不完善。現在開發的汽車雨刷控制系統中，將雨滴傳感器檢出的雨水強度實成時 測量值變電信號，根據電信號的大小，自動設定雨刮器工作的時間間隔， 控制雨刮 器動作。目前市場上的雨水傳感器大都是依據以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器與控制器相連接， 控制雨刷電機的工作。第一種和第二種是要把雨水傳感器安裝在汽車的外面，雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室上，第三種把雨水傳感器安裝在風擋玻璃駕駛室一側，通過雨滴滴

11、落在玻璃上引起反射光強的變化感 應傳感器。本次設計的汽車自動雨刷控制系統是基于 AT89C2051單片機、汽車雨量傳感 器和雨刷電機并通過軟硬件的設計綜合實現的。而且本系統中采用步進電機取代傳 統的雨刷電機（傳統雨刷電機為直流電機），目的是運用步進電機控制精度高等特 點，使系統更加的穩定可靠。本次設計也綜合應用之前學校所學的單片機、微機控制、電路設計、電機拖動等方面的知識，進一步了鞏固我們的本專業知識。考慮到 設計成本，設計運用的這些材料相對于其他同類產品價格非常底。此次設計中我們采用了單片機系統的微處理器 AT89C2051芯片、TA8435H步進電機驅動芯片等硬 件，而且它們具有集成化，智

12、能化，高精度，高性能，高可靠性和低價格等優點。 所以汽車自動雨刷控制系統是個值得推廣的一種方法，且具有很好的市場推廣價 值。貴州大學本科畢業論文（設計）第4頁第一章汽車自動雨刷控制系統總體設計和主要特點本章重點產闡述汽車自動雨刷控制系統的設計思路、控制方案的比較、設計電路的原理框圖以及本次設計系統的主要特點。1.1汽車自動雨刷控制系統的設計思路本次設計的設計思路是：運用汽車雨量傳感器對環境雨量大小的檢測，把信號輸單片機系統，通過程序控制步進電機根據相應的環境做出不同的轉動。比如當小雨時，雨刮器自動工作在小雨運行方案（雨刷電機轉動一個來回后停止10S后繼續 運行），當中大雨時，雨刮器自動工作在中

13、大雨運行方案（雨刷電機轉動一個來回 后停止5s后繼續運行），當大雨時，雨刮器自動工作在大雨運行方案（雨刷電機轉 動一個來回后繼續運行）。設計中單片機運用 AT89C2051，步進電機用TA8435H 進行驅動。1.2方案的選擇設計與原理方框圖本系統主要由電源電路、驅動電路、中央處理單元等組成。系統中所用的單片 機為AT89C2051單片機，其是一種性能優良的集成可編程的單片機，其功能的強 大，它把CPU、存儲器、及I/O集成到一個芯片上，只要外加少許電子零件便可以 構成一套簡易的控制系統。步進電機運用細分發進行控制，這樣可以使電機工作更 穩定，并通過編程實現對汽車雨刷的控制。 通過這些可以降低

14、設計出來的產品的硬 件成本和提高系統的穩定性。1.2.1控制方案比較設計中運用的單片機為 AT89C2051,它的指令集和引腳結構與INTEL公司的 MCS - 51系列單片機高度兼容，加上我們也學習過該類型的單片機，應用相對順 手。在傳統的雨刷電機中大多采用直流電機，但綜合考慮，采用了步進電機作為雨刷電極。設計中鍵盤、電機驅動芯片的也需要做出合理的選擇，下面對幾種主要器件進行比較(1) AT89C1051、AT89C2051 的比較選擇AT89C1051是一種帶1K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器（FLASH ROM）的 低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失

15、存儲器 制造技術制造，與工業標準的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能 8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的AT89C1051是一種高效微 控制器，為很多嵌入式控制系統應用提供了一種靈活性高且價廉的解決方案。AT89C1051有以下特點：1k 字節 EPROM、64 字節 RAM、15 根 I/O 線、2 個 16位定時/計數器、5個向量二級中斷結構、1個全雙向的串行口、并且內含精密模擬比較器和片內振蕩器，具有 4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作 頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外， AT89C105

16、1還支持二種軟件可選的電源節電方式。 空閑時，CPU停止，而讓RAM、 定時/計數器、串行口和中斷系統繼續工作。AT89C2051結構與可實現的功能跟AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器（FLASH ROM）升級到2K，還有內部RAM為128字節。由上可知，為了降低難度，增加系統的可靠性與穩定性，因為在貴陽的電子城 中AT89C2051容易購買，所以選用了 AT89C2051。（2）電機的選擇本設計中運用步進電機代替傳統的雨刷電極（傳統的雨刷電機為直流電機）其相比傳統雨刷具有控制靈活、精度高等優點。因為其是純粹的數字控制電動機，它 將電脈沖信號轉變為角位移，即給一個脈沖，

17、步進電機就轉一個角度，因此非常合 適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的 頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，電機則轉過一個步距角，同時步進電機只 有周期性的無累積誤差，精度高。在性能上相比步進電機很適合做雨刷電機，且在價格方面步進電機也很便宜， 市場供貨也很多。所以設計中采用步進電機，根據汽車雨刷條件，選用12V的四相六線制步進，其也可以作為兩相電機使用。其內部結構如圖1.3。貴州大學本科畢業論文(設計)第4頁n + o- B-圖1.3四相六線制步進原理圖(3) 電動機驅動芯片的選擇根據設計要求，本設計的核心部分就是對步進電動機進行控制。最常用的是脈寬調制式

18、斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動芯片都采用這種驅動方式調速 控制。TA8435H和L298都是比較常用，性能比較穩定可靠的集成有橋式電路的電 機專用芯片。TA8435是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片 ，TA8435 主要由1個解碼器，2個橋式驅動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限 制電路、1個斬波器等功能模塊組成。工作電壓范圍寬(10-40V)L298是ST公司生產的內部集成有兩個橋式電路的電機驅動專用芯片，它驅動的電壓可達到46V，單個橋直流電流可達到2A。具有兩個使能控制端口，分別控 制兩個電機的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。其外，L

19、298 的兩個橋式電路還可以并聯起來驅動一個直流電動機，直流電流可達到4A。其實對于本設計來說，上述兩塊芯片都可用。不過在市場上，TA8435H使用比較廣，而且控制起來也很方便，所以本設計選用TA8435H作為電機的驅動芯片。(4) 雨量傳感器選擇目前市場上的雨水傳感器大都是依據以下三種工作原理制成的：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器、利用光強變化的傳感器。第一種和第二種是要 把雨水傳感器安裝在汽車的外面， 雨滴直接滴在傳感器上，第三種把雨水傳感器安 裝在風擋玻璃駕駛室一側，通過雨滴滴落在玻璃上引起反射光強的變化感應傳感 器。相比較各類雨水傳感器的性能和價格， 設計中采用的是第三種方

20、案的雨量傳感 器，其是基于光強變化的原理，提出了一種新的紅外線雨水傳感器。 傳感器由紅外貴州大學本科畢業論文（設計）第7頁光發射電路和紅外光接收電路組成，實驗證明，這種雨水傳感器反應靈敏，實時性好，性能穩定。1.2.2原理方框圖該系統主要由控制單元、檢測部分、驅動部分和接口單元電路等組成，其結構框圖如圖1.4所示。圖1.4汽車自動雨刷控制系統結構框圖單片機步進電機驅動芯步進電機1.3汽車自動雨刷控制系統的主要特點基于單片機AT89C2051對步進電機控制制作型的汽車控制系統的主要特點 有：?本設計運用步進電機取代傳統的雨刷電機，從而使控制精度增加，響應 速度快，抗干擾能力強，外圍電路簡單易懂。

21、?運用單片機控制系統，程序固化了，使系統更加穩定。?雨水感應式自動雨刷控制系統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。?設計中運用元件價格便宜，適合推廣使用。?因為整個系統可集成在一個芯片上，因此體積小，功耗低。通過以上方案的分析，就可以知道單片機技術是現代電子設計的發展的重要部 分。采用單片機AT89C2051和步進電機的結合的汽車自動雨刷控制系統的設計方 案，無論是在性能，特點，還是原理圖上，或者是在電路設計上，材料選用上都具 有簡單，使用性強等優點第二章 控制系統的硬件設計根據設計要求，該系統的硬件設計按功能主要分為：電源模塊、檢測模塊、單 片機控制模塊、電機控制

22、模塊。其中，AT89C2051單片機是整個電路的核心。附圖1就是汽車自動雨刷控制系統總電路圖。在本章下面的幾個小節中，我們根據附圖1所示的硬件設計圖，對各個模塊的 主要的一些電路進行詳細的設計和分析。2.1電源電路的設計與分析穩壓電源的輸出電壓Uo（或電壓可調范圍Uomin UOmax）和最大輸出電流lomax 是它的特性指標，這兩個指標決定了該電源的適用范圍，同時也決定了穩壓器的特性指標以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電阻、紋波電壓、溫度系 數是穩壓電源的質量指標，它們決定了穩壓器的穩壓系數、輸出阻抗、溫度系數和 濾波電容的選擇。圖2.1穩壓電源原理圖因為系統是由單片機直接控制處

23、理， 其穩定的電壓是十分重要的，所以我們設 計了一個穩壓電源，如圖2.1所示，本設計中控制部分的邏輯元件需要 +5V的直流 電，而我們設計使用的步進電動機的額定電壓為12V。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩壓電源。 直流穩壓電源又分成線性直流穩壓電源和開關型直流穩壓電源，因為線性直流穩壓電源電路成熟， 穩定度高，文波小，干擾小而且。由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩壓電源結構十分簡單，只用了一個220V變12V的變壓器，一個整流橋，兩塊穩壓集成電路（7812和7805）和四個 電容。圖中C1是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于C1本身的電解比大

24、，對高頻交流成分的濾波效果比較差， 所以為了改善濾波電路的高頻抑制 特性，在C1傍邊并聯一個高頻濾波性能良好的小電容 C2。而直流穩壓電路輸出端 的電容C3和C4是用作改善穩壓電源電路的瞬態負載響應特性。三腳穩壓塊選擇：該裝置中的穩壓塊選用 LM7805和7812集成穩壓塊。其原理都一樣，下面介紹LM7805系列集成穩壓塊主要技術參數：輸入電壓：DC3V35V ;最大輸出電流：1.5A。LM7805系列穩壓塊封裝：1腳為輸入端，2腳為公 共端，3腳為輸出端。注意事項：引腳不能接錯，公共端不能懸空；為防止過熱 應安裝散熱片，其內部原理圖如圖 2.2所示，按圖我們來分析其原理：在本設計中 應輸出電

25、壓為 Vo=5V，則當Vo>5V時，T2的b極電壓上升，進而T2的c極電壓 下降，進而T1的b極電壓下降，進而T1的Vce極電壓上升，進而Vo趨于5V;反 之當Vov5V時亦然。ViVo氏尹1 IL2.2三端穩壓電源內部圖貴州大學本科畢業論文(設計)第8頁2.2中央控制器 AT89C2051AT89C2051是由ATMEL公司推出的一種小型單片機。95年出現在中國市場。 其主要特點為采用Flash存貯器技術，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS-51 完全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的電可擦寫特性，使得開發與試 驗比較容易。2.2.1 AT89C2051 的特點AT89C2

26、051具有以下幾個特點： AT89C2051與MCS-51系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容； 片內有2k字節在線可重復編程快擦寫程序存儲器； 全靜態工作，工作范圍：0Hz24MHz ; 有2個程序保密位，保密位1被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，保密位2被編程之后，程序不能被讀出； 128X 8位內部RAM ; 32位雙向輸入輸出線； 兩個十六位定時器/計數器； 兩個串行中斷，兩個外部中斷源； 內置一個模擬比較放大器； 間歇和掉電兩種工作方式。2.2.2 AT89C2051的功能描述T89C2051是美國愛特梅爾(ATMEL CORPORATION )半導體制造公司生產的

27、 一種高性能的單片機，它的指令集和引腳結構與INTEL公司的MCS 51系列單片 機高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作，廣泛的應用于各種計算機系統、 工業控制、電訊設備、宇航設備及消費類產品中。由于ATMEL是全球最大的FLASH 和EEPROM生產制造公司，加之以其 EEPROM技術與INTEL的80C31內核技術 交換，使ATMEL從此擁有80C31內核的使用權，從而該公司的 89C51系列單片 貴州大學本科畢業論文（設計）第14頁機具有極高的性能價格比。AT89C2051的性能結構上是一個功能強大的單片機， 它將AT89C51的P0 口、 P2 口、EA/Vcc、ALE/PROG、

28、 口線簡化后，形成的一種僅 20個引腳的單片機， 相當于INTEL8031的最小應用系統。這對于一些不太復雜的控制場合，僅用一片 AT89C2051就足夠了。由于將多功能的8位CPU和2KB閃速存儲器以及模擬電壓 比較器集成到單個芯片上，從而成為一種多功能的微處理器，這為許多嵌入式控制 提供了一種極佳的方案，使傳統的 51系列單片機的體積大、功耗大、可選模式少 等諸多困擾設計工程師們的致命弱點不復存在。AT89C2051的主要特點：2K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器（ FLASH EEPROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM ），可重復擦寫10000次，數 據保存時間10年，

29、工作電壓范圍：2.76V,工作頻率：024MHz ,15根可編程I/O 引線，2個16位定時器/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行口， 一個精密模擬比較器，兩級程序加密，輸出口可直接驅動LED顯示，低功耗的閑置和調電保護工作方式，以及片內振蕩器和時鐘電路。由于AT89C2051單片機功能強勁，且體積小（芯片只有20個引腳），所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統 中得到廣泛應用，如機電式或電子式電度表，智能煤氣表，測速儀等智能儀器。2.2.3 AT89C2051的管角說明AT89C2051單片機為20引腳芯片如圖2.3所示:RST J_2-1 20WCW ra.o -PL7(IXD)

30、R3.1 -PL6XI?L2 -PL5XDU AI89C3351PL40NIO)Ri2 -PL30NH)Ri3 -PL2(TWR3.4 -PLKA1ND0DR15 一GO _10 11P3.7圖2.3 AT89C2051引腳分布圖AT89C2051是一個有20個引腳的芯片，引腳如圖10.1所示，與8051內部結構進行對比可發現，AT89C2051減少了兩個對外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地 減少了對外引腳，因而芯片尺寸有所減少。AT89C2051芯片的20個引腳功能為：1. Vcc :電源電壓。2. GND :地。3. P1 口： P1 口是一 8位雙向I/O 口。口引腳P1.2P

31、1.7提供內部上拉電阻。 P1.0 和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內精密模擬比較器的同 相輸入（AIN0）和反相輸入（AIN1）。P1 口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直 接驅動LED顯示。當P1 口引腳寫入“ 1”時，其可用作輸入端。當引腳P1.2 P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的上拉電阻而流出電流（I）。P1 口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數據4. P3口： P3口的P3.曠P3.5 P3.7是帶有內部上拉電阻的七個雙向 I/O引腳。P3.6用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3 口緩沖器可吸收20mA電

32、流。當P3 口引腳寫入“ T時,它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的P3 口引腳將用上拉電阻而流出電流（Iil）。P3 口還用于實現AT89C2051的各種功能，如下表10-1所示。P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。5. RST：復位輸入。RST 一旦變成高電平所有的I/O引腳就復位到“ T。當振蕩器正在運行時，持續給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。6. XTAL1 :作為振蕩器反相放大器的輸入和內部時鐘發生器的輸入7. XTAL2 :作為振蕩器反相放大器的輸出。表2.1 P3 口的功能P3

33、 口引腳功能P3.0RXD（串行輸入端口）P3.1TXD（串行輸出端口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4TO（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）從上述引腳說明可看出,AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與I/O設備所需 的地址、數據、控制信號，因此利用 AT89C2051構成的單片機應用系統不能在AT89C2051之外擴展存儲器或I/O設備,也即AT89C2051本身即構成了最小單片 機系統。表2.2 AT89C2051的主要功能特性兼容MCS51指令系統2K可反復擦寫（1000次）FlashRom15個雙向I/O 口6個中斷源兩個16位可編

34、程定時計數器2.7-6.0V的寬工作電壓范圍時鐘頻率0-24MHZ128 X8bit 內部 RAM兩個外部中斷源兩個串行中斷可直接驅動LED兩級加密位低功耗睡眠功能內置一個模擬比較放大器可編程UARL通道軟件設置睡眠和喚醒功能2.3電機控制電路分析與設計本設計運用步進電取代了傳統的雨刷電機， 步進電機是將電脈沖信號轉變為角 位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取 決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而 無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進

35、電機來控制變的非常的簡 單。2.3.1步進電機的基本原理及特點步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。 當步進驅動器接收到一個 脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 （稱為 步距角”） 它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移 量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環控制。常見的步進電機分三種：永磁式（PM）,反應式（VR）和混合式（HB），永 磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小

36、，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步 進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優 點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。 這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號， 步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步 進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱 PM，和混合式步進電機（簡稱 HB） o 步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制

37、 的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅動電路根據控制信號工作， 控制信號由單片機產生。其基本原理 作用如下：（1）控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。 例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各 相通電順序為A-B-C D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C, D 相的通斷。（2）控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電 機就反轉。（3）控制步進電機的速度如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。 兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的

38、脈沖頻率，就可以 對步進電機進行調速。（4）步進電機的靜態指標及術語相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用 m表示。拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用B表示。9 =360度（轉 子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為 50齒電機為例。四拍運行時步 距角為9 =360度/ （50*4） =1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 9 =360度/

39、 （50*8） =0.9度（俗稱半步）。定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧 波以及機械誤差造成的）靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力 矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比， 與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小 氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。（5）、步進電機動態指標及術語：步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。 用百分比 表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在 5

40、%之內，八 拍運行時應在15%以內。失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度， 電機運轉必存在失調角，由失調 角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載起動頻率：電機在某種驅動 形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負 載的最高轉速頻率。運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線貴州大學本科畢業論文（設計）第15頁稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。 其它特性還有慣頻特性、

41、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決 于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大， 即電機的頻率特性越硬。圖2.4步進電機特性曲線其中，曲線3電流最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與 負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用 小電感大電流的電機。電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感 應子式步進電機的共振區一般在 180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左 右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積 越小，

42、則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的 噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。根據設計要求，本設計選用的步進電機為選用 32V的四相六線制步進，其也可 以作為兩相電機使用。步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果 使用細分方式，就能很好的解決這個問題，步進電機的細分控制，從本質上講是通 過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋 轉磁場，從而實現步進電機步距角的細分， 一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定 了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的 大小，步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原

43、理。貴州大學本科畢業論文(設計)第17頁2.3.2 步進電機驅動芯片實現細分方式有多種方法，最常用的是脈寬調制式斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動芯片都采用這種驅動方式，TA8435就是其中一種芯片而在這里，我們所接為感性負載步進電動機，因此不能直接由單片機進行直接驅動。選用 TA8435H芯片，TA8435H是東芝公司推出的一款單片步進電機專用驅動芯片。該芯片具有以下特點：(1) 工作電壓范圍寬(10-40V);(2) 輸出電流可達1.5A (平均)和2.5A (峰值)；(3) 具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇；(4) 采用脈寬調試式斬波驅動方式；(5) 具有正/反

44、轉控制功能；(6) 帶有復位和使能引腳；(7) 可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。AT8435H芯片的引腳圖如下圖2.5GND RETT EHJlBLe OSC cwccw CLIO CLIC1MlM2 FLEFINCCCM NVNVEPGENFE；KIOE A HFA PGA A VMA NC圖2.5TA8435H引腳圖TA8435H采用ZIP25封裝形式，圖2.5為其引腳排列圖。各引腳功能如下：腳1( S-GND):信號地;腳2 (RESET):復位端，低電平有效，當該端有效時，電路復位到起始狀態，此時在任何激勵方式下，輸出各相都置于它們的原點；腳3 (ENABLE ):使能端，低電平有效

45、；當該端為高電平時電路處于維持狀態，此時各相輸出被強制關閉；腳4 (OSC):該腳外接電容的典型值可決定芯片內部驅動級的斬波頻率(15KHZ80KHZ )，計算公式為：fosc = 1/5.15 febsc式中，cosc的單位為pF_fosc的單位為kHz。腳5 ( CW/CCW):正、反轉控制引腳；腳6、7 ( CK2、CK1):時鐘輸入端，可選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，最大時鐘輸入頻率為5KHZ ；腳& 9 ( M1、M2):選擇激勵方式，00表示步進電機工作在整步方式，10為半步方式，01為1/4細分方式，11為1/8細分方式；腳10 (REF IN) : VNF輸入控制，接高電

46、平時VNF為0.8V，接低電平時VNF 為 0.5V;腳11 (MO):輸出監視，用于監視輸出電流峰值位置；腳13 (VCC):邏輯電路供電引腳，一般為5V；腳15、24 (VMB、VMA ): B相和A相負載電源端；腳16、19 ( B、B) : B相輸出引腳；腳17、22 (PG-B、PG-A): B相和A相負載地；腳18、21 (NFB、NFA) : E相和A相電流檢測端，由該引腳外接電阻和REF-IN 引腳控制的輸出電流為：IO = VNF / RNF腳20、23 ( A、A) : A相輸出引腳貴州大學本科畢業論文（設計）第19頁AT8435H的工作原理：TA8435主要由1個解碼器，

47、2個橋式驅動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。如圖 2.6-參-ffCC*mrr酹旨LE、唯祿憶A rn石*地 rh時-h里電DECODERjI-NAHLFAMOLNABLtRESET圖2.6TA8435H原理圖在圖2.6中，第一個CK時鐘周期時，解碼器打開橋式驅動電路，電流從VMA 流經電機的線圈后經 RNFA后與地構成回路，由于線圈電感的作用，電流是逐漸 增大的，所以RNFB上的電壓也隨之上升。當 RNFB上的電壓大于比較器正端的 電壓時，比較器使橋式驅動電路關閉，電機線圈上的電流開始衰減，RNFB上的電壓也相應減小；當電壓值小于比較器正向電壓時，

48、 橋式驅動電路又重新導通，如此 循環，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖2.7中IA波形的第1段，另外由于斬波器頻率很咼，一般在幾十KHz其頻率大小與所選用電容有關，在OSC 作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認為輸出電流是直流。在第2個時鐘 周期開始時，輸出電流控制電路輸出電壓 Ua達到第2階段，比較器正向電壓也相 應為第2階段的電壓，因此，流經步進電機線圈的電流從第1階段也升至第二階段2, 電流波形如圖IA第2部分，第3時鐘周期，第4時鐘周期TA8435的工作原理 與第1、2是一樣的，只有又升高比較器正向電壓而已， 輸出電流波形如圖IA中第3、4部分。如此最終形成階梯電流，加

49、在線圈 B上的電流，如圖2.7中IB。在CK 一個時鐘周期內，流經線圈A和線圈B的電流共同作用下，步進電機運轉一個細分圖2.7TA8435細分工作原理圖貴州大學本科畢業論文（設計）第20頁2.3.3步進電與驅動芯片連接電路設計*5 Viht口VCCri.LPl 2! -1Pt 5GNDTT；M»cFUiWJ4?VCC VMbCKI VNlat譏崗 AMlM2REF 用 auTAH435HENABLfioscNFAPflNFBR2O ®o貴州大學本科畢業論文（設計）第#頁貴州大學本科畢業論文（設計）第23頁圖2.8TA8435與步進電機工作電路圖圖4是單片機與TA8435相連

50、控制步進電機的原理圖，引腳 M1和M2決定電 機的轉動方式：M1 = 0、M2 = 0,電機按整步方式運轉； M1 = 1、M2 = 0,電機按 半步方式運轉；M1 = 0、M2 = 1,電機按1/4細分方式運轉；M1 = 1、M2 = 1,電 機按1/8步細分方式運轉，CW/CWW控制電機轉動方向，CK1、CK2時鐘輸入的 最大頻率不能超過5KHz，控制時鐘的頻率，即可控制電機轉動速率。REFIN為高 電平時，NFA和NFB的輸出電壓為0.8V，REFIN為低電平時，NFA和NFB輸出 電壓為0.5V，這2個引腳控制步進電機輸入電流，電流大小與NF端外接電阻關系 式為：IO = Vref/R

51、nf。圖4中，設REFIN = 1，選用步進電機額定電流為 0.4A，R1, R2選用1.6歐姆、2W的大功率電阻，O、C兩線不接。步進電機按二相雙極性使 用，四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩，D1-D4快恢復二極管用來泄放繞組電流。2.4復位電路的設計2.4.1單片機復位電路基本原理及特點在51系列單片機中，在振蕩器運行時，RST引腳上保持到少兩個機器周期的高電平輸入信號，復位過程即可完成。為響應這一不定期程，CPU發出內部復位信號。內部復位操作是在發現 RST為高電平后的第二個周期進行的，并且此后每 個周期都重復進行復位操作，直到 RST變成低電平為止。針對復位電路對時間的 需要

52、，我們對上電復位電路進行精心設計。一般來講，Vcc電源的上升時間不超過1ms,片內振蕩器啟動時間在10ms之內。在這種情況下，把 RST引腳通10uF電 容接到Vcc并同時經過10K電阻和地相連，就可獲得上電自動復位的結果。其具 體的復位電路如圖2.9所示：圖2.9復位電路圖接通電源后，Vcc便對電容通過電阻進行充電。RST腳的電壓等于Vcc與電容 兩端電壓之差。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于Vcc，RST引腳上之電壓最終將接近于0。此過渡過程之長短取決于電阻和電容值的大小。10uF電容足可使RST腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個機器周期以上的時間保持高于施密特觸 發器的低門檻電平，從而使

53、整個復位過程得以完成。2.4.1單片機復位后的狀態的分析單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器PC =0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執行。單片機冷啟動后，片內 RAM為 隨機值，運行中的復位操作不改變片內 RAM區中的內容，21個特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值，見下表 2.3。值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復位 后的主要狀態，對于了解單片機的初態，減少應用程序中的初始化部分是十分必要 的。說明：表中符號*為隨機狀態；表2.3特殊功能寄存器與初始狀態表特殊功能寄存器初始狀態特殊功能寄存器初始狀態PSW00HTH000HP0 P3FFHSBUF不定I

54、P*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW= OOH,表明選寄存器0組為工作寄存器組；SP= 07H，表明堆棧指針指向片內RAM 07H字節單元，根據堆棧操作的先加 后壓法則，第一個被壓入的內容寫入到 08H單元中；PoP3= FFH，表明已向各端口線寫入1,此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出;IP = *00000B，表明各個中斷源處于低優先級;IE = 0*00000B，表明各個中斷均被關斷；A = 00H,表明累加器已被清零；51單片機的復位是由

55、RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直 到RESET引腳轉成低電平后，才檢查 EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則 執行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。51單片機在系統復位時，將其內部的一些重要寄存器設置為特定的值，（在特殊寄存器介紹時再做詳細說明）至于內部 RAM內部的數據則不變。2.5時鐘電路的設計與工作原理分析2.5.1振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為 片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.5.2時鐘電路的設計8031/8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部 振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構成了 內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振