電子工藝與綜合設計課程設計-12V汽車車窗直流電機控制器的硬件設計

電子工藝與綜合設計課程報告課題名稱12V汽車車窗直流電機控制器的硬件設計系部電氣與信息工程學院專業(yè)電子信息工程（汽車電子）班級學號姓名指導教師2015年11月23日摘要 本課題的主要內(nèi)容是設計12V直流汽車雨刮電機控制器，本課題的主要內(nèi)容是設計12V直流汽車車窗電機控制器，通過對汽車車窗電機參數(shù)、控制方法的分析，了解直流電機的工作原理，兼具軟硬件結合，設計出對汽車車窗電機進行控制的設計方案。本文是對直流電機PWM調(diào)速器設計的研究，主要實現(xiàn)對電機的正轉、反轉、加速、減速、停止等操作。并實現(xiàn)電路的仿真。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅動模塊，實現(xiàn)對電動機轉速參數(shù)的顯示和測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形，H型驅動電路完成電機正反轉控制.在設計中，采用PWM調(diào)速方式。

一、汽車車窗電機工作原理分析1.1、汽車車窗電機參數(shù)額定工作電壓：12V。額定負載：3N.m空載電流：≤2.5A空載轉速：90±10rpm額定電流：≤8A額定轉速：65±15rpm堵轉電流：≤25A堵轉轉矩：≥8.0N.m噪音：≤55dB1.2、汽車車窗電機工作原理直流電機如圖3所示，絕大多數(shù)的電動機都須作連續(xù)的旋轉運動的電磁力形成一種方向不變的轉矩，才能構成電動機。N、S為—對固定的磁極(一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵)，兩磁極間裝著一個可以轉動的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向。若電樞轉動，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉矩的方向卻變?yōu)轫槙r針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉矩。這種交變的電磁轉矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續(xù)轉動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于，當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷A、B相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。電樞一經(jīng)轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結構，就可使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電動機的工作原理．圖3

二、汽車車窗電機控制器方案2.1、汽車車窗電機參數(shù)分析改變勵磁的恒功率調(diào)速：從直流電動機的機械特性的公式可看出，當磁通減小電動機的轉速也隨之提高。由直流電機的電壓平衡方程式：U=e+IR其中I為電機線圈電流，R為線圈電阻，e為電機的反電勢，e=C*Φ*ω,式中，C為電機結構常數(shù)，為一常量；Φ為線圈磁通；ω為電機轉動角速度。于是將e代入電壓平衡方程式中，可得：U=C*Φ*ω+IR經(jīng)過移項之后就可得出角速度和電壓的關系式：ω=（U-IR）/C*Φ從上式可以看出，改變外接電壓U,電機回路電阻R,磁通Φ，可改變電機轉速。2.2、汽車車窗電機控制方法分析PWM（PulseWidthModulation）——脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制，是一種最初用語無線電通信的信號調(diào)制技術，后來在控制領域中（比如電機調(diào)速）也得到了很好的應用，于是形成了獨特的PWM控制技術。PWM控制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何適合，滿幅值的直流供電要么完全有，要么完全無。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的，通的時候即是直流供電被加到負載上去，斷的時候即是供電被斷開。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在20世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。知道進入20世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)及其迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術。一般情況下，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號的脈寬有兩種方法，一種方法是采用模擬電路中的調(diào)制方法，另一種方法是使用脈沖計數(shù)法。對于一般電機控制，采用第一種方法在控制電壓變化時濾波的實現(xiàn)存在較大的困難，這主要是因為濾波頻率較低、濾波精度要求高和濾波電路的參數(shù)不易調(diào)整。因此，本設計采用由單片機控制實現(xiàn)的脈沖計數(shù)法。2.3、汽車車窗電機硬件方案采用PWM（Pulse

Width

Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V,5V}這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。設計方案主要包括四個模塊：單片機控制模塊，電機驅動模塊，占空比顯示模塊，運行方式設置模塊。電機驅動模塊單片機控制模塊運行方式模塊

電機驅動模塊單片機控制模塊運行方式模塊三、汽車車窗電機控制器硬件設計3.1

系統(tǒng)設計

3.1.1

AT89C51介紹

圖AT89C51AT89C51有40條引腳，與其他51系列單片機引腳是兼容的。這40條引腳可分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝(DIP)形式和方形封裝形式主電源引腳：

VCC：供電電壓（+5V）。

GND：接地。

I/O端口功能

P0口：

P0口有八條端口線，命名為P0.0～P0.7，其中P0.0為低位，P0.7為高位。每條線的結構組成如圖3-2所示。它由一個輸出鎖存器，兩個三態(tài)緩沖器，輸出驅動電路和輸出控制電路組成。P0口是一個三態(tài)雙向I/O口，它有兩種不同的功能，用于不同的工作環(huán)境。P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0

口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口有八條端口線，命名為P1.0～P1.7，每條線的結構組成如圖3-3所示。P1口是一個準雙向口，只作普通的I/O口使用，其功能與P0口的第一功能相同。作輸出口使用時，由于其內(nèi)部有上拉電阻，所以不需外接上拉電阻；作輸入口使用時，必須先向鎖存器寫入“1”，使場效應管T截止，然后才能讀取數(shù)據(jù)。P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口有八條端口線，命名為P2.0～P2.7，每條線的結構如圖3-4所示。P2口也是一個準雙向口，它有兩種使用功能：一種是當系統(tǒng)不擴展外部存儲器時，作普通I/O口使用，其功能和原理與P0口第一功能相同，只是作為輸出口時不需外接上拉電阻；另一種是當系統(tǒng)外擴存儲器時，P2口作系統(tǒng)擴展的地址總線口使用，輸出高8位的地址A7～A15，與P0口第二功能輸出的低8位地址相配合，共同訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器(64

KB)，但它只確定地址并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口有八條端口線，命名為P3.0～P3.7，每條線的結構如圖3-1所示。P3口是一個多用途的準雙向口。第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理與P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用，這時八條端口線所定義的功能各不相同。P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。3.1.2

系統(tǒng)時鐘的設計

時鐘電路是用來產(chǎn)生AT89C51單片機工作時所必須的時鐘信號，AT89C51本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，AT89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作

，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。AT89C51內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構成了一個自激勵振蕩器。電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ～12MHZ之間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。3.1.3

系統(tǒng)復位方式

當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。

3.2驅動電路設計

3.2.1

L298N芯片介紹L298N是SGS公司的產(chǎn)品，是由達林頓管組成的雙橋高電壓大電流集成PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成的橋電路，四個晶體管分為兩組,交替導通和截止,用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài),根據(jù)調(diào)整輸入脈沖的占空比,精確調(diào)整電動機轉速。這種電路由于管子工作只在飽合和截止狀態(tài)下,效率非常高。H型電路使實現(xiàn)轉速和方向的控制簡單化,且電子開關的速度很快,穩(wěn)定性也極強,是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術。內(nèi)部的每個H橋的下側橋臂晶體管發(fā)射極連在一起,其輸出腳(SENSEA和SENSEB)用來連接電阻檢測電流。VSS接邏輯控制的電源。VS為電動機驅動電源.IN1-IN4輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號,用來控制橋的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉,

ENA、ENB引腳則為使能控制端,用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。 采用L298N驅動器，接受單片機的輸入信號并放大，驅動電機運轉。

四、汽車車窗電機控制器軟件設計4.1主程序流程圖主程序主要完成的工作是設置堆棧，清除標志位，清除暫存，清顯示，對T0口進行初始化，對串口進行初始化后，調(diào)用其它功能子程序，完成設計的任務。4.2

鍵盤掃描流程圖采用獨立式鍵盤，本設計的鍵盤較為簡單，只設計了電機的正反轉，急停，加減速5個按鍵。4.3

中斷程序流程圖

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