基于單片機(jī)的汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置

任龍輝，仝秋紅，肖 嬋

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)汽車使用的要求也越來越高。為了保證雨雪天氣行車時(shí)駕駛員有良好的視線，在汽車風(fēng)窗上裝有刮水器。通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，刮水片在風(fēng)窗玻璃外表面上往復(fù)擺動(dòng)，以掃除風(fēng)窗玻璃上的雨水、積雪或灰塵［1］。

傳統(tǒng)的機(jī)械式雨刷驅(qū)動(dòng)裝置是由蝸桿、蝸輪、拉桿、擺桿等組成的傳動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)［2－3］，該裝置的啟動(dòng)裝置設(shè)在轉(zhuǎn)向盤的右下側(cè)，通過搬動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)，不僅占用一定的空間，而且啟動(dòng)時(shí)需要駕駛員的右手離開方向盤后再去操作手柄［4］。本文設(shè)計(jì)一款汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置，啟動(dòng)裝置的按鈕設(shè)置在方向盤上，方便快捷啟動(dòng)，省時(shí)省力，并且此機(jī)構(gòu)主要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，只要有一定的動(dòng)力源輸入(如電源等)就會(huì)立即動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置主要包括預(yù)警單元、信息處理單元和執(zhí)行單元。汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置的整體電路如圖1所示。

1.1 預(yù)警單元

預(yù)警單元是整個(gè)控制單元的主要組成部分，它為下一部分的信息處理單元接通動(dòng)力源［5］。主要組成部分是1個(gè)變速按鈕。變速按鈕分低速擋、中速擋和高速擋3個(gè)擋位，駕駛員通過觸摸轉(zhuǎn)向盤上的變速按鈕開關(guān)選擇不同擋位實(shí)現(xiàn)變速，控制雨刷的工作速度［6－8］。

1.2 信息處理單元

信息處理單元主要由MC9S12XS128－LQFP112單片機(jī)和CD4011芯片組成，如圖1所示，MC9S12XS128－LQFP112單片機(jī)通過引腳PB5(29)和PB7(31)與芯片CD4011相連，再與芯片IRF4905(2個(gè))、IRF3205(2個(gè))組成的P－N MOS管H橋相連。

MC9S12XS128－LQFP112單片機(jī)是S12XS系列下的一種芯片，其特點(diǎn)有:16位微處理器，112個(gè)引腳，片內(nèi)振蕩器、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路;30 MHz核心和總線速度128 KB閃存選項(xiàng)，帶有糾錯(cuò)碼(ECC)的4～8 KB的數(shù)據(jù)閃存;用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇可配置的8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到3 ms;支持控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、局域互聯(lián)網(wǎng)(LIN)和串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議;帶有16位計(jì)數(shù)器的8信道計(jì)時(shí)器［9－11］。

CD4011有4個(gè)與非門路，共14個(gè)引腳，其功用是放大從單片機(jī)輸出的電壓。連接電路時(shí)CD4011的14腳接7.2 V，7 腳接地。

圖1 整體電路圖

1.3 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由P－N MOS管H橋和普通變壓器組成，是整個(gè)控制單元的終了部分。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)由H橋電路后，將交變電壓(－12 V～+12 V)輸送到電機(jī)上，經(jīng)由電機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)雨刷桿實(shí)現(xiàn)雨刷的左右擺動(dòng)［12－13］。

P－N MOS管H橋電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，由2個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2與2個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)管Q3、Q4組成，故叫P－N MOS管H橋。橋臂上的4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于4個(gè)開關(guān)，P型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉;N型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為 0［14］。

如圖2a)所示，在連接好電路后，控制臂1置高電平(U=VCC)、控制臂2置低電平(U=0)時(shí)，Q1、Q4關(guān)閉，Q2、Q3導(dǎo)通，電機(jī)左端為低電平，右端為高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)，設(shè)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。

如圖2b)所示，控制臂1置低電平(U=0)、控制臂2置高電平(U=VCC)時(shí)，Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)閉，電機(jī)左端為高電平，右端為低電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)，設(shè)為電機(jī)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)控制臂1、2均為低電平時(shí)，Q1、Q2導(dǎo)通，Q3、Q4關(guān)閉，電機(jī)兩端均為高電平，電機(jī)不轉(zhuǎn);當(dāng)控制臂1、2均為高電平時(shí)，Q1、Q2關(guān)閉，Q3、Q4導(dǎo)通，電機(jī)兩端均為低電平，電機(jī)也不轉(zhuǎn)。

圖3為控制臂1、2和與非門CD4011組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出端。因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出電壓為0～5 V，所使用的H橋的控制臂需要0 V或7.2 V電壓才能使場(chǎng)效應(yīng)管完全導(dǎo)通。PWM輸入0 V或5 V電壓時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為0 V或7.2 V，前提是CD4011電源電壓為7.2 V。

圖2 H橋電路

H橋輸出電壓較小，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)雨刷工作，使用變壓器將H橋輸出電壓放大到12 V，使電機(jī)的工作電壓為－12 V～+12 V，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)［15］。

圖3 CD4011柵極驅(qū)動(dòng)電路

2 工作流程及實(shí)現(xiàn)過程

2.1 工作流程

基于單片機(jī)的汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置的工作流程如圖4所示。

駕駛員按下按鈕，系統(tǒng)通電，程序初始化后，單片機(jī)上電，其上燈閃爍，此時(shí)向P－N MOS管H橋電路供電，由CD4011芯片通過引腳11和引腳10輸出信號(hào)(高或低電平)輸出小的正負(fù)電壓，通過變壓器將電壓放大至雨刷電機(jī)所需要的工作電壓(正負(fù)電壓)。

電機(jī)輸出軸直接連接雨刷器的支撐擺動(dòng)軸，輸出正負(fù)交替的電壓可以實(shí)現(xiàn)支架隨支撐軸的來回?cái)[動(dòng)。

圖4 工作流程圖

2.2 工作速度的控制和調(diào)節(jié)

對(duì)整個(gè)裝置的速度和工作頻率的調(diào)節(jié)均通過軟件程序來實(shí)現(xiàn)。

1)雨刷工作頻率的調(diào)節(jié)程序

以低速擋為例［16－17］。

其中控制頻率的函數(shù)就是delay()函數(shù)，可以設(shè)定setnum［i］的初始化值來決定雨刷的工作頻率。這里設(shè)置3個(gè)變量i，結(jié)合圖4，若駕駛員按下低速擋位按鈕，設(shè)置i為0(中速擋位設(shè)為1，高速擋位設(shè)為2)則執(zhí)行上述程序。程序中PORTB_PB0、PWMDTY45 2個(gè)參數(shù)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，若PORTB_PB0=1和PWMDTY45=1 000代表正轉(zhuǎn)，則PORTB_PB0=0和PWMDTY45=0代表反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)是相對(duì)的。

2)間歇周期實(shí)現(xiàn)程序

這時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，其停歇時(shí)間可以通過函數(shù)delay()的參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)。

程序用了3個(gè)if語句，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)速度。設(shè)定1個(gè)3擋按鈕，分低速、中速和高速擋位，即事先所設(shè)定的setnum［i］(i取0、1、2)值不同，所以3個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的雨刷的工作速度或是說工作頻率不同，駕駛員可根據(jù)雨量的多少，選擇合適的擋位。電動(dòng)機(jī)由12 V直流電源驅(qū)動(dòng)工作，由于受機(jī)械部件傳動(dòng)比的約束，雨刷的速度最快不會(huì)超過2次/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雨刷低速擺動(dòng)速度約為1次/s，與經(jīng)過延時(shí)函數(shù)計(jì)算所得的值相差不大;雨刷中速擺動(dòng)速度為2次/s;雨刷高速擺動(dòng)速度約為2～2.5次/s。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的汽車雨刷驅(qū)動(dòng)裝置，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制。實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的電路可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，工作性能良好。電機(jī)和雨刮器的機(jī)械連接及運(yùn)行情況有待于進(jìn)一步研究。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊(cè))［M］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:6.

［2］毛峰.汽車電器設(shè)備與維修［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:5，182.

［3］關(guān)丹丹，那景新，李闖，等.一種前側(cè)窗雨刷機(jī)構(gòu):中國，201320006792［P］.2013 －01 －17.

［4］肖嬋，任龍輝，周輝，等.汽車擋風(fēng)玻璃表面雨刷器除霜器驅(qū)動(dòng)控制裝置:中國，201220668777［P］.2012－12－06.

［5］舒華.汽車電器與電控技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:10，340－345.

［6］張雙喜，王金洋，王秀梅.基于飛思卡爾單片機(jī)智能車的雙線路徑識(shí)別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，20(4):14－17.

［7］安鵬，馬偉.S12單片機(jī)模塊應(yīng)用及程序調(diào)試［J］.電子產(chǎn)品世界，2006(7):162－163.

［8］卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車:挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［9］張陽，吳曄，騰勤.MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:9，15－24.

［10］孫同景.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［11］Motorola Inc.MC9S12DT128 Device User Guide［M/OL］.(2010 －10)［2012 －04 －12］.htpp://wenku.baidu.com/vie.

［12］梁景雨，李遠(yuǎn)彬，段艷妮，等.一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的智能車電子差速器控制［C］//長安大學(xué)研究生2011學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.西安:長安大學(xué)，2012:121－124.

［13］陳修波，蔣德云，張志林，等.基于MC9S12XS128的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，22(1):8－13.

［14］苗秋華，王鵬.客車空調(diào)智能控制系統(tǒng)的研制［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14(3):17－20.

［15］秦曾煌.電工學(xué)［M］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:24－35.

［16］李朝青.汽車單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

［17］譚浩強(qiáng).C 程序設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2007:6.