基于单片机的汽车雨刷驱动装置

2014-10-13任龙辉仝秋红

山东交通学院学报 2014年2期

任龙辉，仝秋红，肖婵

(长安大学汽车学院，陕西西安 710064)

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车使用的要求也越来越高。为了保证雨雪天气行车时驾驶员有良好的视线，在汽车风窗上装有刮水器。通过传动机构，刮水片在风窗玻璃外表面上往复摆动，以扫除风窗玻璃上的雨水、积雪或灰尘［1］。

传统的机械式雨刷驱动装置是由蜗杆、蜗轮、拉杆、摆杆等组成的传动四连杆机构［2－3］，该装置的启动装置设在转向盘的右下侧，通过搬动手柄驱动，不仅占用一定的空间，而且启动时需要驾驶员的右手离开方向盘后再去操作手柄［4］。本文设计一款汽车雨刷驱动装置，启动装置的按钮设置在方向盘上，方便快捷启动，省时省力，并且此机构主要通过软件编程实现，只要有一定的动力源输入(如电源等)就会立即动作，实现应有的功能。

1 结构设计

基于单片机的汽车雨刷驱动装置主要包括预警单元、信息处理单元和执行单元。汽车雨刷驱动装置的整体电路如图1所示。

1.1 预警单元

预警单元是整个控制单元的主要组成部分，它为下一部分的信息处理单元接通动力源［5］。主要组成部分是1个变速按钮。变速按钮分低速挡、中速挡和高速挡3个挡位，驾驶员通过触摸转向盘上的变速按钮开关选择不同挡位实现变速，控制雨刷的工作速度［6－8］。

1.2 信息处理单元

信息处理单元主要由MC9S12XS128－LQFP112单片机和CD4011芯片组成，如图1所示，MC9S12XS128－LQFP112单片机通过引脚PB5(29)和PB7(31)与芯片CD4011相连，再与芯片IRF4905(2个)、IRF3205(2个)组成的P－N MOS管H桥相连。

MC9S12XS128－LQFP112单片机是S12XS系列下的一种芯片，其特点有:16位微处理器，112个引脚，片内振荡器、时钟电路和复位电路;30 MHz核心和总线速度128 KB闪存选项，带有纠错码(ECC)的4～8 KB的数据闪存;用于数据存储选择可配置的8、10或12位模数转换器(ADC)，转换时间达到3 ms;支持控制局域网络(CAN)、局域互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议;带有16位计数器的8信道计时器［9－11］。

CD4011有4个与非门路，共14个引脚，其功用是放大从单片机输出的电压。连接电路时CD4011的14脚接7.2 V，7 脚接地。

图1 整体电路图

1.3 执行单元

执行单元由P－N MOS管H桥和普通变压器组成，是整个控制单元的终了部分。如图1所示，整个系统经由H桥电路后，将交变电压(－12 V～+12 V)输送到电机上，经由电机输出轴直接驱动雨刷杆实现雨刷的左右摆动［12－13］。

P－N MOS管H桥电路控制电机的正反转，由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成，故叫P－N MOS管H桥。桥臂上的4个场效应管相当于4个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭;N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为 0［14］。

如图2a)所示，在连接好电路后，控制臂1置高电平(U=VCC)、控制臂2置低电平(U=0)时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，电机左端为低电平，右端为高电平，所以电流沿箭头方向流动，设为电机正转。

如图2b)所示，控制臂1置低电平(U=0)、控制臂2置高电平(U=VCC)时，Q1、Q4导通，Q2、Q3关闭，电机左端为高电平，右端为低电平，所以电流沿箭头方向流动，设为电机反转。

当控制臂1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转;当控制臂1、2均为高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转。

图3为控制臂1、2和与非门CD4011组成的栅极驱动电路输出端。因为单片机输出电压为0～5 V，所使用的H桥的控制臂需要0 V或7.2 V电压才能使场效应管完全导通。PWM输入0 V或5 V电压时，栅极驱动电路输出电压为0 V或7.2 V，前提是CD4011电源电压为7.2 V。

图2 H桥电路

H桥输出电压较小，不足以驱动电机带动雨刷工作，使用变压器将H桥输出电压放大到12 V，使电机的工作电压为－12 V～+12 V，实现电机的正反转［15］。

图3 CD4011栅极驱动电路

2 工作流程及实现过程

2.1 工作流程

基于单片机的汽车雨刷驱动装置的工作流程如图4所示。

驾驶员按下按钮，系统通电，程序初始化后，单片机上电，其上灯闪烁，此时向P－N MOS管H桥电路供电，由CD4011芯片通过引脚11和引脚10输出信号(高或低电平)输出小的正负电压，通过变压器将电压放大至雨刷电机所需要的工作电压(正负电压)。

电机输出轴直接连接雨刷器的支撑摆动轴，输出正负交替的电压可以实现支架随支撑轴的来回摆动。

图4 工作流程图

2.2 工作速度的控制和调节

对整个装置的速度和工作频率的调节均通过软件程序来实现。

1)雨刷工作频率的调节程序

以低速挡为例［16－17］。

其中控制频率的函数就是delay()函数，可以设定setnum［i］的初始化值来决定雨刷的工作频率。这里设置3个变量i，结合图4，若驾驶员按下低速挡位按钮，设置i为0(中速挡位设为1，高速挡位设为2)则执行上述程序。程序中PORTB_PB0、PWMDTY45 2个参数控制电机正反转，若PORTB_PB0=1和PWMDTY45=1 000代表正转，则PORTB_PB0=0和PWMDTY45=0代表反转，正反转是相对的。

2)间歇周期实现程序

这时电机不转，其停歇时间可以通过函数delay()的参数控制实现。

程序用了3个if语句，分别对应3个速度。设定1个3挡按钮，分低速、中速和高速挡位，即事先所设定的setnum［i］(i取0、1、2)值不同，所以3个挡位对应的雨刷的工作速度或是说工作频率不同，驾驶员可根据雨量的多少，选择合适的挡位。电动机由12 V直流电源驱动工作，由于受机械部件传动比的约束，雨刷的速度最快不会超过2次/s。实验结果表明:雨刷低速摆动速度约为1次/s，与经过延时函数计算所得的值相差不大;雨刷中速摆动速度为2次/s;雨刷高速摆动速度约为2～2.5次/s。