任龍輝，仝秋紅，肖 嬋

(長(zhǎng)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)觸摸轉(zhuǎn)向盤上的變速按鈕開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)軟件程序來(lái)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(lái)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(guò)函數(shù)delay()的參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)。

程序用了3個(gè)if語(yǔ)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(shuō)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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(guò)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。

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