基于單片機的汽車雨刷驅動裝置

任龍輝，仝秋紅，肖 嬋

(長安大學汽車學院，陜西 西安 710064)

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對汽車使用的要求也越來越高。為了保證雨雪天氣行車時駕駛員有良好的視線，在汽車風窗上裝有刮水器。通過傳動機構，刮水片在風窗玻璃外表面上往復擺動，以掃除風窗玻璃上的雨水、積雪或灰塵［1］。

傳統的機械式雨刷驅動裝置是由蝸桿、蝸輪、拉桿、擺桿等組成的傳動四連桿機構［2－3］，該裝置的啟動裝置設在轉向盤的右下側，通過搬動手柄驅動，不僅占用一定的空間，而且啟動時需要駕駛員的右手離開方向盤后再去操作手柄［4］。本文設計一款汽車雨刷驅動裝置，啟動裝置的按鈕設置在方向盤上，方便快捷啟動，省時省力，并且此機構主要通過軟件編程實現，只要有一定的動力源輸入(如電源等)就會立即動作，實現應有的功能。

1 結構設計

基于單片機的汽車雨刷驅動裝置主要包括預警單元、信息處理單元和執行單元。汽車雨刷驅動裝置的整體電路如圖1所示。

1.1 預警單元

預警單元是整個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力源［5］。主要組成部分是1個變速按鈕。變速按鈕分低速擋、中速擋和高速擋3個擋位，駕駛員通過觸摸轉向盤上的變速按鈕開關選擇不同擋位實現變速，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單片機和CD4011芯片組成，如圖1所示，MC9S12XS128－LQFP112單片機通過引腳PB5(29)和PB7(31)與芯片CD4011相連，再與芯片IRF4905(2個)、IRF3205(2個)組成的P－N MOS管H橋相連。

MC9S12XS128－LQFP112單片機是S12XS系列下的一種芯片，其特點有:16位微處理器，112個引腳，片內振蕩器、時鐘電路和復位電路;30 MHz核心和總線速度128 KB閃存選項，帶有糾錯碼(ECC)的4～8 KB的數據閃存;用于數據存儲選擇可配置的8、10或12位模數轉換器(ADC)，轉換時間達到3 ms;支持控制局域網絡(CAN)、局域互聯網(LIN)和串行外設接口(SPI)協議;帶有16位計數器的8信道計時器［9－11］。

CD4011有4個與非門路，共14個引腳，其功用是放大從單片機輸出的電壓。連接電路時CD4011的14腳接7.2 V，7 腳接地。

圖1 整體電路圖

1.3 執行單元

執行單元由P－N MOS管H橋和普通變壓器組成，是整個控制單元的終了部分。如圖1所示，整個系統經由H橋電路后，將交變電壓(－12 V～+12 V)輸送到電機上，經由電機輸出軸直接驅動雨刷桿實現雨刷的左右擺動［12－13］。

P－N MOS管H橋電路控制電機的正反轉，由2個P型場效應管Q1、Q2與2個N型場效應管Q3、Q4組成，故叫P－N MOS管H橋。橋臂上的4個場效應管相當于4個開關，P型管在柵極為低電平時導通，高電平時關閉;N型管在柵極為高電平時導通，低電平時關閉。場效應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，Q1、Q4關閉，Q2、Q3導通，電機左端為低電平，右端為高電平，所以電流沿箭頭方向流動，設為電機正轉。

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，Q1、Q4導通，Q2、Q3關閉，電機左端為高電平，右端為低電平，所以電流沿箭頭方向流動，設為電機反轉。

當控制臂1、2均為低電平時，Q1、Q2導通，Q3、Q4關閉，電機兩端均為高電平，電機不轉;當控制臂1、2均為高電平時，Q1、Q2關閉，Q3、Q4導通，電機兩端均為低電平，電機也不轉。

圖3為控制臂1、2和與非門CD4011組成的柵極驅動電路輸出端。因為單片機輸出電壓為0～5 V，所使用的H橋的控制臂需要0 V或7.2 V電壓才能使場效應管完全導通。PWM輸入0 V或5 V電壓時，柵極驅動電路輸出電壓為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，不足以驅動電機帶動雨刷工作，使用變壓器將H橋輸出電壓放大到12 V，使電機的工作電壓為－12 V～+12 V，實現電機的正反轉［15］。

圖3 CD4011柵極驅動電路

2 工作流程及實現過程

2.1 工作流程

基于單片機的汽車雨刷驅動裝置的工作流程如圖4所示。

駕駛員按下按鈕，系統通電，程序初始化后，單片機上電，其上燈閃爍，此時向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(高或低電平)輸出小的正負電壓，通過變壓器將電壓放大至雨刷電機所需要的工作電壓(正負電壓)。

電機輸出軸直接連接雨刷器的支撐擺動軸，輸出正負交替的電壓可以實現支架隨支撐軸的來回擺動。

圖4 工作流程圖

2.2 工作速度的控制和調節

對整個裝置的速度和工作頻率的調節均通過軟件程序來實現。

1)雨刷工作頻率的調節程序

以低速擋為例［16－17］。

其中控制頻率的函數就是delay()函數，可以設定setnum［i］的初始化值來決定雨刷的工作頻率。這里設置3個變量i，結合圖4，若駕駛員按下低速擋位按鈕，設置i為0(中速擋位設為1，高速擋位設為2)則執行上述程序。程序中PORTB_PB0、PWMDTY45 2個參數控制電機正反轉，若PORTB_PB0=1和PWMDTY45=1 000代表正轉，則PORTB_PB0=0和PWMDTY45=0代表反轉，正反轉是相對的。

2)間歇周期實現程序

這時電機不轉，其停歇時間可以通過函數delay()的參數控制實現。

程序用了3個if語句，分別對應3個速度。設定1個3擋按鈕，分低速、中速和高速擋位，即事先所設定的setnum［i］(i取0、1、2)值不同，所以3個擋位對應的雨刷的工作速度或是說工作頻率不同，駕駛員可根據雨量的多少，選擇合適的擋位。電動機由12 V直流電源驅動工作，由于受機械部件傳動比的約束，雨刷的速度最快不會超過2次/s。實驗結果表明:雨刷低速擺動速度約為1次/s，與經過延時函數計算所得的值相差不大;雨刷中速擺動速度為2次/s;雨刷高速擺動速度約為2～2.5次/s。

3 結語

設計了一種基于單片機的汽車雨刷驅動裝置，通過單片機實現智能化控制。實驗證明所設計的電路可以實現電機的正反轉，工作性能良好。電機和雨刮器的機械連接及運行情況有待于進一步研究。

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