基于步进电机控制技术的汽车辅助照明随动系统设计

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 驾驶A、B级汽车的驾驶员会遇到这样的问题,当夜晚行驶在盘山公路或乡村的小街巷时,总觉得前大灯照着的方向与你行驶的道路不一致。行车速度和行车安全存在很大问题。汽车辅助照明随动系统是以单片机AT892051芯片为控制核心,控制步进电机带动辅助照明光源,随方向盘的转动而转动。对汽车的前大灯照明起到辅助作用。辅助照明光源采用高亮度LED灯,这种光源节能、抗震性能好、重量轻,符合“辅助”的特点,可以随时安装或取下。安装时只需用光源底部的永久磁铁吸附在驾驶室顶部或汽车的任何部位。用霍尔开关检测汽车的转向、转角的大小以及转弯的速率,将检测信号和倒车信号一起送至单片机的输入接口,经单片机分析、计算、判断后,由单片机的输出接口输出控制信号,控制步进电机及辅助光源的转动,从而实现随动控制。

1 系统硬件基本组成及各部分作用

系统的硬件框图如图1,硬件系统由单片机AT89C2051芯片、4806-A步进电机、步进电机驱动电路、HAM8X20PNP霍尔开关、7805三端稳压器、晶体谐振器等组成。


1.1 单片机芯片

综合分析了汽车辅助照明随动系统的控制要求,选用AT89C2051芯片电路简单、经济实惠,完全可以满足要求。AT89C2051是一种带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS 8位徽控制器。该器件采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51TM指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在一个芯片中,ATMEL的AT89C2051是一种高效微控制器。另外它为20个引脚、15条可编程I/O线、128×8内部RAM、工作电压2.7V~6V。

将AT89C2051芯片的(P3.0、P3.1、P3.2、P3.3)设为输入口,用它对系统的左转信号、定位信号、右转信号及倒车信号进行采集,送至CPU进行分析、比较、判断,并将判断结果送至输出口。将P1.2、P1.3、P1.4、P1.5设为输出口,P1. 2~P1.5经驱动器,对步进电机进行控制,进而实现随动控制。

1.2 霍尔开关

霍尔开关是该系统采样的主要元件,汽车的转向信号就由它来采集。用霍尔开关作为检测元件的好处是对汽车原电路不作任何改动。霍尔开关选用HAM8X20PNP常开型,它具有体积小、易安装、电压范围宽等特点,适合于汽车12V电源使用。HAM8X20PNP型霍尔开关的输出电平很容易与单片机直接连接。

1.3 步进电机驱动电路

驱动电路采用分立元件电路,由三极管及周边电路组成,单片机经P1.2、P1.3、P1.4、P1.5输出,再经三极管功放电路驱动步进电机,P1.2、P1.3、P1.4、P1.5设为低电平有效,三极管选用9012PNP型,这样设计电路简单,散热性能好。

1.4 步进电机

步进电机是随动系统的执行元件,选用4806-A型。该电机为4相(分别为A、B、C、D相)、绕组34Ω,脉冲幅度12V。

1.5 恒流三极管及LED灯

恒流三极管是第二代半导体恒流器件,它最大特点是输出的恒流可以利用调整端加外部元器件进行调整,最适合LED灯的设计。LED选用0.5W高亮度白光二极管。

1.6 电源电路

电源采用汽车电瓶+12 V电源,直接供给霍尔开关和步进电机驱动电路。另外+12V电源经三端稳压器7805稳压,变成+5V供单片机控制电路使用。

1.7 时钟电路

时钟电路由6 MHz晶体振荡器和周边电路组成,为系统产生6MHz时钟信号。

1.8 复位电路

复位电路由单片机1脚周边的阻容电路组成,为单片机控制电路上电时在RST端产生一正脉冲,启动单片机工作。

硬件电路原理图如图2所示:


2 软件流程图

软件流程图如图3所示。根据系统功能要求,当开关S闭合时,系统启动,单片机对左、中、右三个霍尔开关进行检测,辅助照明光源开启,灯光亮。当方向左转时,单片机控制步进电机左转。当方向右转时,单片机控制步进电机右转。当方向转正时,单片机控制步进电机转到中间位置。

但实际上方向左转时可能有三种情况:一是左转半圈,测到一个左转信号;二是左转一圈,测到一个左转信号、一个右转信号和一个中间信号;三是左转一圈半,测到一个左转信号、一个右转信号、一个中间信号和一个左转信号。这三种情况的任何一种都是使步进电机左转30度。同理右转时也存在三种情况:一是右转半圈,测到一个右转信号;二是右转一圈,测到一个右转信号、一个左转信号和一个中间信号;三是转一圈半,测到一个右转信号、一个左转信号、一个中间信号和一个右转信号。这三种情况的任何一种都是使步进电机右转30度。所以我们控制步进电机的左、右转并不能直接根据检测到的左、右状态信号来控制步进电机的左、右转,而要根据以上6种情况进行分析判断,完成对步进电机的左、右转动控制来解决夜间行车时左、右转动方向灯光照明问题。

3 结束语

以上是对汽车辅助照明随动系统硬件部分、接口分配以及软件流程的设计。以后还需从空气动力学的角度对LED灯具的外形进行设计,从防水密封的角度对辅助照明系统的转动部分进行设计,对控制程序进行调整和优化,力争做到简单、适用、可靠、经济。

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