基于红外的汽车自动雨刮器设计.docx

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基于红外的汽车自动雨刮器设计

研究生课程考核记录

2010-2011学年第2学期

基于单片机的自动红外感应式雨刮器设计

摘要

雨刮器是影响汽车在雨雾天气安全行驶的重要因素之一，自动雨刮器可以减少驾驶员精力分散，提高汽车行驶安全性。

本文设计了一种基于红外线的自动感雨雨刮器。

以高亮度红外发光二极管作为光源照射汽车挡风玻璃，以STC12C5608AD单片机作为控制核心，利用其内部定时器完成38K频率脉冲发射以及脉冲宽度计算等功能，最周根据不同的脉冲宽度，控制输出不同占空比信号，来控制雨刮器电机转速。

关键词：

感雨器，脉冲宽度，占空比

一、

绪论

1.1课题研究背景

汽车挡风玻璃的良好视线是驾驶员确保行车安全的必要条件，因此雨刷系统是汽车的重要安全设备之一。

在雨雾行车条件下，传统机械雨刷系统石油驾驶者手动操控来清除挡风玻璃上的雨水，雨刷摆动频率主要是驾驶员用肉眼判断雨量大小然后操作转换开关完成，然而，手动切换开关，必然影响行车注意力，造成不必要的危险，尤其是诸如突遇水坑飞溅挡风玻璃的突然情况，会使驾驶员措手不及，影响方向盘操控，据统计，全世界雨天行车有7%的事故是由于手动操作雨刷系统引起的。

采用智能控制雨刮器可以减少雨雾天气驾驶员的精力分散，降低交通事故发生频率，同时采用智能控制的雨刮器控制可以根据需要自动调节雨刮器刮雨频率，降低功耗。

雨水感应式自动雨刷系统的工作过程是：

当传感器检测到有雨水落到了挡风玻璃上，就对雨刷发出指令使其开始工作，从而清除车的前挡风玻璃上的雨水，保证驾驶员视线的通畅。

美国通用汽车公司（GM）在1951年的概念车LeSabre中首先使用雨水感应式自动雨刷系统，从此以后，有数以百计的专利技术和无数次的不懈尝试来不断地完善雨水感应式自动雨刷系统，使它能够更加有效地检测到雨水，并且做出更加准确的反应。

但是，其中多数专利技术和尝试都不尽完美，存在着或大或小的问题，而这些问题阻碍了雨水感应式自动雨刷系统的广泛应用。

雨水感应式自动雨刷系统的研发难点：

由于雨水有多种形态，所以使得研发过程充满艰辛。

雨水的强度差异非常大，小到非常薄的雾气，大到倾盆大雨。

雨水的状态可能完全是液态的，也可能是冻结的或者半冻结的冰（仅这些冰的形态就多达212种），还可能是半融雪、雨夹雪或者是爱斯基摩人经常谈论的漫天大雪。

不仅如此，雨水中包含的水也是多样的，可能是几乎纯净的蒸馏水，也可能是被工业或者污泥污染过的水，还有可能是被花粉污染过的水。

而在有些情况下，落到挡风玻璃上的雨水根本就不是通常的水，比如路过的卡车引起的飞溅、冬季路面坑中溅起的泥水、挡风玻璃清洗器中喷出的清洗液等。

目前应用较广的两种主流传感器分别是光学式传感器和电容式传感器。

要让雨水感应式自动雨刷系统很好地工作，仅靠传感器的输出信号是远远不够的，传感器的输出必须经过信号处理和软件处理才能提供有用的信息。

有了大量的信息，传感器才能准确判断雨点的种类。

根据雨点的种类，雨水感应式自动雨刷系统才能判断是否需要启动雨刷器工作。

许多雨水探测器的设计理念甚至达不到基本的要求，传导性传感器就是这样，它使用的是一组金属带，这些金属带被安置在挡风玻璃的外层，这样的安装方式导致那些金属带非常容易氧化。

另外，这类传感器很容易被落在玻璃上的小虫子、污染过的雨水或者是污泥点“欺骗”。

而雨刷长期工作的摩擦，也使得这类传感器的寿命缩短了不少。

另一种设计理念的传感器是依靠检测雨点落到玻璃上造成的振动来工作的，压电式探测器和声音探测器就是这样的工作原理，它们通过“聆听”下落物体落在挡风玻璃上的声音来判断是否有雨水落下。

但是，这类传感器同样会判断错误，比如有硬皮的小虫子、砂砾的飞溅、冻雨和冰雹落在挡风玻璃上的时候，就会造成系统的误判从而使雨刷器开始工作。

因此，对阻抗和振动系统的完善，还有很多的研发工作要做。

1.2汽车感雨器的工作原理

目前最成功的两种传感器——光学式和电容式传感器。

光学式传感器是根据光的折射原理工作的。

在光学式传感器中有一个发光二极管，它发出一束锥形光线，这束光穿过前挡风玻璃。

当挡风玻璃上没有雨水、处于干燥状态的时候，几乎所有的光都会反射到一个光学传感器上；当下雨的时候，挡风玻璃上会存有雨水，一部分光线就会偏离，这就造成了传感器接收到光的总量的变化，从而检测到了雨水的存在。

光学式传感器能够接收反射光的面积越大，得到的信息就越详尽。

光学式传感器十分精确，甚至有可能准确地判断出落在被感应区域上的雨点数目。

在雨水感应式自动雨刷系统中之所以要应用软件，是因为它能对传感器输出信号做广泛、实时的分析。

传感器不仅能“数出”落在挡风玻璃上雨点的数目，而且还能在雨点沿着挡风玻璃流下的时候观察它们的形状和流动形式。

有了这样的信息，就有可能判断在挡风玻璃上的是否为雨水，另外还能判断出雨下得有多大以及下雨的强度是在增大还是在减小。

本文应用的是光学式红外散射式感雨器，红外散射式感雨器主要由两部分组成，一部分是红外发射头，另一部分是红外接收头。

目前市场上出现了很多红外发射接收一体化设备。

红外感应式雨刮器是一种利用光量变化的传感器，传感器主要有红外发射二极管和光敏三极管两部分。

在正常晴天工况下，从红外线发射二极管发出的光信号，经过挡风玻璃漫反射之后到达接收头，接收器可以检测到发射器信号，而在雨雾条件下，雨滴落在挡风玻璃上，发射器发出的红外光，一部分经过雨滴折射出去，那么由于光的散射，光强减弱，可利用光强的衰减信号将雨量导致的光信号变化转换成光敏三极管上电信号的变化，根据信号的大小，自动设定雨刮器工作的时间间隔、控制雨刮器的动作。

原理如下图3，图4所示。

图3无雨滴落下时图4有雨滴落下时

另一种较成功的传感器是电容式传感器，它主要是利用水和玻璃的介电常数的巨大差异设计的，其中水的介电常数为80，玻璃的介电常数为2。

通常的做法是，把两条呈平行状态的指状金属极板放入挡风玻璃的内、外层之间，一组指状金属极板相交错，但是并不触及其他的指状金属极板。

当挡风玻璃处于干燥状态的时候，挡风玻璃外表面和每组指状金属极板之间就形成了电介质。

当挡风玻璃变湿的时候，根据与挡风玻璃接触的水量的不同，挡风玻璃的介电常数发生不同的变化。

如果把传感器安装在挡风玻璃的表面上或者紧贴在挡风玻璃的下表面，这对传感器的工作是有利的，因为这样的安装能使传感器发挥其最佳灵敏度。

不利的是，把电容式传感器安装在挡风玻璃的外表面上会产生与阻力传感器同样的问题，其金属镀层在雨刷的长期工作下会很快被从挡风玻璃上刮掉。

电容式传感器的电容与一个类似惠斯通电桥的高频平衡电桥检测器相连，由此来对电容式传感器的电容进行监测，这样做也可能直接就能测量到电容的变化。

海拉公司（Hella）研发了一种电容式传感器，当雨点的电容量改变的时候，含有天线结构的振荡电路就会解调。

使用电容式传感器的一个优势是挡风玻璃的层次结构是现成的，挡风玻璃的作用不仅是容纳电介质层，而且还能安装传感器和布置连接线。

因此装配电容式传感器的花费仅仅是指状金属极板的安置和线路到系统信号处理部分的连接。

对电容式传感器来说，光线对它没影响，所以传感器可以安装在挡风玻璃的边缘和角落里，汽车制造商把这些区域称作“阴影带”。

汽车驾驶员在一般情况下是不知道在那里安装有传感器的。

当雨水落在挡风玻璃上的时候，电容传感器的电容到底会改变多少呢？

ITT公司的一项专利技术写道，由ITT公司研发的传感器在正常的情况下电容是100pF，当一个标准的0.5mm厚的小雨点落在了被感应区域上，电容的变化量是10pF。

这个变化量并不大，但是足以让电子元件判断是否下雨以及雨量的大小。

下图所示即为电容式传感器工作过程，在一块绝缘介质上刻蚀印制两条呈树枝状的平行金属线，分别作为电容器的两个电极，树枝状分布的目的是减小体积、增加电容量。

该电容和外接的电感或电阻构成LC、RC振荡电路。

使用时需将该电容器直接置于空气中。

在正常的天气条件下，电容有一个固定的电容值，降水发生时，雨水落入该电容内，改变了电容的介电常数从而改变了电容值。

导致振荡电路的振荡频率发生改变，据此判断降水的发生与否。

如下图1所示。

图1电容式雨量传感器原理图

另外还有一种感雨器是热电偶式，两种不同的金属或合金在a,b两点焊接在一起，构成一个闭合回路，如图2所示。

回路中将产生电动势，a，b两点的温度差越大，电动势越高。

令焊点a维持在已知温度以下，焊点b的温度可以借助回路的电动势来维持。

维持已知温度的一端叫做参考段，另一端叫做工作端，在正常工作条件下维持一个恒定的电动势，当下雨时，工作端的温度迅速降低，从而电动势降低。

电动势的突变变换成回路中电流的变化，据此判断降水是否发生。

图2热电偶式感雨器工作原理

我们前面已经提到过，传感器能做的不仅仅是控制雨刷器。

海拉公司（Hella）研发的电容式传感器里整合了多种元件，因此它可以测量光线、湿度、阳光负荷。

这种整合使得一个传感器可以代替其他三个传感器，这样其配线和空间就被节省了下来。

现在还有一些新的雨水探测技术即将出现，例如超短波雷达技术和改进的超声波振动系统。

雨水探测技术还有可能加入有效的黑冰探测系统，这个系统能够提高冬天驾驶的安全性。

在暴风雨即将来临的时候，要做好应对准备的不仅仅是雨刷器，已经有了很多关于在暴雨情况下巡航控制使用的讨论。

在美国，很多州的高速公路警察都建议在汽车牵引和汽车真实速度不明的情况下不要使用巡航控制系统。

因为巡航控制系统有可能会被雨水探测器关闭或者在暴雨情况下会被雨水探测器更改其操作。

在气温较高的地区，高强度太阳光负荷可能导致车辆内部表面如仪表盘或者座椅的温度上升至140¡F（60℃）或者更高。

车辆内部的高温不仅对驾驶员来说是一件令人不悦的事情，而且对空调系统也是很重的负荷，因为空调系统要把热量排放出去。

如果驾驶员比较熟悉雨水探测技术，知道这项技术可以探测到将要到来的暴雨并会自动关闭车窗的话，这样驾驶员便会打开车窗来换气，从而缓解了车内的高温。

随着数百万辆高端汽车已经将雨水感应式自动雨刷系统作为标准配置，这一系统将会更多地配备在中低端汽车上，使附加有新功能的自动雨刷器很可能取代传统的间歇式雨刷器。

1.3课题设计要求

设计一个自动雨刮器，利用红外感应外界是否下雨，并且根据雨量大小控制雨刮器刮雨速度。

汽车红外感应式自动雨刮器主要有三部分组成，红外发射部分，红外接收部分以及控制电机。

由设计要求，本系统要完成的功能是当检测到外界下雨时：

（1）自动启动雨刮器进行刮雨操作；

（2）能够自动根据雨量大小调节电机转速，进而控制雨刮器速度。

二、

系统构建和方案设计

2.1系统总体结构框图

本系统采用红外感应法进行自动雨刮器控制，利用光强变化的传感器光源可以分为可见光与红外光两种。

可见光容易受到外界环境影响，红外光受外界环境影响变化较小，由于红外接收三极管的敏感频率范围为35~40KHZ，因此采用单片机STC12C5616AD内部定时器计数器方式由P1.4管脚产生38KHZ脉冲，脉冲经过红外发光二极管发出，然后经三极管接收，在信号端产生电压变化，电压通过单片机内部的门控方式得出10ms内高电平脉冲宽度，根据脉冲宽度在10ms内所占的比例输出不同的占空比信号，由占空比信号控制电机转速进而控制雨刮1器刮雨速度。

图2.1红外感应式自动雨刮器结构框图

2.2控制系统芯片

STC12C5616AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

本论文主要运用芯片内部定时器作为信号发生器，然后再通过定时器实现脉冲宽度计算以控制输出不同的占空比信号，相对应的STC12C5616AD内部有6个定时器，其中定时器0和定时器1两个16位定时器，与传统8051指令系统完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当两个8位定时器用，另外4路PCA/PWM可以再实现4个16位定时器。

完全可以满足本设计要求。

三、系统硬件设计

硬件电路主要由MCU、红外发射模块、红外接收放大模块和信息处理电路组成,如图2.3所示。

MCU的定时器产生频率调制的方波控制红外发射管;红外接收管接收到经传感器外壳和挡风玻璃反射回的红外线后进行光电转换;由信号放大电路对接收信号进行放大,并实现了采样保持及A/D转换;输出信号由MCU的软件处理后输出与雨量大小对应的控制信号供给雨刮控制器。

硬件系统电路图如下图2.3所示：

图3.1红外雨量传感器硬件控制框图

3.1MCU电路

红外雨量传感器采用STC12C5616AD芯片控制，由P1.4控制引脚控制输出38kHz频率方波，INT0与红外接收三极管信号端连接，将红外接收信号送入MCU进行数据处理，最终输出不同占空比信号，控制雨刷电机转速，MCU控制电路图如图3.2所示：

图3.2MCU控制电路图

3.2红外发射接收电路

单片机发出的38kHz的方波调制信号作为红外发射管的控制信号,此方波调制信号的频率远大于雨滴下落的频率,也比环境光中的红外线强度波动频率高得多。

这样,可消除环境光中的红外线对测量的干扰。

信号接收部分主要是红外接收三极管电路，当红外发射头处于接收范围之内时，红外接收三极管信号端保持低电平，当有雨滴落在挡风玻璃上使红外线被折射，以致红外接收三极管接收信号减弱，出现高低电平间隔出现的状态，当雨滴过大以致红外信号被完全折射时，红外接收三极管无法捕捉到红外信号，信号端出现高电平。

红外发射与接收控制电路图如图3.3所示：

图3.3红外发射与接收控制电路图

3.3串口连接电路

该电路实现与计算机RS232串口通信，将程序写入单片机实现自动雨刮器功能。

图2.3硬件控制系统框图

图3.2红外信号发射和接收电路

图3.4串口通信电路

四、系统软件设计

系统整体软件控制思路如图4.1所示：

系统的初始化主要包括雨刷电机上电，复位操作等，主要由驾驶员进入车内部，开始适

系统的初始化主要包括雨刷电机上电，复位操作等，主要由驾驶员进入车内部，打开汽车电源开始，系统进行初始化操作。

之后单片机内部管脚产生38k调制脉冲程序，脉冲导入红外发射头进行发射，经三极管放大电路接收之后，转变成三极管信息端管脚电平的变化。

将三极管信息端口与单片机INTO管脚进行连接，通过门控控制方式实现脉冲宽度计算，以推测雨量大小确定电机转速。

4.1红外发射部分

STC12C5616AD的晶振频率为11.0592MHz，要在P1.4管脚产生38KHz的脉冲信号。

产生过程如上四式所示，将需要计数的次数count经过四舍五入处理可以得到count整数，采用定时计数工作方式2可以获得计数器初值，TH1=TL1=Oxf4。

调制好波形经过P1.4管脚输出后在示波器中观察到的波形如下图4.2所示：

图4.238k脉冲波形

4.2红外接收部分

红外接收三极管信号端电平随着能否收到红外信号而变化，变化波形图如下图所示：

（a）（b）

图4.3红外接收三极管接电平图（a为接收到信号，b为未接收到信号）

4.3数据处理

定时计数器的核心部件是加1计数器，当选择定时计数器为定时方式时，其计数输入信号是由时钟振荡输出脉冲经12分频后送过来的，每经过一个机器周期计数器加1，直到计数器计满溢出向CPU申请中断，当选择定时计数器为计数方式时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚T0或T1。

图4.4芯片内部定时器计数器模式

从图4.4可以看出，开关K1闭合方向由C/T控制，而开关K2能否闭合由TR0、GATE和

共同控制，其允许定时计数器的工作条件为TR0（GATE+

）=1.当GATE=0时，由TR0控制定时计数器T0的启动与停止，而与

无关；当GATE=1时，由TR0和

共同控制定时器T0的启动与停止，由此假定GATE=1，TR0=1，则定时计数器的启动和停止完全由

引脚控制，将

引脚与红外接收三极管信息端管脚连接，则可知由信号端显示的高低电平即可控制定时器T0的开关，由此实现脉冲宽度计算。

图4.5数据处理流程图

五、实验结果

根据南京信息工程大学的徐飞在2004年实验中提出的结论，降水离子对红外光的散射规律明显，粒子越大，散射越强，且散射强度随散射角平稳变化：

波长在2um以下时，震荡消失。

当散射角

时，可以接收到能量较强且比较稳定的散射信号，所以在这次实验中，将接收器红外光敏感置于散射角

的位置。

红外发射头与红外接收头安装在硬件电路板上的位置如下图图5.1所示。

图5.1位置安装示意图

图5.2简易实验台示意图

在试验台上用喷壶模拟降雨的小雨中雨以及大雨三种情况，获得如图5.3所示波形：

（a）小雨（b）中雨

（c）大雨

图5.3模拟不同雨量时三极管输出电平变化

将以上高低电平输出口与单片机

管脚连接，通过门控方式测出脉冲宽度之后，根据脉冲占空比可以输出不同的控制信号，控制电机转速。

从而实现不同的雨刮器刮雨速度。

参考文献

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