汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现Word格式.docx
《汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现Word格式.docx（64页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自动雨刷控制系统免去了驾驶员手动调节雨刷的麻烦，有效的提高了在雨天驾驶的安全性与可靠性；
同时，也避免了因为路边积水溅在挡风玻璃上，驾驶员来不及操作而恐慌造成的交通事故。
雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪、灰尘和水泥等，以保证玻璃透明清晰。
第一个发明电动刮水器的是德国博世公司，博世将它作为“博世最年幼的产品”加入到博世的产品家族。
自那以后，这个婴儿逐渐成长，从单纯的刮片发展到二十一世纪初的风窗玻璃之星——无支架的刮水器。
在汽车的驾驶史上，对风窗玻璃的清洁问题解决开始得比较晚。
汽车从只有平添驾驶发展到成为全天候的驾驶。
技术变化最大是在二战以后，伴随着大规模机械的出现。
风窗玻璃洗涤器、间歇开关、后窗刮水器和可加热喷水器保证了驾驶时的视野清晰与行车安全。
伴随着其他一些技术革新，比如雨滴传感器、可变位刮水臂、刮水器的出现，就更扩大了刮拭的范围，刮水器成为了一个复杂的系统。
1.3国内外研究现状
国内外许多汽车厂商以雨水传感器为基础的自动雨刷控制系统，不是格昂贵就是系统不完善，反映不灵敏。
现今，则主要是把用雨水传感器检测出来的雨量大小的信号转变成电信号，然后传递给单片机，通过软件的控制来控制电机驱动芯片从而带动电机的旋转。
目前市场上的雨量传感器大都分为以下两种：
利用电阻压变，光强变化的传感器与各种信号控制器连接，来控雨刷电机的转动。
前一种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外侧，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；
后一种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
因为汽车雨刷主要功能是刮除挡风玻璃上的水渍及污垢，给驾驶者提供一个清晰的视野，所以自动雨刷系统属于必须的安全设备。
主动性安全系统是每个汽车系统工程师努力目标之一，雨刷系统是每辆车上为保证挡风玻璃清晰的唯一选择。
而此次设计的自动雨刷，乃目前各车厂投注心力的开发方向。
雨刮器总成含有电动机、减速机、四连杆机构、刮水臂心轴、挂水片总成等。
当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构、四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。
雨刮器的种类很多,按安装位置分,有顶置、底置、侧置、前后置和内外置等;
按雨刮范围分,有局部雨刮、整体雨刮、单面雨刮和双面雨刮;
按运动方式分,有四杆机构左右摆动式、导轨式直线和弧线运动式;
按制作材料分,有普通黑胶体雨刮器、透明塑料体雨刮器和磁性体雨刮器。
目前,车辆上广泛使用的是曲柄连杆机构黑胶体雨刮器。
国外对汽车电动雨刮器的性能要求：
1、耐久性能
美国标准1975年SAEJ903b推荐
（1）总成耐久试验
（2）刮片耐久试验
（3）橡胶片耐久试验
日本标准1976年JISD5710推荐
（1）橡胶片耐久试验
（2）总成耐久试验试验后摇臂的压力变化和试验前相比应在15%以内,摇臂和刮片的各部分不应有明显的松弛、松动（配合、间隙等）或其他有害缺陷的产生。
2、强度性能
在刮动过程中阻挡摇臂15秒，试验后应仍能正常工作。
3、刮刷性能
耐久试验试验后刷净性能仍应达到75%。
4、刮动频率
（1）美国文献介绍刮动周期1--20秒
（2）法国文献介绍刮动频率12--40次/分
（3）美国文献介绍间隔3秒较普遍
（4）英国文献介绍适应极细雨时用,频率和间歇均能独立控制。
（5）美国文献介绍倾盆大雨时的刮刷频率可高达80次/分,高于上述频率则雨刮将在风窗玻璃水而上浮掠而过,破坏刮水性能。
1.4研究意义
据统计全世界雨天行车有7%的事故是由于驾驶员手动操作雨刷引起的，现在的汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动性和被动安全性。
采用雨滴感应式自动雨刷控制系统可以使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了雨天行车的安全性。
如果汽车有雨滴传感器，驾驶者就无需调节雨刮器设置来迅速停止刮片的运动或者得到更好的视角。
当在湿路上驾驶时，驾驶者就无需动手来打开雨刮器，所以驾驶者就可以集中精力开车。
2.总体设计方案
现在开发的雨滴检测雨刮器，将雨滴传感器检出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，控制刮雨器动作。
在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。
2.1自动雨刷控制系统设计思路
设计的总体思路是：
运用雨滴传感器感应雨量的大小，把感应信号输给单片机系统，然后通过软件控制雨刷电机根据相应的环境做出不同的转动。
例如，当检测为小雨量的时候，电机工作在小雨模式（电机旋转一个来回要停留10秒再继续进行旋转）；
当检测为中大雨的时候则，启动中大雨运转模式（电机旋转一个来回停止5秒后再继续工作）；
当检测为大雨的时候，则启动大雨运转模式（电机连续进行来回旋转）。
设计中运用AT89S52单片机，步进电机采用ULN2003AN驱动芯片进行驱动。
2.2设计原理
本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图2-1所示。
图2-1设计原理框图
2.3系统组成
系统主要是由单片机最小控制系统（包括晶振电路，复位电路，供电电源），雨滴感应模块，电机驱动模块组成。
2.3.1单片机的比较与选择
单片机作为系统的核心部件它的选择对整个系统起着很重要的作用。
目前较为广泛应用的单片机有51系列的8位、面向大数字信号处理领域的数字信号处理器（DSP）、增强型的16位单片机机以及32位的AR芯片这几种。
DSP器件在工业控制领域应用很广泛，从长远来看它的应用必将越来越广。
目前DSP器件具有的特性为，运算能力强，速度快，侧重于高端领域使用，其结构功能设计侧重于有大量数字信息处理的场合，但是它的价格较高，开发技术难度大。
ARM芯片的优点是体积小、功耗低、功能广泛和性能高的特点，它主要应用在比较简单的小型的场合。
51单片机是从八十年代就开始流行的处理器，其价格低，开发技术成熟，应用广泛，但不足在于功能过于简单，计算能力有限，并且扩展麻烦、功耗高，已不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求[6]。
本次选择8位控制器的典型代表就是8051微控制器的stc12c5a60s2单片机。
它是一款入门级微控制器，它内核简易，应用广泛，非常适合入门学习使用。
而且它的价格低，对实时性要求不高的电子产品。
STC单片机是一款增强型51单片机，完全兼容MCS．51，还增加新的功能，新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，硬件看门狗，具有掉电模式，512B内存，支持ISP在线编程，不用编程器，程序可擦写10万次。
引脚完全兼容，性能好，驱动能力强；
抗干扰能力强；
功耗更低；
价格也比传统的89系列低。
2.3.2STC12c5a60s2功能特性概述
目前市场上使用比较常见的51系列是STC89C52。
STC89C52是通过低电压，高性能CMOS8位微控制器与4K字节的只读程序可以反复擦写存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的生产，该设备采用了该公司的STC高密度，非易失性存储技术，与标准MCS-51指令集，内置通用8件中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C52单片机可为您提供高性价比的许多应用程序兼容的地方可灵活应用于各种控制领域其。
性能参数如下：
（a）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（b）4k字节可重擦写Flash闪速存储器
（c）1000次擦写周期
（d）全静态操作：
0Hz－24MHz
（e）三级加密程序存储器
（f）128×
8字节内部RAM
（g）32个可编程I／O口线
（h）2个16位定时／计数器
（i）6个中断源
（j）可编程串行UART通道
（k）低功耗空闲和掉电模式
图2-2STC12c5a60s2引脚图
STC89C52单片机提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，stc12c5a60s2可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
（2）STC89C52的内存空间
1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。
2、外部程序存储器（ROM）64K字节。
3、内部数据存储器（RAM）256字节。
4、外部数据存储器（RAM）64K字节。
表2-1程序存储6个特殊地址
0000H
上电或复位入口地址
0003H
外部中断0入口地址
000BH
定时器T0中断入口地址
0013H
外部中断1入口地址
001BH
定时器T1中断入口地址
0023H
串口中断入口地址
在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。
2.4雨滴传感器的分类
2.4.1压电振子原理的雨滴传感器
雨滴传感器又叫雨滴检测传感器，用于检测是否下雨及雨量的大小，广泛用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统中。
在雨滴传感刮水系统中，用雨滴检测传感器检测出雨量，并利用控制器将检测出的信号进行变换，根据变换后的信号自动地按雨量设定刮水器的间歇时间，以便随时控制刮水器电动机;
在汽车智能灯光系统中检测车辆行驶的环境，自动调整灯光模式，提高车辆在恶劣环境下行驶的安全性;
在智能天窗系统中传感器一旦检测到下雨，会自动关闭天窗。
图2-3静电电容传感器
2.4.2雨滴传感器种类
雨滴传感器的种类有:
（1）根据雨滴冲击能量的变化进行检测;
（2）利用静电电容量变化进行检测;
（3）利用光亮变化进行检测。
2.4.3光量变化的雨滴传感器
把半导体发光元件和感光元件配成一对，从发光元件发出的光信号，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光强减弱。
可利用光强的衰减信号控制雨刮器的动作。
前两种雨滴传感器需要放在汽车的外部，而本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。
所以采用第三种方法，利用光强变化来实现的雨滴传感器。
如图2-4为雨滴传感器内部结构图。
图2-4雨滴传感器内部结构图
2.4.4红外雨滴传感器的原理
本设计中的雨滴传感器选用红外雨滴传感器，属于光量变化原理雨滴传感器的一种。
由光（本设计中选用红外线）发射元件发射出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其角度必须在42°
（玻璃-水）和63°
（玻璃-空气）之间。
如果在挡风玻璃上有雨，雨量越大，反射回来的光越多。
从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”，仅当雨水滴到这个区域时，才可以被探测出来。
为使系统灵敏可靠，挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例。
雨滴传感器的原理图如图2-5所示：
图2-5雨滴传感器原理图
2.5显示元件选择
显示器现在最常用的有LED和LCD两种显示屏，LED显示屏显示清晰度高，分辨率高，但是价格相对较高：
LCD显示屏虽然显示清晰度没有LED高，但是LCD显示屏价格相对便宜。
主要考虑到LCD1602的价格便宜，使用方便，我们在学习中接触的也比较多。
所以显示器模块选择LCD1602液晶显示屏。
2.5.1液晶显示简介
①液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
②液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
③液晶显示器各种图形的显示原理:
线段的显示
点阵图形式液晶由M×
N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×
8=128个点组成，屏上64×
16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；
当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；
当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×
8或8×
8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
汉字的显示
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
1602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图2-6所示：
图2-6液晶显示器实物
2.5.LCD1602的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-7所示：
图2-7LCD1602尺寸图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压:
5.0V字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-2所示:
表2-21602引脚功能说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
2.6刮水电机
2.6.1刮水电机型号的编制方法
根据《GB4831-1984电机产品型号编制方法》中规定，电机产品型号由产品代号、规格代号、特殊环境代号和补充代号等四部分按以上顺序组成。
电机产品代号见表2-3。
规格代号见表2-4所示。
表2-3电机产品代号
序号
电机类型
代号
异步电动机（笼型及绕线转子型）
Y
同步电动机
T
同步发电机（除汽轮发电机、水轮发电机外）
TF
直流电动机
ZZD
直流发电机
ZF
汽轮发电机
QF
水轮发电机
SF
测功机
C
交流换向器电动机
H
潜水电泵
Q
纺织用电机
F
表2-4主要系列产品的规格代号
系列产品
规格代号
小型异步电动机
中心高（mm）-机座长度（字母代号）-铁心长度（数字代号）-极数
大型异步电动机
中心高（mm）-铁心长度（数字代号）-极数
小型同步电机
中大型同步电机
小型直流电机
中心高（mm）-机座长度（字母代号）
中型直流电机
中心高（mm）或机座号（数字代号）-铁心长度（数字代号）-电流等级（数字代号）
大型直流电机
电枢铁芯外径（m
升级会员 