基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器控制系統(tǒng)研究

郝志廷

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，家用汽車市場(chǎng)保有量大幅提高，汽車已經(jīng)成為人們生活中的重要交通工具，隨之而來(lái)的交通安全問(wèn)題也在不斷地增加.據(jù)統(tǒng)計(jì)，駕駛員手動(dòng)操作雨刮器發(fā)生的交通事故占全世界雨天行車交通事故的7%，因此通過(guò)傳感器設(shè)計(jì)安裝一種雨滴智能雨刮器極為必要.雨滴傳感器通過(guò)對(duì)雨量大小的感應(yīng)，自動(dòng)啟動(dòng)雨刮器，避免駕駛員手動(dòng)操作，極大地提高了雨天行車的安全性［1-3］.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，微控制器選用STC89C52單片機(jī)，根據(jù)雨量大小，通過(guò)紅外雨滴傳感器將信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)接收信號(hào)分析判斷雨量大小，然后輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雨刮器的智能控制.相比以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)雨刷系統(tǒng)，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、安全性高.

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制電路模塊、紅外雨量檢測(cè)及感應(yīng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊等組成.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能雨刮器控制系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 雨滴傳感器電路設(shè)計(jì)

文中所使用的雨滴傳感器是一種基于紅外線的光量變化原理的紅外雨滴傳感器.該傳感器具有紅外線發(fā)射設(shè)備，其發(fā)出的紅外線在汽車前擋風(fēng)玻璃的外側(cè)表面通過(guò)全反射的角度反射，它的角度應(yīng)當(dāng)介于42度（即玻璃和水）和63度（即玻璃和空氣）之間.反射光線取決于擋風(fēng)玻璃上的雨量大小，雨量愈大反射光愈多，反之亦然.汽車前擋風(fēng)玻璃能夠接收來(lái)自發(fā)射元件發(fā)出的反射光的區(qū)域叫作雨滴傳感器的“敏感區(qū)域”，只有這個(gè)位置有雨滴滴落時(shí)，才能被紅外雨滴傳感器檢測(cè)到.為了能夠使該智能控制系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性得到保證，必須在敏感區(qū)域和汽車的前擋風(fēng)玻璃區(qū)域之間的比例設(shè)置一個(gè)較為合適的值.圖2為紅外雨滴傳感器的原理示意圖.

圖2 雨滴傳感器的原理圖

雨滴傳感器主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成.由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再由接收管接收，這樣就構(gòu)成一個(gè)光電傳感器.用帶通濾波器把光電傳感器的信號(hào)頻率控制在38kHz上下，然后通過(guò)分頻器對(duì)其進(jìn)行128分頻，從而使脈沖信號(hào)的數(shù)量級(jí)達(dá)到毫秒級(jí)［4］.如此構(gòu)成的硬件圖如圖3所示.

圖3 雨滴傳感器部分硬件圖

發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的光輻射通量，本設(shè)計(jì)中光源定為紅外線，所以發(fā)射模塊由8個(gè)紅外發(fā)射器、一個(gè)555定時(shí)器和電阻電容元件組成.8個(gè)紅外發(fā)射管采用4個(gè)為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)［2］.

發(fā)射器的核心是振蕩器，多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后無(wú)需外接觸發(fā)信號(hào)就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖或方波.可由集成電路反相器、與非門、無(wú)穩(wěn)態(tài)電路、555定時(shí)器等組成.其中555定時(shí)器組成的振蕩發(fā)射系統(tǒng)容易起振，本身的輸出功率較大，常用其組成發(fā)射系統(tǒng).

2.2 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)控制電路的核心是單片機(jī)，主要是利用單片機(jī)的P0口的前四個(gè)引腳，即P0.0～P0.4，利用該四個(gè)引腳一方面通過(guò)四總線緩沖門74LS125對(duì)四個(gè)光電隔離器進(jìn)行控制，另一方面通過(guò)反向驅(qū)動(dòng)器74LS04對(duì)四個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管IRF640進(jìn)行控制.電機(jī)部分硬件圖如圖4所示.

圖4 電機(jī)部分硬件圖

2.3 控制系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)

在本控制系統(tǒng)中，顯示模塊選用的是LCD1602.該顯示模塊能夠較為方便地顯示大小寫英文字母、常用的符號(hào)、數(shù)字等.

圖5為顯示電路.圖中LCD1602芯片的引腳1和2是接電源引腳，分別接電源的地端和電源正極.引腳3可用來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度，經(jīng)10kΩ的電位器與接地端連接，通過(guò)改變電位器的大小來(lái)改變液晶的對(duì)比度.引腳4為寄存器控制引腳，與單片機(jī)的P27引腳連接.引腳5為讀寫控制引腳，與單片機(jī)的P26引腳連接.引腳6是使能控制端，與單片機(jī)的P25引腳連接.引腳7至14是八位數(shù)據(jù)/地址總線，與單片機(jī)的P0口的8個(gè)引腳連接.

圖5 顯示電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

考慮到一些非線性因素會(huì)對(duì)雨刮同步造成一定的影響，我們需要用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng).因此，為了使本控制系統(tǒng)有較好的控制效果，在智能雨刮控制中將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到其中［4-6］.主程序流程圖如圖6所示.

圖6 智能雨刮器主程序流程圖

3.2 雨滴傳感器的流程圖設(shè)計(jì)

由于在該系統(tǒng)中，中心頻率是38kHz的脈沖信號(hào)被128分頻后的頻率大約為300Hz，即周期約為3ms.那么當(dāng)定時(shí)時(shí)間選定為60ms，則在此期間最多可接受20個(gè)脈沖信號(hào)，然后再根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行雨量大小的分配，根據(jù)這一原理可得到雨滴傳感器的程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖7所示.

圖7 定時(shí)器的流程圖

3.3 電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)勵(lì)磁為一定值時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化和電樞電壓的變化成正比，即電壓增加轉(zhuǎn)速提高、電壓減小速度減小.所以可以通過(guò)改變電樞電壓的方式來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速.在該系統(tǒng)中就是采用這種方式來(lái)控制電機(jī)速度的，電樞電壓主要是通過(guò)改變單片機(jī)輸出PWM脈寬信號(hào)的占空比的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的［7］.直流電機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示.

圖8 雨刮器電機(jī)部分流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以單片機(jī)為控制器，通過(guò)紅外雨滴傳感器、電機(jī)控制電路、顯示電路的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)雨量大小的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車雨刮器的智能控制，避免駕駛員在雨天手動(dòng)操作雨刮器，雨天行車的安全性得到了顯著提高.

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［1］任德強(qiáng)，鄔齊榮，龔敏.汽車智能雨刮器專用控制芯片［J］.電子與封裝，2011，11（11）：43-46，48.

［2］黃啟科，麻友良，陳小兵，等.智能雨刮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.公路與汽運(yùn)，2014（1）：18-22.

［3］趙海軍，王洋.一種基于多維標(biāo)度的分布式傳感器定位算法［J］.吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（3）.

［4］陳玉萍.基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(shè)計(jì)與研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（2）：59-60，62.

［5］王明文，吳炳進(jìn).基于CAN總線的智能雨刮控制系統(tǒng)研究［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（2）：63-69.

［6］宋凱，楊合利.汽車智能雨刮器的設(shè)計(jì)［J］.河北農(nóng)機(jī)，2016（10）：30-31.

［7］孫美東，胡仁杰，馬智勇.車載雨刮智能控制系統(tǒng)［J］.電工電氣，2009（12）：31-33+56.