郝志廷

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，家用汽車(chē)市場(chǎng)保有量大幅提高，汽車(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)的光量變化原理的紅外雨滴傳感器.該傳感器具有紅外線(xiàn)發(fā)射設(shè)備，其發(fā)出的紅外線(xiàn)在汽車(chē)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(xiàn)，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(mén)、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(xiàn)緩沖門(mén)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(kāi)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(xiě)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(xiě)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(xiàn)，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(xiàn)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(chē)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(chē)的安全性得到了顯著提高.

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