汽车感应雨刷技术可行性报告

1、汽车感应雨刷技术 可行性报告 学 院: 专 业： 目录一 绪论11.1 研究背景11.2 研究内容2二 感应器选择32.1 电容式雨刷感应器原理32.2 光学式雨刷感应器原理32.3 论证选择4三 汽车感应雨刷系统设计53.1 设计思路53.2 传感器工作方式53.3 系统构成及原理63.4 系统工作过程73.5 系统元器件选择8四 实际中的应用10五 设计总结及体会11六 参考文献11一 绪论1.1 研究背景汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具朝着满足人们需求和安全，节能，环保的方向发展。为了满足人们对汽车日益提高的要求，汽车研发及生产机构必然要将越来越多的电

2、资产品映入到汽车上。据有关资料报道，在汽车上的电子元件的相关价值已经从20世纪70年代的零增长到2013年的中级汽车的73%左右，电子系统也成为了汽车革新的主要内容。 据统计，在全世界雨天行车有7%的事故是由于驾驶员手动操作雨刷引起的，采用雨水感应式智能雨刷控制系统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。国内外许多汽车厂商研制以雨水传感器为基础的汽车智能雨刷控制系统，来代替传统的机械结构的雨刷器。在传统机械雨刷系统中,驾驶者手动控制雨刷器速度转换开关,通过改变雨刷器摆动速度, 以求快速清除附着在挡风玻璃上的雨水; 然而, 手动切换雨刷器转换开关, 必然影响行车注意力, 造

3、成不必要的危险。如果开发出在汽车行驶中检测到雨滴后雨刷器就自动工作的智能雨刷系统，至少可以将现在的雨刷器减少了3个开关。这样，驾驶员就无需调节雨刷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刷器，所以驾驶者就可以集中精力开车。为此，实现以下设想：下雨时（有雨水且落在汽车挡风玻璃上时），能自动开启汽车挡风玻璃下方的雨刷，雨越大，雨刷运动速度越快。这是相当有必要的。1.2 研究内容汽车雨量传感器是汽车传感器应用中的新型传感器，是应用研究的热点。20世纪60年代，汽车上仅有机油压力、油量、水温等传感器。到现在，一辆汽车上大约装备50多个传感器，豪华汽车上装

4、备传感器的数量在200多个以上4。车用雨量传感器检测雨量的方法有电容式、红外散射式如图1.1和1.2所示。正常天气情况下，电容式传感器有一固定的电容值，当有雨下到电容的两极之间时，改变了电容的介电常数从而改变电容值，以此判断雨量的大小。红外散射式是目前产品化雨量传感器，传感器自身发出红外光线透过玻璃入射到玻璃外表面，当有雨时，雨滴对光产生散射，从玻璃反射回传感器接收端的光线变弱，从而判断是否下雨、雨量大小。 图1.1 电容式雨量传感器 图1.2 红外散射雨量传感器二 传感器选择2.1 电容式雨量传感器原理电容式雨量传感器的原理是雨量变化引起电容的介电常数发生变化，从而引起电容变化，这样就建立起

5、雨量变化与电容变化之间的对应关系，通过测量电容的变化，就可以知道雨量的大小。当电容的极板面积和极板间的距离一定时，电容大小与极板间的介电常数一一对应。如下图左所示为电容极板间无雨时的情形，这时的极板间的填充物为空气，下图右所示为电容极板间有雨时的情形，此时极板间的填充物为雨滴，有雨空气和雨滴的导电性能不一致，导致这两种情况下的介电常数发生变化。为了增大电容式雨量传感器的检测电容，一般将电容做成锯齿形。电容变化检测电路，一般采用RC或LC振荡电路，通过测量振荡电路的频率，间接测量电容变化，测量电容变化也就测量出雨量的变化情况。 电容间无雨时 电容间有雨时2.2 光学式雨量传感器原理光学式雨量传感

6、器原理如图所示，其原理是，把半导体发光元件和敏感元件做成一对，发光元件发出的光按照一定角度照射到汽车挡风玻璃上，经过汽车挡风玻璃的散射后，部分光反射回来被敏感元件接受，并转化成电信号，如下图左所示。当汽车挡风玻璃上有雨滴时，散射增强，反射回来的光线减少，则敏感元件接收到的光线减弱，转化出的电信号也减弱，因此能通过测量敏感元件输出电信号强弱变化情况，得知汽车挡风玻璃上雨量变化情况，如下图右所示。无雨时的工作情况 有雨时的工作情况2.3 方案论证比较电容式雨量传感器是把雨水传感器安装在汽车的外面，雨滴直接滴在传感器上，光学式雨量传感器是把雨水传感器安装在挡风玻璃驾驶室一侧，通过雨滴滴落在玻璃上引起

7、反射光强的变化感应传感器。基于各类雨水传感器的性能，工作环境及价格等方面的考虑，设计中采用的是光学式雨量传感器。三 汽车感应雨刷技术实现及过程3.1 系统的设计思路系统的设计思路：运用汽车雨量传感器对环境雨量大小的检测，把信号输单片机系统，通过程序控制步进电机根据相应的环境做出不同的转动。比如当小雨时，雨刮器自动工作在小雨运行方案（雨刷电机转动一个来回后停止10s后继续运行），当中大雨时，雨刮器自动工作在中大雨运行方案（雨刷电机转动一个来回后停止5s后继续运行），当大雨时，雨刮器自动工作在大雨运行方案（雨刷电机转动一个来回后继续运行）。3.2光学式雨量传感器工作方式光学式雨量传感器是将被测量的

8、变化转换成光的变化，再通过光学元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，雨量传感器是基于光强变化的原理。由红外光发射元件发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-空气）和63（玻璃-水）之间。如果在挡风玻璃上有水，一些光会折射出，且这会引起红外感光元件接收到的反射光减弱。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。雨量传感器安装在车内挡风玻璃上的后视镜后面,自动雨刷控制系统检测部分由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接

9、收器等部件组成。红外光源发射器将红外光以固定角度投射到挡风玻璃上,经由挡风玻璃、棱镜反射回到红外光源接收器;在挡风玻璃足够清晰的情况下,红外光源接收器收到的红外线总量与红外光源发射器发出的红外线总量基本相等;当有雨滴落在挡风玻璃上时,部分红外线会因为雨滴的折射而分散到外部,导致红外光源接收器收到的红外线总量小于红外光源发射器发出的红外线总量。3.3 系统构成及原理汽车感应雨刷系统主要由雨量传感器、控制器、雨刷器电机、雨刷器机构、挡风玻璃、LIN总线接口等主要部件构成。其中，红外光源接收器将接收到的红外光线信号转化为模拟电压信号,通过数字信号控制器片上10位精度模拟数字转换单元,得到对应数字信号

10、,结合由LIN总线上获得的挡风玻璃清晰度设定值等信息,共同送给模糊控制器。雨刷器摆动的实现通过雨刷器电机带动雨刷器机构来完成。雨刷器电机使用小型步进电机,利用数字信号控制器片上P W M信号发生器,将适当P W M脉冲施加到MOSFET（场效应管）驱动器上,驱动器通过控制MOSFET管的开通、关断顺序和时间,从而实现对步进电机速度、位置的控制。设计的汽车自动雨刷控制系统是基于AT89C2051单片机、汽车雨量传感器和雨刷电机并通过软硬件的设计综合实现的。而且本系统中采用步进电机取代传统的雨刷电机（传统雨刷电机为直流电机），目的是运用步进电机控制精度高等特点，使系统更加的稳定可靠。电源电路传感器

11、时钟电路复位电路单片机步进电机驱动芯片步进电机汽车自动雨刷控制系统结构框图3.4 系统的工作过程雨量传感器检测挡风玻璃上有雨滴启动电源 系统停止工作线圈KM1得电，电机正转 挡风玻璃上无雨滴反转到行程开关SQ1正转到行程开关SQ2，KM2得电，电机反转 雨量检测装置由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接收器等部件组成。红外源发射器将红外光以固定角度投射到挡风玻璃上， 经由挡风玻璃、棱镜反射回到红外接收器； 在挡风玻璃清晰的情况下， 红外线接收器收到的红外线总量与红外发射器发出的红外线总量基本相等。当有雨滴落在挡风玻璃上时， 部分红外线会因雨滴的折射而分散到外部， 导致红外接收器收到的红外线

12、小于红外发射器发出的红外线总量。通过对红外线总量的检测，判断雨量的大小， 进而发出刮水请求到雨刷控制器， 完成不同挡位的刮水行为。3.5 系统元器件的选择：3.5.1 雨量传感器的选择：利用光强变化的雨水传感器光源可分为可见光和红外光两种。可见光易受外界环境的影响，红外光受外界环境影响小，且易于检测。故选用红外式雨量检测装置。红外式雨量检测装置原理图如下：3.5.2 控制器的选择：选用AT89C1051，有以下特点：1k字节EPROM、64字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V

13、的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。3.5.3 电机的选择：运用步进电机，特点：控制灵活、精度高，并将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的无累积误差，精度高。在价格方面步进电机也很便宜，市场供货也很多。四 实际中的应用1. 带有雨量感应器的自动雨刷传感器安装在风挡玻璃的上面:一般在车内后视镜的后面，这种车的车内后视镜都是安装在前风挡玻璃上的

14、，利用的是光线的反射原理制成的，也就是说，当下雨的时候，因为室内和室外的温度不同，去风挡玻璃上会形成薄雾，雨量越大，外面温度月底，玻璃上的水就越多。这样传感器发射器发出的光线在玻璃上反射的时候就会产生漫反射，只有少量被接收器接收到，接收器根据接收到的光线的多少来确定雨量大小，从而控制雨刷的高低速或者是间歇工作的间歇时间。 2.雨量传感器应用在天文台、自动气象站雨量传感器适用于气象台（站）、水文站、农林、国防等有关部门用来遥测液体降水量、降水强度、降水起止时间。用于防洪、供水调度、电站水库水情管理为目的水文自动测报系统、自动野外测报站，为降水测量传感器。五 设计总结和体会这次报告是我们传感器与检

15、测器技术课程知识综合应用的实践训练，有点像写毕业设计的论文。开始感觉无从下手，要涉及的知识太多了，“千里之行始于足下”，通过这次感应式汽车雨刷的设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。这次大作业不仅是对我们所学知识的一个检测而且为我们以后搞毕业设计或者是到工作中设计工业产品做了一个很大的铺垫作用。说实话，这个报告完成的确是有很大的困难，因为它涉及到很多其他学科所学的知识，我只能到网上搜索相关的资料，根据资料及我们在课程上所学知识，跟同学讨论，然后进行设计。然而，当我们最后将整个感应式汽车雨刷设计完成时，一种少有的成功喜悦感。虽然这是我们刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己学到了很多。 通过这次设计，使我们深深体会到，干任何事都必须耐心，恒心。虽然这只是一次报告，但使我们发现了所掌握的知识是真正如此的缺乏，综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，所以以后不仅要学好课堂课程，还要多学一些对以后工作有帮助的学科。六参考文献1 蒋峻峰.基于单片机的红外通信设计J.电子设计应用,2003(11)2 高光天.模数转换器应用技术M.2001年第1版.科学技术出版社.2001.3 杨帮文. 现代新潮传感器应用手册M.第一版. 北京：机械工业出版社，2006.80120.4 江思敏，姚鹏翼，胡荣等.Pro