汽车雨刮器自动控制系统设计与实现

汽车雨刮器自动控制系统设计与实现汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现设计总说明本次设计的汽车自动雨刷省去了人为手动操作雨刷的问题，能够自动感应雨量并进行相应的工作。自动雨刷用雨滴传感器作为检测器来感应雨量的大小，把感应信号传给单片机，通过软件的控制驱动芯片自动调节电机的正反转与转动频率。此次设计采用40引脚的单片机AT89S52，设计中运用ULN2003AN驱动芯片来驱动步进电机的运转，克服了电机在低频工作时的噪音大，震动大的缺点。本次设计在一定的程度上为驾驶者提供了舒适性和安全性的保障，避免了由于驾驶者手动操作雨刷的不当而带来的交通安全问题，同时也大大的提高了汽车雨刷的全面性与可靠性。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。关键词：雨滴传感器；步进电机；单片机；雨刮器CarWiperBladeDeignandImplementationofAutomaticControlSytemDeignDecription:rainenor;Steppermotor;MCU;windcreenwiper目录绪论概述雨刮器属汽车附件，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和灰尘等，以保证玻璃透明清晰。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。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、安全、节能和环保的方向发展。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子产品引入到汽车上，智能控制系统也成为汽车革新的主要内容。研究背景随着当今社会经济的迅速发展，对汽车性能的追求则在不断的提升，随着汽车制造业不断的创新，汽车中安装了越来越多自动控制系统，增加了汽车的安全性与舒适性，据统计，在雨天行车，世界上因为驾驶员对雨刷的操作不当而带来的交通事故占6%之多。所有自动雨刷系统的安装对于汽车来说是十分重要的。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一一无支架的刮水器。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。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、强度性能美国标准1975年SAEJ903b推荐在刮动过程中阻挡摇臂15秒，试验后应仍能正常工作。3、 刮刷性能美国标准1975年SAEJ903b推荐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。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。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。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。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。电源模块雨滴传感器单片机电机驱动模块步进电机图2-1设计原理框图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。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tc12c5a602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1SP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。STC12c5a602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Flah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：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flah闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz—24MHz三级加密程序存储器128某8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道(k)低功耗空闲和掉电模式图2-2STC12c5a602引脚图STC89C52单片机提供以下标准功能：4k字节Flah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，tc12c5a602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