汽车智能刮水器控制系统设计方案

2013-12-23任国清孔慧芳张晓雪

汽车电器 2013年4期

任国清，孔慧芳，张晓雪

（1. 安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230009；2. 合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009）

近年来，随着电子技术、计算机技术和总线技术在汽车上的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛发展，该技术大大提高了汽车总体系统的可靠性和可维护性，使汽车智能化和一体化等方面有了较大突破。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刮水器引起。采用手自动结合的智能刮水器控制系统，增加了驾驶员操作刮水器的可选择性，并有效地提高了驾驶员雨天行车的安全性与舒适性。

智能刮水器的控制器、执行电动机和机械机构构成一个完整的自动控制系统。与传统的刮水器控制系统相比，智能刮水器控制系统更加人性化，智能化。该系统采用Freescale公司的MC9S08DZ60为核心控制器来控制整个系统，并运用PWM （脉宽调制）技术实现对刮水直流电动机的调速控制。选择自动档时，在下雨天或有水溅到了风窗玻璃的情况下，驾驶员无需操作，红外雨量传感器感应到雨滴后，刮水器会自动开启，并能够根据雨量的大小自动调节刮雨的速度，雨停后又可以自动停止工作。驾驶员也可以选择手动档，手动档设有低速、高速和间歇档3个档位。

1 智能刮水器控制系统硬件设计

1.1 系统组成与工作原理

智能刮水器控制系统的硬件电路采用模块化设计［2-3］。系统由单片机最小系统、刮水电动机、电动机驱动模块、红外雨量传感器、开关信号输入、档位显示、回位检测、 CAN通信、串口通信等模块组成。系统结构框图如图1所示。

系统的工作原理为：单片机采集开关档位信号和雨量传感器的信号。自动档时，雨量传感器根据风窗玻璃上雨量的大小输出雨量信号，该信号经调理电路处理后送到单片机，单片机判断出雨量的大小后，输出相应的PWM （脉宽调制）信号， PWM信号送到电动机驱动电路，从而实现对刮水器转速的控制；雨停后，刮水器可以自动停止工作。手动档时，单片机根据所采集到的手动档位信号，输出相应的PWM （脉宽调制）信号来控制刮水电动机的转速。另外，单片机通过采集刮水电动机的回位信号，实现了对刮杆的回位控制。

1.2 系统各模块硬件电路设计及其功能

1.2.1 单片机最小系统

系统采用Freescale半导体公司的MC9S08DZ60单片机为核心控制器。 MC9S08DZ60采用高性能、低功耗的8位HCS08中央处理器，具有40 M主频、60 K的片内存储器、 53个I／O端口、 24个中断引脚、支持两种超低功耗模式，同时支持CAN2.0A／B、LIN 2.0和SAE J2602等多种协议［4－5］。该单片机具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。

MC9S08DZ60的工作电压范围为－0.3～5.8 V，而汽车提供的电压为12V。因此，设计电源模块时，选用稳压集成芯片CJ78L05和AMS1117，将汽车的12V电压先转化为5V电压，再转化为3.3V电压。电源模块还向系统的其他电路提供12 V、 5 V和3.3 V电源。

1.2.2 开关信号输入模块

该模块实现停止档、高速档、低速档、间歇档及自动档等开关信号的输入及对这些开关量信号的处理。

1.2.3 雨量采集与处理模块

系统使用红外散射式雨量传感器采集雨量的信号，它安装在前风窗玻璃内侧。如图2 所示，雨量传感器含有一个LED红外发光二极管和一个红外接收光电二极管［6－7］。红外发光二极管将红外光以固定角度（42°～63°）投射到风窗玻璃上，经由风窗玻璃、棱镜反射回到红外接收二极管。

当玻璃表面干燥时，发光二极管发射的红外光线几乎是100%地被全反射回来，这样光电二极管可接收到大量的反射光线。当风窗玻璃表面有雨滴时，入射到风窗玻璃上的红外光线被部分折射掉，接收管接收的光线变少，雨量越大则接收的光线越少，与此同时雨量传感器将输出一串脉冲波，且脉冲波的数量与雨量的大小成正比，如表1所示。

表1 传感器的平均脉冲数与雨量大小的关系

自动档时，单片机通过在给定的时间内对脉冲波计数，并根据脉冲个数来判断雨量的大小。雨量信号处理电路如图3所示。其中RAIN_1为雨量信号输入引脚，该信号经钳位二极管、上拉电阻、滤波电路和非门逻辑电路74HC04处理后，输入到单片机的输入信号捕捉引脚（PD4）。

1.2.4 电动机驱动模块

电动机驱动电路主要实现刮水电动机的驱动与制动。直流电动机的调速方案有3种：一是通过改变电枢电压调速，二是改变励磁绕组电压调速，三是改变电枢回路的电阻调速［8］。本文采用PWM信号来实现第一种调速方案。

在PWM信号作用下，高电平时，电动机通电，其转速增加；低电平时，电动机断电，其转速减小。若按一定规律改变通断的时间，便可使电动机的转速得到控制。因此，在PWM调速系统中，在电源电压不变的情况下，电枢端电压取决于占空比的大小。电动机的电枢电压为

式中： α——占空比， 0≤α≤1； U——电源电压， U=12 V。

另外，直流电动机的转速

式中： n——电动机转速； Ua——电枢电压；Ia——电枢电流； Ra——电枢电阻； Ce——电动势常数； ψ——磁通量。

若忽略电枢电阻压降，则由以上两式可得，电动机的平均转速（图4）为

式中： nd——电动机平均转速； nmax——电动机最大额定转速。

由图4可知， nd与占空比α并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电动机电枢电压Ua与占空比α成正比，改变占空比的大小即可控制电动机的速度。

由以上可知，电动机的转速与电动机电枢电压成比例，而电动机电枢电压与控制波形的占空比成正比。因此，电动机的速度与占空比成比例，占空比越大，电动机转得越快，当占空比α＝1时，电动机转速最大。根据手动档位信号或自动档时采集的雨量信号，单片机输出相应的PWM控制信号，该PWM信号送到电动机驱动芯片BTS7810K，从而实现对刮水电动机的调速控制。

1.2.5 回位检测模块

通过对刮杆的位置检测，能够实现在停止档和间歇档时，使刮杆回位到风窗玻璃的底部（复位位置）。回位检测的位置信号如图5所示，即在蜗轮蜗杆机构的凸轮盘上安装一个凸轮片［9］，外部连搭铁信号（GND）和回位输出信号（BACK）。单片机通过不断检测回位信号，来判断刮杆是否归位。当检测到回位信号时，将产生低电平脉冲。

1.2.6 CAN通信模块

CAN总线是在汽车计算机控制系统中应用最为广泛的现场总线之一。单片机MC9S08DZ60支持CAN2.0A／B协议。使用TLE6250GV33芯片，可方便地实现单片机与车内其他电控模块之间的数据交换。另外，该芯片具有良好的电磁兼容性能，能够适应汽车上的恶劣环境，其电路如图6所示。

1.2.7 串口通信模块

单片机MC9S08DZ60自带2个SCI （串行通信接口），可支持LIN 2.0协议和SAE J2602协议。使用MAX3232芯片，可方便地实现单片机与PC的串行通信。

1.2.8 档位显示模块

采用5个LED灯指示刮水器的工作模式，即慢档、快档、间歇档、自动档、停止档。

2 智能刮水器控制系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法，系统程序由主程序模块和子程序模块组成，主程序通过调用子程序完成数据处理。系统主程序流程图如图7所示。系统开始运行后，采用查询方式查询当前档位信号，并根据检测到的档位信号执行相应的子程序，如此循环往复。在停止档或间歇档时，为保证驾驶员的前方视野不被刮杆档住，系统不断检测刮水器回位信号，通过回位子程序使刮杆回位到风窗玻璃底部。

自动档子程序流程图如图8所示，通过利用单片机的RTC的实时中断功能，实现对雨量脉冲信号计数。当检测到自动档时，开始对雨量输入引脚PTA6的脉冲信号进行计数，并根据所计数值的大小执行相应的子程序。无雨时，输出占空比为0的PWM信号控制刮水电动机；小雨时，输出占空比为50%的PWM信号；中雨时，输出占空比为75%的PWM信号；大雨时，输出占空比为100%的PWM信号。雨量传感器仅仅是用来感知有没有降水发生，对降水的强弱及数量无严格的要求，雨量的界定可依据经验值设定［7］。