汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路设计

李延廷

（北京信息职业技术学院，北京 100070）

1 引言

在《汽车综合控制系统应用与调试》课程教学中，我们需要设计汽车雨量检测与雨刷器仿真控制电路。若采用实际汽车上的雨量传感器检测雨量，就需要设计一个片状的、水量可调节的喷水头，以便仿真自然条件下的降雨环境。这就需要在实训室安装供水管线，造成实训室管线较密，既不美观，也存在安全隐患。同时，由于这些供水管线仅用于汽车雨量检测与雨刷器仿真控制实验，利用率低。因此，我们考虑采用其他方法仿真出雨量传感器检测的雨量信号，并且检测原理也与雨量传感器基本相同。为此，我们课题组设计基于雨量传感器工作原理的雨量检测与雨刷器仿真控制电路。

2 雨量检测仿真电路设计

2.1 实际雨量传感器工作原理

红外光雨量传感器内部含有红外发光二极管和红外光电管。发光二极管发出的光按以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，大部分光反射回到光电管，并转化成电信号。当汽车挡风玻璃上有雨水时，散射增强，反射回来的光线减少，光电管接收到的光线减弱，转换出的电信号减弱。因此通过测量光电管输出电信号的强弱变化，就能得知汽车挡风玻璃上的雨量变化。

2.2 基于雨量传感器工作原理的雨量检测仿真电路设计

2.2.1 红外光发射电路

红外光发射管采用硅光电二极管，它具有暗电流小、噪声低、受温度影响小，价格便宜等优点。红外光发射管D1～D3 并联（图中仅画1 个），采用脉宽调制驱动，工作在38kHz 的频率下。采用这种方式可以减少发射电路的功耗。脉冲发生器由NE555 时基集成电路外加若干阻容元件构成。由于红外光线肉眼不可见，所以可在红外光发射管旁边并联绿色光电二极管指示红外光发射管是否正常工作。

2.2.2 红外光接收电路

红外光接收电路由红外光专用集成接收芯片LF0038 和若干阻容元件组成，如图2 所示。LF0038 内部电路由红外光电二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路及比较器等组成。红外光电二极管将光信号转变为交流电信号，并把电信号送到放大器和限幅器，进行信号放大和信号幅度限制。交流电信号送入带通滤波器，带通滤波器让频率为30kHz～60kHz 的交流信号（负载波）通过，即获得38kHz 负载波信号。38kHz 负载波信号经解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平信号，从而还原出红外光发射电路端的信号波形。注意：红外光接收电路输出的信号波形与红外光发射电路输出的调制信号波形的相位相反，目的是为了提高接收灵敏度。LF0038 共有3 个引脚：1 脚为输出，2 脚接地，3 脚接电源（2.7V～5.5V）。当LF0038 接收不到38kHz 的脉冲信号时，1脚输出高电平；当接收到38kHz 的脉冲信号时，1 脚输出低电平。在室外降雨环境中，当有雨滴降落在挡风玻璃的敏感区时，LF0038 的l 脚输出脉冲信号。单位时间内的雨量越大，则脉冲信号的脉冲越密集；单位时间内的雨量越小，则脉冲信号的脉冲越稀疏。

2.2.3 模拟雨量转盘及转盘驱动电路设计

在实训室环境下，我们利用涂上黑白两种色彩的转盘模拟降雨环境。转盘上的白色区域主要反射红外光，黑色区域主要吸收红外光。转盘转动过程中，黑色区域吸收红外光，引起红外光反射量减少。随着转盘转动，LF0038 的光敏感面接收的红外反射光照度发生变化。在转盘转速保持不变时，LF0038 输出端输出的周期性脉冲信号波形不变。随着转盘转速增大，LF0038 输出脉冲信号的脉冲越密集，脉冲信号的电压越大；随着转盘转速减小，LF0038 输出脉冲信号的脉冲越稀疏，脉冲信号的电压越小。因此，可以根据LF0038 输出脉冲信号的电压的大小判断转盘转速的大小（即模拟的雨量大小）。至此，可看出：用转盘的转速模拟雨量的大小是可行的。为得到可变化的雨量（即变化的转盘转速），可用直流电机带动转盘旋转，而直流电机由电机专用驱动芯片L9110 驱动。L9110 的引脚功能如下：1 脚-A 路输出；2、3 脚-电源电压；4 脚-B 路输出；5、8 脚-地线；6 脚-A 路输入；7 脚-B 路输入。由L9110 和直流电机组成的转盘驱动电路如图3 所示。

图1 红外光发射电路

图2 红外光接收电路

图3 转盘驱动电路

图4 AC/DC转换电路

图5 单片机控制系统电路框图

3 AC/DC 转换电路设计

AC/DC 转换电路设计主要由Ture RMS/DC 转换器AD536A 及外围阻容元件组成的AC/DC 转换电路如图4 所示，用于将红外光接收电路输出脉冲交流信号转换为直流信号。

4 单片机控制系统电路

单片机控制系统电路框图如图5 所示。单片机系统用于对A/D 转换电路送来的调速数据、雨量数据进行处理，并输出控制信号控制转盘、雨刷器改变转速；A/D 转换电路将调速电压信号、AC/DC 转换电路输出信号转换调速数据、雨量数据；键盘显示电路用于雨刷器工作模式，显示雨量值；转盘调速电路用于提供调速电压信号；转盘驱动电路和雨刷器驱动电路结构相同，在单片机系统控制下驱动转盘电机改变转速，驱动雨刷器电机改变转速和变换工作模式。5V 直流稳压电源用于给整个系统提供5V 直流电压。

5 单片机控制系统控制程序设计

单片机控制系统控制程序采用C 语言编写而成，主要包括系统初始化程序、A/D 转换与数据储存程序、调速数据与模拟雨量数据处理程序、键盘扫描程序、显示程序、雨刷器或转盘驱动程序等功能模块。整机系统上电后，系统控制程序控制下，单片机系统开始初始化；按下雨刷器启动键，雨刷器按设定模式工作；旋转调速旋钮，调速信号A/D 转换后送到单片机系统，经单片机系统处理后，控制转盘驱动电机改变转速。转盘转速变化后，模拟雨量信号发生变化。模拟雨量信号经AC/DC 转换、A/D 转换后送到单片机系统。单片机系统对雨量数据进行处理后，输出控制信号控制雨刷器电机改变转速。具体体现为：随着调速旋钮向增速方向旋转，可到雨刷器电机转速增加。

结语

目前，汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路已在教学中得到应用，并且运行稳定、效果良好。系统控制源程序代码对学生公开，在开展汽车雨量检测与雨刷器仿真控制实训项目教学时作为学生学习的参考资料。正是由于我们设计了汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路（含软件）实训台，学生能够更好地培养学生设计汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制硬件电路和控制程序的设计能力，有效地提高学生的汽车单片机技术应用能力。

[1]赵岩，王哈力，等.一种新型红外线汽车雨水传感器的设计[J].传感器世界，2006（08）.

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[3]张文灼.单片机技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4]高惠芳.单片机原理与应用技术[M].北京：科学出版社，2010.