基于单片机的汽车智能雨刮器控制系统研究

郝志廷

当前我国经济水平飞速发展，家用汽车市场保有量大幅提高，汽车已经成为人们生活中的重要交通工具，随之而来的交通安全问题也在不断地增加.据统计，驾驶员手动操作雨刮器发生的交通事故占全世界雨天行车交通事故的7%，因此通过传感器设计安装一种雨滴智能雨刮器极为必要.雨滴传感器通过对雨量大小的感应，自动启动雨刮器，避免驾驶员手动操作，极大地提高了雨天行车的安全性［1-3］.

1 系统总体设计方案

本系统通过模块化的设计，微控制器选用STC89C52单片机，根据雨量大小，通过红外雨滴传感器将信号传送给单片机，单片机通过对接收信号分析判断雨量大小，然后输出控制信号驱动直流电机的转速和方向，从而实现对雨刮器的智能控制.相比以机械结构为主的传统雨刷系统，本系统稳定可靠、操作简单、安全性高.

本设计主要由单片机控制电路模块、红外雨量检测及感应系统、电机驱动电路模块等组成.其系统结构如图1所示.

图1 智能雨刮器控制系统框图

2 硬件电路设计

2.1 雨滴传感器电路设计

文中所使用的雨滴传感器是一种基于红外线的光量变化原理的红外雨滴传感器.该传感器具有红外线发射设备，其发出的红外线在汽车前挡风玻璃的外侧表面通过全反射的角度反射，它的角度应当介于42度（即玻璃和水）和63度（即玻璃和空气）之间.反射光线取决于挡风玻璃上的雨量大小，雨量愈大反射光愈多，反之亦然.汽车前挡风玻璃能够接收来自发射元件发出的反射光的区域叫作雨滴传感器的“敏感区域”，只有这个位置有雨滴滴落时，才能被红外雨滴传感器检测到.为了能够使该智能控制系统的灵敏度、稳定性、可靠性得到保证，必须在敏感区域和汽车的前挡风玻璃区域之间的比例设置一个较为合适的值.图2为红外雨滴传感器的原理示意图.

图2 雨滴传感器的原理图

雨滴传感器主要由发射模块和接收模块组成.由555定时器构成的多谐振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接收，这样就构成一个光电传感器.用带通滤波器把光电传感器的信号频率控制在38kHz上下，然后通过分频器对其进行128分频，从而使脉冲信号的数量级达到毫秒级［4］.如此构成的硬件图如图3所示.

图3 雨滴传感器部分硬件图

发射模块的主要功能是为接收模块提供足够的光辐射通量，本设计中光源定为红外线，所以发射模块由8个红外发射器、一个555定时器和电阻电容元件组成.8个红外发射管采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动［2］.

发射器的核心是振荡器，多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波.可由集成电路反相器、与非门、无稳态电路、555定时器等组成.其中555定时器组成的振荡发射系统容易起振，本身的输出功率较大，常用其组成发射系统.

2.2 电机控制的硬件设计

电机控制电路的核心是单片机，主要是利用单片机的P0口的前四个引脚，即P0.0～P0.4，利用该四个引脚一方面通过四总线缓冲门74LS125对四个光电隔离器进行控制，另一方面通过反向驱动器74LS04对四个大功率场效应开关管IRF640进行控制.电机部分硬件图如图4所示.

图4 电机部分硬件图

2.3 控制系统显示电路设计

在本控制系统中，显示模块选用的是LCD1602.该显示模块能够较为方便地显示大小写英文字母、常用的符号、数字等.

图5为显示电路.图中LCD1602芯片的引脚1和2是接电源引脚，分别接电源的地端和电源正极.引脚3可用来调节液晶显示的对比度，经10kΩ的电位器与接地端连接，通过改变电位器的大小来改变液晶的对比度.引脚4为寄存器控制引脚，与单片机的P27引脚连接.引脚5为读写控制引脚，与单片机的P26引脚连接.引脚6是使能控制端，与单片机的P25引脚连接.引脚7至14是八位数据/地址总线，与单片机的P0口的8个引脚连接.

图5 显示电路

3 软件设计

3.1 主程序流程图设计

考虑到一些非线性因素会对雨刮同步造成一定的影响，我们需要用人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使两个雨刮同步摆动.因此，为了使本控制系统有较好的控制效果，在智能雨刮控制中将模糊控制技术应用到其中［4-6］.主程序流程图如图6所示.

图6 智能雨刮器主程序流程图

3.2 雨滴传感器的流程图设计

由于在该系统中，中心频率是38kHz的脉冲信号被128分频后的频率大约为300Hz，即周期约为3ms.那么当定时时间选定为60ms，则在此期间最多可接受20个脉冲信号，然后再根据脉冲个数进行雨量大小的分配，根据这一原理可得到雨滴传感器的程序设计流程图，如图7所示.

图7 定时器的流程图

3.3 电机控制系统软件设计

当励磁为一定值时，直流电机的转速的变化和电枢电压的变化成正比，即电压增加转速提高、电压减小速度减小.所以可以通过改变电枢电压的方式来控制直流电机的转速.在该系统中就是采用这种方式来控制电机速度的，电枢电压主要是通过改变单片机输出PWM脉宽信号的占空比的大小来进行调节的［7］.直流电机控制的程序设计流程图如图8所示.

图8 雨刮器电机部分流程图

4 结语

本文以单片机为控制器，通过红外雨滴传感器、电机控制电路、显示电路的软硬件设计，通过对雨量大小的感应实现了对汽车雨刮器的智能控制，避免驾驶员在雨天手动操作雨刮器，雨天行车的安全性得到了显著提高.

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［1］任德强，邬齐荣，龚敏.汽车智能雨刮器专用控制芯片［J］.电子与封装，2011，11（11）：43-46，48.

［2］黄启科，麻友良，陈小兵，等.智能雨刮控制系统设计［J］.公路与汽运，2014（1）：18-22.

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［4］陈玉萍.基于单片机的汽车智能雨刮器设计与研究［J］.数字技术与应用，2013（2）：59-60，62.

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［6］宋凯，杨合利.汽车智能雨刮器的设计［J］.河北农机，2016（10）：30-31.

［7］孙美东，胡仁杰，马智勇.车载雨刮智能控制系统［J］.电工电气，2009（12）：31-33+56.