德州學(xué)院汽車工程學(xué)院　　宋凱　楊合利

汽車智能雨刮器的設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院宋凱楊合利

汽車雨刮器是用以清掃汽車風(fēng)窗玻璃上的雨水、霜雪及污物等影響駕駛員視野清晰的物質(zhì)的重要裝置。傳統(tǒng)的雨刮器使用時(shí)步驟較為煩瑣，需要駕駛員手動(dòng)開(kāi)啟，這對(duì)行車安全有一定的不良影響。本文針對(duì)傳統(tǒng)雨刮器的諸多弊端進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將雨刮器的刮刷面積增大，加上紅外感應(yīng)器，使之在雨雪天氣可以根據(jù)天氣自動(dòng)開(kāi)關(guān)，達(dá)到智能啟動(dòng)，無(wú)須駕駛員的操作，可以使駕駛員專心駕駛車輛，增加了行車安全性。

雨刮器；雨滴傳感器；設(shè)計(jì)電路

據(jù)統(tǒng)計(jì)，雨天行車時(shí)駕駛員因手動(dòng)操縱雨刮器而造成的交通事故在全世界并不算少數(shù)，目前較多的汽車都安裝有雨滴傳感器，使得駕駛員可以更專注于車輛的駕駛，提高了安全性。汽車傳感器在車輛上的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且也是電子控制系統(tǒng)的信息源，是目前汽車電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展和研究的核心內(nèi)容之一。雨滴傳感器更是汽車智能雨刮器尤為重要的部分也是核心的組成部分。智能雨滴傳感器具有自動(dòng)補(bǔ)償功能和數(shù)字儲(chǔ)存、記憶與信息處理功能，能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，抗干擾能力強(qiáng)，可進(jìn)行近或遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)還帶有自我檢測(cè)功能。采用智能雨刮器，不僅僅免除了駕駛員手動(dòng)操作雨刮器的麻煩，對(duì)提高安全性也有一定的幫助。

1　硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汽車智能雨刮器主要由發(fā)射模塊、接收模塊兩大模塊組成。汽車智能雨刮器的工作原理是通過(guò)發(fā)射模塊發(fā)射出紅外感應(yīng)線，感應(yīng)車輛擋風(fēng)玻璃上的水滴，當(dāng)其穿過(guò)水滴時(shí)會(huì)發(fā)生散射，而對(duì)應(yīng)位置的接收器則根據(jù)接收到的信號(hào)的強(qiáng)弱判斷是否開(kāi)啟雨刮器以及雨刮器的運(yùn)行速率。

1.1發(fā)射模塊

發(fā)射模塊的主要作用是為接收模塊提供充足的光輻射通量，在設(shè)計(jì)中光源選定為紅外線，因此發(fā)射模塊由六個(gè)紅外發(fā)射裝置、一個(gè)555定時(shí)器和電阻電容元件組成。六個(gè)紅外發(fā)射管用2個(gè)為一組、三組并聯(lián)的方式，由接收模塊通過(guò)定時(shí)器控制。

（1）發(fā)射管：發(fā)射管采用深圳光輝光電公司出產(chǎn)的EDIRP5122二極管作為光源，它是一種砷化鎵的紅外線發(fā)光二極管，其波長(zhǎng)在850nm～880nm之間，輸出帶寬λ不超過(guò)80nm。它具有照射的距離較遠(yuǎn)、工作穩(wěn)定可靠以及較容易達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，將二極管分成三組，每組兩個(gè)，利用并聯(lián)的方式連接，保證每一組工作互不影響。

（2）555定時(shí)器作為一種中規(guī)模的集成器件，由模擬和數(shù)字功能相結(jié)合而成。自激振蕩電路是一種由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，當(dāng)電路通電時(shí)無(wú)須外接觸發(fā)信號(hào)就可以產(chǎn)生特定的頻率和幅值的脈沖。其中555定時(shí)器組成的振蕩發(fā)射系統(tǒng)容易起振，本身的輸出功率較大，常用其組成發(fā)射系統(tǒng)。電路如圖1所示。

圖1　555定時(shí)器電路圖

采用555定時(shí)器因?yàn)槠涠嗖捎貌罘蛛娐沸问?，可以更好地?shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。且其振蕩頻率幾乎不受電壓和溫度變化的影響。因此，當(dāng)車輛供電電壓發(fā)生小波動(dòng)以及外界溫度發(fā)生變化時(shí)，555定時(shí)器所受的影響較小，這樣可以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，降低誤差。

1.2接收模塊

接收模塊主要包括紅外線接收裝置、信號(hào)過(guò)濾放大裝置、分頻器等。

（1）接收管

紅外接收管使用由西門子公司生產(chǎn)的SFH320型接收管，它將接收到的紅外光脈沖信號(hào)變成電脈沖信號(hào)后送入帶通濾波器。SFH320是一種NPN型的硅光三極管，其峰值波長(zhǎng)λ≤880nm，線性度和可靠性高。

（2）帶通濾波器

帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量，但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。

（3）分頻器

分頻器用于將有帶通濾波器輸出的頻段進(jìn)行分離、放大，是有用的頻率達(dá)到要求的數(shù)量級(jí)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的有效配合。

（4）單片機(jī)

PCI系列單片機(jī)是美國(guó)微芯科技股份有限公司（Microchip TechnologyIncorporated）推出的一種新型高性能8位系列單片微控制器，它具有實(shí)用、低價(jià)、省電、高速、體積小和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn)，目前在國(guó)美已得到廣泛的應(yīng)用。

2　雨滴傳感器的設(shè)計(jì)

雨滴傳感器是根據(jù)雨量的大小，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成電脈沖的形式傳遞給控制器，使雨刷可以在不同的環(huán)境條件下受到來(lái)自控制電機(jī)的不同的控制，以實(shí)現(xiàn)雨刷智能工作的效果。

（1）光感式雨滴傳感器

光感式雨滴傳感器主要利用光的反射量判斷雨量的大小，通過(guò)電信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)雨刷在高速或低速的形式下工作。光感式雨滴傳感器主要利用紅外光線的反射，當(dāng)車窗玻璃上沒(méi)有雨滴時(shí)，紅外光線的反射量較大，而車窗玻璃上有雨滴時(shí)，紅外光線照射到車窗玻璃時(shí)，由于雨滴的折射作用會(huì)使一部分紅外光折射出去導(dǎo)致接收到的紅外光線變少，當(dāng)打在車窗玻璃上的雨滴大小、速度不同時(shí)，接收的紅外光線就會(huì)不斷地變化，傳感器就會(huì)傳導(dǎo)不同的脈沖，以此控制雨刷的擺動(dòng)速度。

（2）壓電式雨滴傳感器

壓電式雨滴傳感器利用壓電振子的壓電效應(yīng)，將振動(dòng)片的機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)雨滴對(duì)傳感器的沖擊能量轉(zhuǎn)變的電壓波形對(duì)其進(jìn)行控制。根據(jù)不同的電壓波形的變化，可以得到雨量大小狀態(tài)，從而對(duì)雨刷的擺動(dòng)速度進(jìn)行更為精確合理的控制。

（3）雨滴傳感器的軟件程序

雨滴傳感器的軟件程序，采用以頻率為38 k Hz的紅外光，周期為6ms，選定時(shí)間為120ms。在此時(shí)間內(nèi)最多可接受20個(gè)脈沖電波，程序運(yùn)行如圖2所示。

圖2　雨滴傳感器程序運(yùn)行圖

3　結(jié)束語(yǔ)

總體流程通過(guò)紅外光線發(fā)射到反射接受，產(chǎn)生不同的脈沖信號(hào)傳入控制實(shí)現(xiàn)雨刷智能控制。通過(guò)對(duì)硬件及軟件系統(tǒng)的測(cè)試，可以做到基本完整運(yùn)行；采用紅外感應(yīng)裝置，可以提高整個(gè)裝置的精確性，對(duì)不同的雨量環(huán)境通過(guò)電脈沖信號(hào)進(jìn)行高速與低速的智能控制。其成本低，可以廣泛應(yīng)用于車輛，工作穩(wěn)定高效性等特點(diǎn)。

［1］趙巖，張春晶.基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32.

［2］陳永甫.555集成電路應(yīng)用800例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1992.29-30.

［3］李學(xué)海.PIC單片機(jī)［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2004.236-240.

宋凱，男，1993年出生，山東淄博人，本科，研究方向：交通運(yùn)輸。