龔芮 張志鵬 馬楊 魏文杰 白洋 石家莊鐵道大學(xué)

1 引言

科技進(jìn)步，智能汽車如雨后春筍，智能雨刷作為智能汽車的一部分，同樣具備著技術(shù)發(fā)展空間和研究意義。傳統(tǒng)雨刷系統(tǒng)以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主,采用手動(dòng)方式調(diào)整雨刮器擋位,駕駛員依據(jù)雨量大小不斷切換擋位,容易分心,引發(fā)安全事故。本文介紹的光學(xué)感應(yīng)式智能雨刮控制系統(tǒng)依靠單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)射出紅外線射入擋風(fēng)玻璃,反射后通過接收端光敏二極管接收檢測(cè),單片機(jī)通過對(duì)接收光線強(qiáng)弱的判斷分析檢測(cè)玻璃上雨刮遠(yuǎn)不及的優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由紅外發(fā)射、接收電路、開關(guān)信號(hào)電路、雨刮電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。系統(tǒng)ECU選用廉價(jià)實(shí)用的STM32F103單片機(jī),具有PWM、數(shù)模轉(zhuǎn)換、CAN等模塊，滿足檢測(cè)雨量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，STM32F103單片機(jī)首先控制紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，接受并調(diào)試出紅外線接受管的編碼脈沖，與預(yù)設(shè)脈沖數(shù)量比較，判別雨量大小，接著輸出脈寬信號(hào)，控制直流電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雨刮電機(jī)動(dòng)作帶動(dòng)雨刮臂或者調(diào)節(jié)雨刮器的頻率。整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試損耗小，操作簡(jiǎn)便，可靠有效。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 光學(xué)式傳感器

傳感器裝置由玻璃棱鏡、紅外線發(fā)射管和接受管組成。紅外線由發(fā)射管射出，以固定角度投射到擋風(fēng)玻璃上，反射到接收管，此時(shí)接收與發(fā)射的紅外線光總量相同；當(dāng)有雨落在玻璃上，雨水的折射率與玻璃不同，部分紅外線會(huì)發(fā)生折射，此時(shí)接收的紅外線光與發(fā)射的總量不相同，可通過比較計(jì)算來得出玻璃上的雨量情況，如圖2所示。

紅外線發(fā)射管采用硅光電二極管，減少發(fā)射電路的功耗，利用單片機(jī)產(chǎn)生方波來驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射管。紅外接收器由光接收二極管、放大電路、帶通濾波電路和檢波電路組成。放大電路將信號(hào)放大，帶通濾波電路過濾干擾信號(hào)，檢波電路檢出原始信號(hào)，集成電路HS0038B接收并輸出脈沖信號(hào)給單片機(jī)。

圖2 玻璃雨量情況

2.3 雨刷電機(jī)

雨刮電機(jī)慢擋驅(qū)動(dòng)電路如圖3。OUT_1 引腳接驅(qū)動(dòng)電機(jī)慢擋輸入端，CON_OUT_1 引腳輸入高電平時(shí)，器件OUT_1 引腳就輸出電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。同時(shí)CHECK_OUT_1引腳可采集到器件的故障診斷信號(hào)，器件和負(fù)載正常時(shí)，CHECK_OUT_1 引腳為高電平；若引腳為低電平則表示器件過熱或負(fù)載開路故障?；驹硎峭ㄟ^單片機(jī)改變輸出的PWM脈寬信號(hào)來調(diào)節(jié)或改變直流電機(jī)的中樞電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制雨刷轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。

圖3 雨刮電機(jī)慢擋驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)及功能

主程序設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化和在不同情況下對(duì)工作模式的選擇，主要分為自動(dòng)模式與手動(dòng)模式。在有雨的情況下，按下自動(dòng)擋按鈕，雨刮系統(tǒng)根據(jù)雨量的大小能自動(dòng)調(diào)節(jié)雨刮速度。如果雨刮出現(xiàn)故障，則進(jìn)行報(bào)警，自動(dòng)模式關(guān)閉，手動(dòng)模式開啟。

自動(dòng)模式：設(shè)置不同的峰值（閥門），比如小雨時(shí)接收到的脈沖信號(hào)是三個(gè)，而中雨的峰值是五個(gè)信號(hào)，所以系統(tǒng)選擇小雨的刮雨工作狀態(tài)。同時(shí)隨著時(shí)間變化，系統(tǒng)程序接收信號(hào)個(gè)數(shù)也在改變，我們可設(shè)置一定時(shí)間內(nèi)（例如1min）接收信號(hào)，來更好的對(duì)應(yīng)雨量控制雨刷速度。

手動(dòng)模式：手動(dòng)模式是在自動(dòng)模式出現(xiàn)故障的情況下工作，作為備用?？鞕n子程序、慢檔子程序跟手動(dòng)擋的子程序一致，可以直接調(diào)用；間歇檔子程序采用系統(tǒng)預(yù)設(shè)的固定間歇時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，即定時(shí)器中斷的方法。系統(tǒng)對(duì)雨刮電機(jī)慢檔接線的導(dǎo)通時(shí)間和間歇時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，設(shè)定雨刮電機(jī)通電時(shí)間與斷電時(shí)間。

4 結(jié)語

隨著智能汽車的快速發(fā)展，智能型雨刮系統(tǒng)有良好的市場(chǎng)前景。本文針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械雨刷的種種缺點(diǎn)和不足，提供了基于光電式傳感器、由STM32單片機(jī)控制的智能雨刮系統(tǒng)。文章從硬件和軟件兩個(gè)方面具體介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)組成、主要功能模塊等等。系統(tǒng)利用光電傳感器檢測(cè)雨量并自動(dòng)調(diào)整雨刷頻率，選擇合適擋位；給予司機(jī)更好的駕駛體驗(yàn)和安全保障，從而實(shí)現(xiàn)了雨刮系統(tǒng)的智能化。