毕业设计---基于模糊模型的自动雨刷控制系统设计方

毕业设计---基于模糊模型的自动雨刷控制系统设计方
摘要
提出了一种基于模糊模型的自动雨刷控制系统设计方法。

该系统通过红外雨量传感器检测雨量大小，使用模糊控制算法和脉宽调制技术调节雨刷器的速度；给出了系统的总体结构和具体设计方法。

实验表明，本文所提出的自动雨刷控制系统性能可靠、反应灵敏、控制效果良好。

Abstract:
This paper presents a fuzzy model-based automatic wiper control system design method. The system through the infrared sensors detect rain rainfall size, the use of fuzzy control algorithm and pulse width modulation speed wipers regulation; given the overall structure of the system and the specific design methods. Experiments show that the proposed control system for automatic wipers reliable, responsive, effective control.
关键字：雨量传感器、PLC
目录
摘要 (1)
1 绪论 (3)
2 简介 (5)
2.1、说明 (5)
2.2、内容 (5)
2.3、目的 (7)
2.4、组成部分 (7)
3 控制部分 (7)
3.1智能雨刷工作循环流程 (7)
3.2智能雨刷电器设备清单 (8)
3.3电器元件传感器 (8)
3.4可编程控制器 (14)
3.5智能雨刷的机械结构 (14)
4 智能雨刷电气控制原理 (17)
5 刮水器常见故障分析与检测 (19)
6 小结 (20)
7 参考文献 (22)
8 附图（表） (23)
1绪论
随着社会的不断发展，在当今科学技术不断变化的时代，各种新技术、新工艺、新材料、新设备的不断出现，已不再是单纯某一门学科技术的发展，而是各门相关学科、多种先进技术的互相渗透和相辅相成的结果。

机电一体化技术就是这样的一种新技术，它是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的综合技术。

其实质是从系统观点出发，运用过程控制原理，将机械、电子与信息、检测等有关技术进行有机组合，实现整体最佳化。

机电一体化技术从根本上改变了工业生产的面貌。

在现代各种工业生产中，微机作为机电一体化技术的大脑，取代了常规的控制系统。

机械结构是其主体和躯干，各种仪器、仪表、传感器是其感官，它们感受各种信号的变化，并反馈到大脑(微机)中，各种执行机构则是它的手足，用以完成生产加工所必需的动作。

一个完整的机电一体化系统，一般包括微机、传感器、动力源、传动系统、执行机构等部分。

机电一体化的实质是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功
能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。

机电一体化技术在现代生产中的运用使机械结构大为简化，并逐步取代了过去传统的继电器、接触器控制电路，对于继电器、接触器控制电路，其复杂程度随着执行机构的增多，以及调整部位的增加而加大，使得机器也越来越复杂，给制造、调整、使用和维修均带来不便。

而机电一体化，可用微机、传感技术、新型传动技术取代笨重的电气控制柜和驱动装置，使零部件数量剧减，结构大为简化，体积也随之缩小。

智能雨刷系统是机电一体化技术在汽车上的综合运用。

雨刷系统是汽车的重要安全设备之一。

在传统机械雨刷系统中，驾驶者手动控制雨刷器速度转换开关，通过改变雨刷器摆动速度，以求快速清除附着在挡风玻璃上的雨水；然而，手动切换雨刷器转换开关，必然影响行车注意力，造成不必要的危险，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雨刷系统引起的。

针对机械雨刷系统的缺点，工程技术人员提出了自动雨刷系统。

在自动雨刷系统中，控制器通过雨量传感器检测降雨量大小，进而控制雨刷器摆动速度。

自动雨刷系统在使用过程中不需要驾驶员干预，可自动保持挡风玻璃清晰，增加了行车安全；但是，对于这种自动雨刷系统来说，挡风玻璃是否清晰的判定完全由雨刷系统生产厂家确定，驾驶者不能根据自身需要进行改变；没有考虑与汽车中控制单元的接口，不符合现代汽车采用CAN、LIN总线式车身通讯系统的发展趋势；挡风玻璃上附着有较大的固体物时，由于缺少适当系统保护措施，可能因用力刮除该固体物而引起雨刷系统的损坏；另外，除了机械部件外，现有自动雨刷控制系统的核心电子控制模块多数依赖进口，与我国汽车工业倡导的汽车电子零部件国产化的发展趋势不符。

基于上述考虑，本文提出一种基于模糊模型的改进自动雨刷控制
系。

该系统使用红外光发射和接收器来构成雨量传感器，采用LIN 总线与汽车中控单元接收口，来自汽车中控单元的用户输入信息和来自雨量传感器的检测信号作为系统输入，通过构建模糊控制计算法，实现对雨刷器摆动速度的控制。

2简介
2.1汽车智能雨刷的说明：
该设计为汽车智能雨刷，其主要功能是挡风玻璃在雨天、雾天或模糊时，雨刷能够自动清理挡风玻璃上的雨露、杂物等，能够使挡风玻璃清洁、干净、透明度好。

智能雨刷不仅能提高驾驶安全系数，而且使驾驶充满乐趣。

本产品是机电一体化技术在生活、生产中的有效利用。

本产品将机、电、有效的结合在一起，通过控制，实现自动化生产。

本产品不仅结构简单，使用方便，而且成本较低，容易进行操作控制。

实现了自动化生产，因而大大的减少了手工劳作，不仅有效的提高了工作质量，而且大大的提高了工作的生产效率。

2.2汽车智能雨刷的内容：
该智能雨刷主要有以下几个部分组成：
2.2.1雨刷清洁器
雨刷清洁器的基本功能：该挡风玻璃在雨天、雾天或模糊时，雨刷能够自动清理挡风玻璃上的雨露、杂物等，采用体积小、移动方便的台式结构，有利于提高工作效率；
2.2.2雨量传感器
雨量传感器的基本功能：雨量传感器用来检测挡风玻璃上是否有雨水。

根据雨量传感器输出信号。

2.2.3直流电动机
直流电动机的基本功能：直流电动机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。

作电动机时，将直流电能转化为机械能。

2.2.4电气控制部分
电气控制部分：是该产品的核心，是各个系统的基础，通过信号的传递和传输实现工作的自动进行。

2.2.5可编程序控制器
它是该产品的核心，是各个系统的基础，通过信号输入和输出实现工作的自动进行。

2.2.6机械机构
其中每一个工作单元都可以自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统，各个单元的执行机构基本上都是电执行机构。

2.2..7 轿车风窗刮水与清洗系统。

其中 [ 刮水器开关] 分五个档位：
（1）关闭档（2）间歇档（3）低档（4）高档（5）自动档
A: 低档、高档、关闭档：可采用手动控制.调到相应的档位，通过中央处理器中的线路联系给予相应的档位变换。

B: 间歇控制档：在毛毛雨时，雨量稀少，如果刮水器仍按原来样子不断的工作，不仅会引起刮片震动，而且会损坏玻璃。

其工作方式也是利用电子间歇刮水器实现动作。

分为可调式和不可调式。

例：可采用无稳态方波发生器控制的间歇刮水器。

C:自动档：所谓自动档，就是指雨刷的摆动速度会随雨量的大小进行相应的变化，即雨量的大小会影响光电强度，从而通过中央处理器来改变雨刷的动作快慢
2.3智能雨刷的研究目的
智能雨刷控制系统综合应用到多种技术知识，如：技术、机传感器应用技术、PLC控制技术等。

通过该系统，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，以便于更清晰、更明了的让工作人员熟悉其工作原理，并通过此项设计熟练的掌握各项技术。

2.4智能雨刷的组成部分：
该说明书主要包括以下几个部分：
Ⅰ、智能雨刷工作循环流程
Ⅱ、智能雨刷电气设备清单
Ⅲ、部分电器元件
Ⅳ、可编程序控制器
对上述几部分内容将一一介绍如下
3控制系统
3.1智能雨刷工作循环流程
基于模糊模型的自动雨刷控制系统的基本结构如图1所示，主要由雨量传感器、雨刷器机构、挡风玻璃、LIN总线接口等主要部件构成。

其中。

雨量传感器用来检测挡风玻璃上是否有雨水。

根据雨量伟感器的输出信号，控制器判断当前雨量大小，结合自LIN总线的用户设定等信息，输出PLC信号控制雨刷器电机的摆动速度，驱动雨刷器机构快速扫除挡风玻璃上的雨水。

3.2智能雨刷电器设备清单
（见附表1）
3.3电器元件传感器：
在当今科学技术不断发展的社会，自动化控制技术的普及，使传感器应用技术得到广泛的应用，在自动化检测与自动控制系统中，传感器是感受外界信息的关键部件，相当于人的感觉器官，因而有极其重要的作用，对整个系统的性能有决定性的影响。

任何自动化系统都离不开和外界的信息交换，没有传感器，这些系统将无法实现任何功能。

1）实际上雨量传感器也就是运用的光电传感器的原理，其主要的工作原理也就是通过雨量的大小影响光线的强弱变化来控制雨刷动作的；利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。

传感器主要有敏感元件、转换元件、信号调节电路三部分组成。

下面将详细介绍智能雨刷控制系统中运用到的雨量传感器。

雨量传感器：雨量传感器与光电传感器原理相似如图3-1所示，光电传感器是将被测量的变化转换成光的变化，再通过光电元件把光
量的变化转换成电信号的一种测量装置，它的转换原理是基于物质的光电效应。

图3-1 雨量传感器的实物模拟图
2）光电传感器是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

光电式接近开关广泛应用于自动计数、安全保护、自动报警和限位控制等方面。

结构如图3-2所示：
图3-2 接近式开关实物模拟图
其图3-2所示的光电传感器也就是漫射式光电开关。

其内部的主要光学元件是光敏二极管和光敏三极管。

光敏二极管装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可以直接受到光的照射，在工作电路中一般处于反向工作状态。

光电传感器的光发射器和光接受器处于同一侧位置，且为一体化结构。

在工作中，光发射器持续发射一束可见的偏振红外光（波长λ
=660nm ）.若传感器前方一定距离内没有物体，则没有光被附加的反
射板反射，接受器接受不到光，传感器处于常态而不动作。

反之若传
感器前方一定距离内有物体出现，则反射板反射漫射光，接受器接受
到足够强的光线，则传感器动作而改变输出的状态。

而对于光敏二极管，当光敏二极管在没有接受到光照时，反向电
阻很大，一般处于截止状态，相反当光敏二极管接受到光照时则其处
于导通状态。

而对于光敏三极管，当其处于电路中，集电极加正电压，基极开
路，基极处于反向偏置状态。

当光线经反射板反射到集电结的基区时，
其就会产生电子，光生电子被拉到集电极，则基区留下空穴，使基极
与发射极之间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输
出电流。

而当没有光照时二极管和三极管均处于截止状态就不能形成
电流，构不成回路。

雨量传感器安装在车内挡风玻璃上的后视镜后面，由玻璃棱镜，
红外线光源发射器和红外光源接收器等部件组成。

图3-3给出了雨量
传感器工作原理示意图，从图3-3可以看到，红外光源发射器将红外
光以固定角度投射到挡风玻璃上，经由挡风玻璃，棱镜反射回到红外
光源接收器；在挡风玻璃足够清楚晰的情况下，红外光源接收器收到
红外线总量与红外光源发射器发出的红外线总量基本相等，如图3-3
（a ）图所示，当有雨滴落在挡风玻璃上时，部分红外线会因为雨滴
的折射而分散到外部，导致红外光源接收器收到的红外线总量小于红
外光源发射器发出的红外线总量，如图3-3（b ）图所示。

(a)
（b）
图3-3 雨量传感器原理
图
3.4可编程控制器
3.4.1 PLC的发展现状
自PLC问世以来，基于其以下特点：
1）实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用
进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。

2）范围广电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何
网络无法比拟的。

PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展
创造极大的空。

3）高速率PLC能够提供高速的传输。

目前，其传输速率依设备
厂家的不同而在4.5M-45Mbps之间。

远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。

更高速率的PLC产品
正在研制之中。

4）永远在线PLC属于“即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入发接接
发
电源就等于接入网络！
5）便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受。

PLC融计算机技术、电子技术、通信技术于一体，控制功能特别强，应用领域非常广，几乎可用于所有的工业自动化控制领域中，并且也适用于旧有的机电设备的改造和用于新型的机电一体化产品。

它比继电器、单板机、半导体控制装置具有更强的控制功能，更高的可靠性，更小的体积，应用也更简单，更灵活，它的应用几乎覆盖了所有的工业企业。

从应用的角度来说，掌握PLC技术主要有两个方面：系统配置及编制程序。

要进行系统配置，就要了解PLC的类型，基本结构或模块，外设。

编制程序就要了解PLC的内部器件，指令系统，编程方法，并加以正确的使用。

PLC在现代工业生产中得到广泛应用。

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

3.4.2结构及工作原理：
由于该控制系统要实现将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，实现自动化生产。

因而在点胶机控制系统中应该选用性能更优的可编程序控制器——即PLC。

PLC主要由CPU，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成，除此而外，还有编程器，打印机，计算机等外设如图3-4 PLC 结构简化框图所示：
图3-4 PLC 简化方框图
CPU 的作用：处理和运行用户程序，控制整个系统使之协调的工
作。

存储器的作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些
信息。

输入单元的作用：对输入信号进行隔离和电平转移，把进入PLC
的信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。

输出单元的作用：对PLC 的输出结果进行放大和电平转换，把
PLC 产生的输出信号转换成现场被控设备能够接受的信号，驱动现场
设备。

电源的作用：把交流电源转换成PLC 所需的直流电源，使PLC
能正常工作。

PLC 有两种工作状态，即运行（RUN ）状态和停止（STOP ）状态。

在运行状态，PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制
功能。

为了使PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户
程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC 停机或切
换到STOP 工作状态如图3-5所示：
开始
图3-5 PLC的程序流程图
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

工作原理：PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

由于西门子可编程控制器——S7-200系列PLC有丰富的指令系统、快速的CPU处理速度、大程序容量、功能强大的编辑工具、强大的网络通信功能。

因而在该汽车智能雨刷控制系统中就可以采用这种PLC。

3.4.3I/O分配如下
输入：输出：
雨刷传感器---I0.0 电机正转---Q0.0 行程开关SQ1---I0.1 电机反转---Q0.1
行程开关SQ2---I0.2
其PLC外围接线图以及PLC梯形图见附图
3.5机械机构
雨刷器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。

当司机按下雨刷器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构，四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刷片刮扫挡风玻璃。

现在，汽车的雨刷臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”，也有每个雨刷器带一只电机，称为“单机单臂”。

有些雨刷臂还附带胶水管，水管接至洗涤器上，按一下开关会有水注喷向前档风玻璃。

在一些中高级轿车上，不但前后档风玻璃有雨刷器，就是前大灯也有一支小小的雨刷片，用以清除前灯玻璃上的尘埃。

司机关闭雨刷器时，雨刷臂往往不停在适当的位置，阻碍司机的视线。

为解决这一问题，雨刷器设有一个回位开关，它控制雨刷器电机，当雨刷臂停在档风玻璃下的适当位置时，电机才会停止运转。

现今的雨刷器已经普遍采用快档、慢档和间歇控制档。

其中间歇控制档一般是利用电机的回位开关触点与电阻电容的充放电功能使雨刷器按照一定周期刮扫，即每动作一次停止2－12秒时间，对司机的干扰更少。

有些车辆的雨刷器还装有电子调速器，该调速器附带感应功能，能根据雨量的大小自动调节雨臂的摆动速度，雨大刮水臂转得快，雨小刮水臂转得慢，雨停刮水臂也停。

雨刷器是重要的安全件，它必须能有效地清除雨水、雪和污垢；能在高温（摄氏零上80度）和低温下（摄氏零下30度）工作；能抗
酸、碱、盐等有害物质腐蚀；使用寿命达到15万次刮刷循环（乘用车）。

雨刷器的动力源来自电动机，它是整个雨刷器系统的核心。

雨刷器电动机的质量要求是相当高的。

它采用直流永磁电动机，安装在前档风玻璃上的雨刷器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。

蜗轮蜗杆机构的作用是减速增扭，其输出轴带动四连杆机构，通过四连杆机构把连续的旋转运动改变为左右摆动的运动。

雨刷器电动机采用3刷结构以方便变速。

间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的充放电功能使雨刷器按照一定周期刮扫。

雨刷器的刮片胶条是直接清除玻璃上雨水和污垢的工具。

刮片胶条通过弹簧条压向玻璃表面，它的唇口必须与玻璃角度配合一致，方能达到所要求的性能。

一般情况下在汽车组合开关手柄上有雨刷器控制旋扭，设有低速、高速、间歇3个档位。

手柄顶端是洗涤器按键开关，按下开关有洗涤水喷出，配合雨刷器洗涤档风玻璃。

洗涤器系统是目前汽车上很普通的装置，它由储水箱、水泵、输水管、喷水嘴组成。

其中储水箱一般是1.5升～2升的塑料罐，水泵是一种微型电动离心泵，通过它将储水箱的洗涤水输向喷水嘴，经2～4个喷水嘴的挤压作用将洗涤水分成细小的射流喷向档风玻璃，配合雨刷器起到清洁档风玻璃的作用。

除了前档风玻璃雨刷器外，许多乘用车还装置了后玻璃窗雨刷器，驾车者雨天能看到车后的东西。

有些高级乘用车上的前照灯也安装有类似雨刷器的清洗装置。

后玻璃窗雨刷器和前照灯清洗装置没有专门的四连杆机构，只在电动机上附加一个紧凑的转换机构（例如齿条齿轮或四连杆机构），将旋转变为摆动。

据欧美法规规定，当前照灯脏污到照明度降到20%时，前照灯清洗装置应当在8秒内洗涤干净污垢，使照明度恢复到80%。

前照灯洗涤用的水由档风玻璃雨刷器储
KM 1 KM 2
图4-1智能雨刷的电路图
4.2工作过程：
当启动汽车时，合刀开关QS，这样，稳定的电源就提供给了雨刷控制系统，雨刷控制系统上安装的雨刷传感器也同时被接入电路，则光电传感器的发射器开始持续发射出一束偏振光，来检测其前方是否有雨滴出现，如果检测不到雨滴出现，则传感器无信号输出；
相反，如果发射器发射的光线经反射板反射，并被同侧的接收器接收时，传感器感应并接通光电传感器的内部电路，由传感器输出信号接通电路。

这样线圈KM1的电，则接触器闭合，电机正转，当电机正传到一定的角度，到行程开关SQ2时，线圈KM2得电，同时行程开关互锁使线圈KM1失电，这样接触器KM2吸合，电机反转，同理，点击反转到一定角度时，到行程开关SQ1时，行程开关互锁使线圈KM2失电，线圈KM1的电，这样接触器KM1吸合，电机正转，这样循环动作，一直到挡风玻璃上没有雨滴存在，这样智能雨刷控制系统就停止工作。

5 刮水器常见故障分析与检测
据国际驾驶安全调查显示：雨天驾车，由于刮水器故障引起的交通事故率比平常高出大约5倍，如果刮水器出现故障，应该尽快修复。

故障一般包括：不工作、间歇性工作、持续操作不停以及刮水器不复位等。

其他故障与橡皮刷调整有关（诸如橡皮刷拍打风窗下方排水槽或其中一个橡皮刷低于另一个橡皮刷的停止位等）。

下边就上述故障现象的原因作简要分析：
（1）故障现象：刮水器电动机不转。

故障原因：熔丝烧断：刮水器控制开关损坏或接触不良：导线松动或接触不良，电枢绕组电路或减速器齿轮损坏：线圈接头松脱；电刷损坏或夹住：转子卡死。

（2）故障现象：刮水器动作迟缓。

故障原因：电压过低或开。