基于单片机的汽车智能雨刮器设计 (2)
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摘 要
本次设计的汽车自动雨刷省去了人为手动操作雨刷的问题，能够自动感应雨量并进行相应的工作。自动雨刷用雨滴传感器作为检测器来感应雨量的大小，把感应信号传给单片机，通过软件的控制驱动芯片自动调节电机的正反转与转动频率。此次设计采用40引脚的单片机AT89S52，设计中运用ULN2003AN驱动芯片来驱动步进电机的运转，克服了电机在低频工作时的噪音大，震动大的缺点。本次设计在一定的程度上为驾驶者提供了舒适性和安全性的保障，避免了由于驾驶者手动操作雨刷的不当而带来的交通安全问题，同时也大大的提高了汽车雨刷的全面性与可靠性。
3红外发射电路
红外发射管用硅光电二极管，其具有暗电流小，噪声低，受温度影响小等优点。红外发射管用三个并联，采用脉宽调制驱动方式，工作在38kHZ的频率下。
随着当今社会经济的迅速发展，对汽车性能的追求则在不断的提升，随着汽车制造业不断的创新，汽车中安装了越来越多自动控制系统，增加了汽车的安全性与舒适性，据统计，在雨天行车，世界上因为驾驶员对雨刷的操作不当而带来的交通事故占6%之多。所有自动雨刷系统的安装对于汽车来说是十分重要的。自动雨刷控制系统免去了驾驶员手动调节雨刷的麻烦，有效的提高了在雨天驾驶的安全性与可靠性；同时，也避免了因为路边积水溅在挡风玻璃上，驾驶员来不及操作而恐慌造成的交通事故。
在性能上步进电机更适合作为雨刷电机，并且其价格便宜，在市场上供货也比较多所以，所以在本次设计中选择步进电机。
步进电机的原理接线图如图1.4所示：
图1.4 步进电机原理图
1-2相励磁顺序表，从输出轴方向看-逆时针方向如下表1.1
表1.1 输出轴方向看-逆时针方向
主要的功能参数如下：
1——额定电压
2——相数
其实在本设计中这两种芯片都可以选择，但是ULN2003驱动芯片原理更加简单，操作容易，在驱动电机时，工作稳定；而且在市场上驱动芯片ULN2003使用比较广泛，所以选择ULN2003AN作为驱动芯片。
1.3.4 雨滴传感器 的选择
在目前市场上雨滴传感器的工作原理大都分为以下两种：利用电阻压变，光强变化的传感器与控制器相连接，来控雨刷电机的转动。前种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外面，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
TH8435驱动芯片东芝公司生产的脉宽调制式斩波器型二相步进电机驱动芯片，工作稳定可靠，工作电压为10-40V，具有整步，半步，1/4细分和1/8细分运动方式供选择。其由1个解码器，2个驱动桥式电路，2个电流控制电路，2个输出电流限制电路等功能模块构成。
ULN2003AN是一种最常用的驱动步进电机Βιβλιοθήκη Baidu芯片，而且接线十分简单，用单片机驱动小量步进电机是很好的选择，有16个引脚其中有七个为输入引脚另外七个为输出引脚，8号是接地引脚，9号是接电源12V或5V的引脚。比如步进电机公共端接5V，其余四个引脚接驱动芯片的四个输出端，然后单片机或者外围电路接上ULN2003的四个输入引脚。
图1.2 单片机AT89C2051引脚图
单片机AT89S52是种低能耗，高性能的8位CMOS微控制器，在系统中具有8K可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密非易失性存储器技术制造，片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适合常规的编程。在单片机上拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程存储器Flash，让它在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。AT89S52单片机具有：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器。能实现的功能比单片机AT89C2052更加全面，内存更大，引脚更加全面引脚如图1.3所示
关键词：汽车自动雨刷，雨滴传感器，单片机，步进电机
Abstract
The design of the automatic wipers is improved further in the traditional manual based on.Automatic wiper with rain sensor as the detector size induced precipitation,the induction signal is sent to the single chip microcomputer.reversing and turning frequency automatic adjusting motor through the control of the software driver.The design is based on the 40pin of the mic AT89S52.That use of ULN2003AN to drive the stepper motor driver chip design operation.The pulse width modulation’s chopper driver mode.Thus greatly overcome the noise when the motor work in the low frequency ,vibration faults.Provide comfort and safely guarantee this design in a certain extent for the driver,to avoid the traffic safety problem caused by the driver manually operated wiper improper.At the same time also greatly improve the comprehensiveness and reliability of automobile windshield wiper.
因为汽车雨刷主要功能是刮除挡风玻璃上的水渍及污垢，给驾驶者提供一个清晰的视野，所以自动雨刷系统属于必须的安全设备。主动性安全系统是每个汽车系统工程师努力目标之一，雨刷系统是每辆车上为保证挡风玻璃清晰的唯一选择。而此次设计的自动雨刷，乃目前各车厂投注心力的开发方向。
第一章 自动雨刷控制系统的总体设计
本章主要阐述设计的整体设计思路，系统使用部件选择，设计原理框图与本次设计系统的主要特点。
3——减速比
4——步距角
5——驱动方式
6——自定位转矩
7——绝缘电阻
1.3.3 电机驱动芯片的选择
根据设计书的要求，本次设计核心就是对电机的控制，所以对于选择理想的驱动芯片来驱动电机则就成为了十分重要的一部分了。最常用的就是脉宽调制式斩波驱动方式，大多步进电机都选择这种驱动方式来进行调速控制，TA8535H与ULN2003AN都是比较常用的，性能也是比较稳定可靠的专用芯片。
图1.3 单片机AT89S52引脚图
由上可知，为了更加便于操作，降低难度，不用担心引脚不够的问题，且考虑本次毕业设计小组能够协同工作，则选择单片机AT89S52，另外其是各性能比较全面，在郑州市场比较好买到的价格便宜的理想单片机。
1.3.2 电机 选择
设计中选择了步进电机来代替了传统的雨刷电机，相比传统的电机其更加的灵活，精度高。步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗的来讲就是当驱动器接受到一个脉冲信号，就会相应的驱动步进电机按照设定好的方向转动一个固定的角度。通过脉冲个数可以来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
Keyword:Automatic wipers ,Rain sensor,SCM,Stepper motor
前 言
根据科学家针对消费者对中性车产品属性偏好的研究，结果显示消费者对配备及式样依序包括预缩安全带、前座安全气囊、驾驶席安全气囊、主动护颈头枕、前雾灯、可调间歇式雨刷、电动收藏广角后视镜、倒车雷达等。可见，对安全性的设备已超过了对舒适性的设备需求。其中对可调间歇雨刷的需求排在了第六位，消费者认为汽车雨刷必须具有可调频率，以应对不同车况和前挡风玻璃落雨量之需求。然而驾驶人自己来判断前挡风玻璃落雨量的模糊程度，再去手动调节雨刷，不仅使驾驶者分心，而且使玻璃上落雨量刮除清晰度不一，两者均关系到驾驶的安全。
国内外许多汽车厂商以雨水传感器为基础的自动雨刷控制系统，不是格昂贵就是系统不完善，反映不灵敏。现今，则主要是把用雨水传感器检测出来的雨量大小的信号转变成电信号，然后传递给单片机，通过软件的控制来控制电机驱动芯片从而带动电机的旋转。目前市场上的雨量传感器大都分为以下两种：利用电阻压变，光强变化的传感器与各种信号控制器连接，来控雨刷电机的转动。前一种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外侧，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后一种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
1.1 自动雨刷控制系统设计思路
设计的总体思路是：运用雨滴传感器感应雨量的大小，把感应信号输给单片机系统，然后通过软件控制雨刷电机根据相应的环境做出不同的转动。例如，当检测为小雨量的时候，电机工作在小雨模式（电机旋转一个来回要停留10秒再继续进行旋转）；当检测为中大雨的时候则，启动中大雨运转模式（电机旋转一个来回停止5秒后再继续工作）；当检测为大雨的时候，则启动大雨运转模式（电机连续进行来回旋转）。设计中运用AT89S52单片机，步进电机采用ULN2003AN驱动芯片进行驱动。
1.2 设计原理方框图
本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图1.1：
图1.1 设计原理框图
1.3 系统使用部件选择
系统主要是由单片机最小控制系统（包括晶振电路，复位电路，供电电源），雨滴感应模块，电机驱动模块组成。
1.3.1 单片机 AT89S52，AT89C2051的比较与选择
单片机AT89S2051是具有可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的8位CMOS微处理器，有15根I/O线、16位定时/计数器两个、全双向的串行口一个、并且其内部含有精密的比较器和片内振荡器，具有4.25--5.5V的电压工作范围和12MHz的工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁和时钟电路等。此外还支持二种软件可选的电源节电方式。在空闲的时候，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统仍然继续工作。共有20个引脚，引脚图如图1.2所示
（式1）
上式1中 为第二种介质对第一种介质的相对折射率。
光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大到一定的角度，便能使折射角达到90°，这时折射光线就会完全的消失，光会全部反射到原来介质，这种现象叫做光的全反射。折射角等于90°时的入射角叫做全反射临界角。全反射的条件是：光从光密介质射入向光疏介质中；入射角等于或大于临界角。
这种传感器就是根据全反射光学原理制成的。空气和水的折射率分别为1和1.33，玻璃的折射率为1.5。根据上式计算得出，玻璃和空气两种介质的临界角是42°，玻璃和水之间的临界角是63°。
2工作原理
雨水传感器由红外光发射电路和接收电路组成。原理框图如图1.5
图1.5红外光发射电路和接收电路
由红外光发射元器件发出的红外光在挡风玻璃的外表面以全反射角反射，其角度必须控制在42°和63°之间。如果挡风玻璃上有水，一些光会双倍折射出，这样会使红外感光元件接收到的反射光减弱。在挡风玻璃发生反射的区域被称之为传感器“敏感区域”，仅当雨水在这个敏感区域时，才可以被探测出。为了使系统更加灵敏可靠，灵敏区域和挡风玻璃区域之间必须要有一个较好的比例，如上图所示。
后种是在设计和发展上比较完善的传感器，但在市场上买配件的时候发现前电阻式的更便于设计操作而被选择。
目前在我国光强变化传感器与控制电路相接组成的雨滴传感器发展的比较完善，所以以下我对这两种雨滴传感器做个具体的分析：
光变雨滴传感器 的工作原理：
1光学原理
光线射在两种介质分界面上，当光线从一种介质射入另外一种介质时，光线的传播方向会发生一定的改变，这称之为光的折射。在另一种介质中折射的光线和分界面的法线n0的夹角称之为折射角。入射角i和折射角r的关系如下：
本次设计的汽车自动雨刷省去了人为手动操作雨刷的问题，能够自动感应雨量并进行相应的工作。自动雨刷用雨滴传感器作为检测器来感应雨量的大小，把感应信号传给单片机，通过软件的控制驱动芯片自动调节电机的正反转与转动频率。此次设计采用40引脚的单片机AT89S52，设计中运用ULN2003AN驱动芯片来驱动步进电机的运转，克服了电机在低频工作时的噪音大，震动大的缺点。本次设计在一定的程度上为驾驶者提供了舒适性和安全性的保障，避免了由于驾驶者手动操作雨刷的不当而带来的交通安全问题，同时也大大的提高了汽车雨刷的全面性与可靠性。
3红外发射电路
红外发射管用硅光电二极管，其具有暗电流小，噪声低，受温度影响小等优点。红外发射管用三个并联，采用脉宽调制驱动方式，工作在38kHZ的频率下。
随着当今社会经济的迅速发展，对汽车性能的追求则在不断的提升，随着汽车制造业不断的创新，汽车中安装了越来越多自动控制系统，增加了汽车的安全性与舒适性，据统计，在雨天行车，世界上因为驾驶员对雨刷的操作不当而带来的交通事故占6%之多。所有自动雨刷系统的安装对于汽车来说是十分重要的。自动雨刷控制系统免去了驾驶员手动调节雨刷的麻烦，有效的提高了在雨天驾驶的安全性与可靠性；同时，也避免了因为路边积水溅在挡风玻璃上，驾驶员来不及操作而恐慌造成的交通事故。
在性能上步进电机更适合作为雨刷电机，并且其价格便宜，在市场上供货也比较多所以，所以在本次设计中选择步进电机。
步进电机的原理接线图如图1.4所示：
图1.4 步进电机原理图
1-2相励磁顺序表，从输出轴方向看-逆时针方向如下表1.1
表1.1 输出轴方向看-逆时针方向
主要的功能参数如下：
1——额定电压
2——相数
其实在本设计中这两种芯片都可以选择，但是ULN2003驱动芯片原理更加简单，操作容易，在驱动电机时，工作稳定；而且在市场上驱动芯片ULN2003使用比较广泛，所以选择ULN2003AN作为驱动芯片。
1.3.4 雨滴传感器 的选择
在目前市场上雨滴传感器的工作原理大都分为以下两种：利用电阻压变，光强变化的传感器与控制器相连接，来控雨刷电机的转动。前种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外面，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
TH8435驱动芯片东芝公司生产的脉宽调制式斩波器型二相步进电机驱动芯片，工作稳定可靠，工作电压为10-40V，具有整步，半步，1/4细分和1/8细分运动方式供选择。其由1个解码器，2个驱动桥式电路，2个电流控制电路，2个输出电流限制电路等功能模块构成。
ULN2003AN是一种最常用的驱动步进电机Βιβλιοθήκη Baidu芯片，而且接线十分简单，用单片机驱动小量步进电机是很好的选择，有16个引脚其中有七个为输入引脚另外七个为输出引脚，8号是接地引脚，9号是接电源12V或5V的引脚。比如步进电机公共端接5V，其余四个引脚接驱动芯片的四个输出端，然后单片机或者外围电路接上ULN2003的四个输入引脚。
图1.2 单片机AT89C2051引脚图
单片机AT89S52是种低能耗，高性能的8位CMOS微控制器，在系统中具有8K可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密非易失性存储器技术制造，片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适合常规的编程。在单片机上拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程存储器Flash，让它在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。AT89S52单片机具有：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器。能实现的功能比单片机AT89C2052更加全面，内存更大，引脚更加全面引脚如图1.3所示
关键词：汽车自动雨刷，雨滴传感器，单片机，步进电机
Abstract
The design of the automatic wipers is improved further in the traditional manual based on.Automatic wiper with rain sensor as the detector size induced precipitation,the induction signal is sent to the single chip microcomputer.reversing and turning frequency automatic adjusting motor through the control of the software driver.The design is based on the 40pin of the mic AT89S52.That use of ULN2003AN to drive the stepper motor driver chip design operation.The pulse width modulation’s chopper driver mode.Thus greatly overcome the noise when the motor work in the low frequency ,vibration faults.Provide comfort and safely guarantee this design in a certain extent for the driver,to avoid the traffic safety problem caused by the driver manually operated wiper improper.At the same time also greatly improve the comprehensiveness and reliability of automobile windshield wiper.
因为汽车雨刷主要功能是刮除挡风玻璃上的水渍及污垢，给驾驶者提供一个清晰的视野，所以自动雨刷系统属于必须的安全设备。主动性安全系统是每个汽车系统工程师努力目标之一，雨刷系统是每辆车上为保证挡风玻璃清晰的唯一选择。而此次设计的自动雨刷，乃目前各车厂投注心力的开发方向。
第一章 自动雨刷控制系统的总体设计
本章主要阐述设计的整体设计思路，系统使用部件选择，设计原理框图与本次设计系统的主要特点。
3——减速比
4——步距角
5——驱动方式
6——自定位转矩
7——绝缘电阻
1.3.3 电机驱动芯片的选择
根据设计书的要求，本次设计核心就是对电机的控制，所以对于选择理想的驱动芯片来驱动电机则就成为了十分重要的一部分了。最常用的就是脉宽调制式斩波驱动方式，大多步进电机都选择这种驱动方式来进行调速控制，TA8535H与ULN2003AN都是比较常用的，性能也是比较稳定可靠的专用芯片。
图1.3 单片机AT89S52引脚图
由上可知，为了更加便于操作，降低难度，不用担心引脚不够的问题，且考虑本次毕业设计小组能够协同工作，则选择单片机AT89S52，另外其是各性能比较全面，在郑州市场比较好买到的价格便宜的理想单片机。
1.3.2 电机 选择
设计中选择了步进电机来代替了传统的雨刷电机，相比传统的电机其更加的灵活，精度高。步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗的来讲就是当驱动器接受到一个脉冲信号，就会相应的驱动步进电机按照设定好的方向转动一个固定的角度。通过脉冲个数可以来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
Keyword:Automatic wipers ,Rain sensor,SCM,Stepper motor
前 言
根据科学家针对消费者对中性车产品属性偏好的研究，结果显示消费者对配备及式样依序包括预缩安全带、前座安全气囊、驾驶席安全气囊、主动护颈头枕、前雾灯、可调间歇式雨刷、电动收藏广角后视镜、倒车雷达等。可见，对安全性的设备已超过了对舒适性的设备需求。其中对可调间歇雨刷的需求排在了第六位，消费者认为汽车雨刷必须具有可调频率，以应对不同车况和前挡风玻璃落雨量之需求。然而驾驶人自己来判断前挡风玻璃落雨量的模糊程度，再去手动调节雨刷，不仅使驾驶者分心，而且使玻璃上落雨量刮除清晰度不一，两者均关系到驾驶的安全。
国内外许多汽车厂商以雨水传感器为基础的自动雨刷控制系统，不是格昂贵就是系统不完善，反映不灵敏。现今，则主要是把用雨水传感器检测出来的雨量大小的信号转变成电信号，然后传递给单片机，通过软件的控制来控制电机驱动芯片从而带动电机的旋转。目前市场上的雨量传感器大都分为以下两种：利用电阻压变，光强变化的传感器与各种信号控制器连接，来控雨刷电机的转动。前一种是把传感器直接装在汽车挡风玻璃的外侧，雨滴直接落在传感器上来感应雨量的大小；后一种则是安装在挡风玻璃内侧，由光照引起的折射强度的变化来检测雨量的大小。
1.1 自动雨刷控制系统设计思路
设计的总体思路是：运用雨滴传感器感应雨量的大小，把感应信号输给单片机系统，然后通过软件控制雨刷电机根据相应的环境做出不同的转动。例如，当检测为小雨量的时候，电机工作在小雨模式（电机旋转一个来回要停留10秒再继续进行旋转）；当检测为中大雨的时候则，启动中大雨运转模式（电机旋转一个来回停止5秒后再继续工作）；当检测为大雨的时候，则启动大雨运转模式（电机连续进行来回旋转）。设计中运用AT89S52单片机，步进电机采用ULN2003AN驱动芯片进行驱动。
1.2 设计原理方框图
本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图1.1：
图1.1 设计原理框图
1.3 系统使用部件选择
系统主要是由单片机最小控制系统（包括晶振电路，复位电路，供电电源），雨滴感应模块，电机驱动模块组成。
1.3.1 单片机 AT89S52，AT89C2051的比较与选择
单片机AT89S2051是具有可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的8位CMOS微处理器，有15根I/O线、16位定时/计数器两个、全双向的串行口一个、并且其内部含有精密的比较器和片内振荡器，具有4.25--5.5V的电压工作范围和12MHz的工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁和时钟电路等。此外还支持二种软件可选的电源节电方式。在空闲的时候，CPU停止工作，而RAM、定时/计数器、串行口和中断系统仍然继续工作。共有20个引脚，引脚图如图1.2所示
（式1）
上式1中 为第二种介质对第一种介质的相对折射率。
光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大到一定的角度，便能使折射角达到90°，这时折射光线就会完全的消失，光会全部反射到原来介质，这种现象叫做光的全反射。折射角等于90°时的入射角叫做全反射临界角。全反射的条件是：光从光密介质射入向光疏介质中；入射角等于或大于临界角。
这种传感器就是根据全反射光学原理制成的。空气和水的折射率分别为1和1.33，玻璃的折射率为1.5。根据上式计算得出，玻璃和空气两种介质的临界角是42°，玻璃和水之间的临界角是63°。
2工作原理
雨水传感器由红外光发射电路和接收电路组成。原理框图如图1.5
图1.5红外光发射电路和接收电路
由红外光发射元器件发出的红外光在挡风玻璃的外表面以全反射角反射，其角度必须控制在42°和63°之间。如果挡风玻璃上有水，一些光会双倍折射出，这样会使红外感光元件接收到的反射光减弱。在挡风玻璃发生反射的区域被称之为传感器“敏感区域”，仅当雨水在这个敏感区域时，才可以被探测出。为了使系统更加灵敏可靠，灵敏区域和挡风玻璃区域之间必须要有一个较好的比例，如上图所示。
后种是在设计和发展上比较完善的传感器，但在市场上买配件的时候发现前电阻式的更便于设计操作而被选择。
目前在我国光强变化传感器与控制电路相接组成的雨滴传感器发展的比较完善，所以以下我对这两种雨滴传感器做个具体的分析：
光变雨滴传感器 的工作原理：
1光学原理
光线射在两种介质分界面上，当光线从一种介质射入另外一种介质时，光线的传播方向会发生一定的改变，这称之为光的折射。在另一种介质中折射的光线和分界面的法线n0的夹角称之为折射角。入射角i和折射角r的关系如下：