汽车雨量传感器设计与自动雨刮控制系统

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I
Automobile Rain Sensor Design and Automatic Wiper Control System
By Hangfei Xu
A Dissertation Submitted to China Jiliang University In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Engineering
China Jiliang University March, 2013
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国计量学院 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
VII
designed in the paper can detect rain on the windshield effectively, and it can control the wiper to work automatically. Keywords：rain sensor；wiper control system；sampling integral method；neural network； Classification：TP273; 621
作
者
许航飞 工学硕士
导
师
陈红岩
教授
申请学位
培养单位 研究方向
中国计量学院 汽车电子技术
学科专业 检测技术与自动化装置
二〇一三年三月
IV
致 谢Hale Waihona Puke Baidu
时光飞逝，岁月如梭，两年多的研究生生涯转眼即逝，在这硕士论文即将完 成之际，感谢所有指导和帮助过我的老师和同学。 首先要感谢我的导师陈红岩教授， 学习上， 陈老师为我提供优越的科研条件， 因材施教，循序渐进地引导我在嵌入式系统领域不断探索前行。生活上，陈老师 给予我无微不至的关怀和帮助。 陈老师严谨的治学精神，精益求精的工作作风和 朴实的生活作风对我以后的工作和生活产生了深远的影响。 感谢袁琨老师， 在课题研究和论文的撰写过程中给予热心指导，袁老师在课 题实践过程中传授以我经验， 我才能在这几年的学习过程中汲取专业知识和迅速 提升能力。 感谢实验室的刘明昆、郑永真、邱亚楠、尉文峰、宋熠金、张一龙、徐张红、 郭海涛、应亚宏、沈红源等师兄弟，在学习和生活中对我的帮助，使我的研究生 生活丰富多彩。 感谢室友刘芳蔙、王文涛、曹文浩、鲁伟奇、王向义等同学，在我读研期间 给予的关心和帮助。 最后， 我要感谢父母和亲人在生活和学习上对我的支持和关心，感谢所有关 心和帮助过我的老师、同学和朋友们。
VIII
目
次
摘要..............................................................................................................................VI 目次..............................................................................................................................IX 图清单........................................................................................................................ XII 附表清单................................................................................................................... XIV 1 绪论........................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 ..................................................................................................... 1 1.2 汽车雨量传感器现状 ......................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ................................................................................................ 2 1.2.2 国内研究现状 ................................................................................................ 5 1.3 本文主要研究内容及章节安排 ......................................................................... 6 1.3.1 具体研究内容 ................................................................................................ 6 1.3.2 本文各章节内容概述 .................................................................................... 6 2 汽车雨量传感器工作原理....................................................................................... 8 2.1 本章概述 ............................................................................................................. 8 2.2 电容式雨量传感器 ............................................................................................. 8 2.3 热电偶式雨量传感器 ......................................................................................... 9 2.4 红外反射式雨量传感器 ................................................................................... 10 2.5 基于图像处理的雨量传感器 ........................................................................... 11 2.6 方案选择 ........................................................................................................... 11 2.7 本章小结 ........................................................................................................... 11 3 自动雨刷控制装置设计......................................................................................... 13 3.1 本章引论 ........................................................................................................... 13 3.2 雨量传感器水滴探测光路 ............................................................................... 14 3.2.1 传感器探测光源 .......................................................................................... 15 3.2.2 硅光电池 ...................................................................................................... 17 3.2.3 光路透镜建模与仿真 .................................................................................. 18 3.3 雨量传感器电路 ............................................................................................... 22 3.3.1 红外发射电路 .............................................................................................. 23 3.3.2 红外接收放大电路 ...................................................................................... 24 3.3.3 取样积分电路 .............................................................................................. 25
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III
中图分类号 TP273 UDC 621
学校代码 10356 密级 公开
硕士学位论文
MASTER DISSERTATION
汽车雨量传感器设计 与自动雨刮控制系统
Automobile Rain Sensor Design and Automatic Wiper Control System
硕士学位论文
MASTER DISSERTATION
汽车雨量传感器设计 与自动雨刮控制系统
Automobile Rain Sensor Design and Automatic Wiper Control System
作 导
者 师
许航飞 陈红岩 教授 检测技术与自动化装置
学 科
中国计量学院 二〇一三年三月
VI
Automobile Rain Sensor Design and Automatic Wiper Control System
Abstract ： With the development of automobile industry, the sales volume of automobile is keeping a sustainable growth in our country. But it also causes serious traffic jams. Our country is a rainy country, so it will cost a lot of time driving in rain. Although every car has a wiper, the majority of them are required to manually control. It will distract drivers and make driving difficult and cause traffic accidents. Therefore, this paper conducts the research for the automobile wiper control system. It uses the reflective infrared rain sensor to control the wiper to work and make it achieve auto control. In this paper, the main work is as follows: 1) It designs and builds the whole hardware system and circuit of the reflective infrared rain sensor, including the selection of MCU, infrared emission circuit, receiving circuit, silicon photocell amplifier circuit, sampling circuit, a differential amplifier circuit, a negative feedback circuit, communication circuit and power circuit etc. It describes the working principle of the device of the detecting rain. It extracts effective signal in intensive background noise by using sampling integral method. It introduces a negative feedback in the rain detection circuit to form a closed-loop system. It can make rain sensor adapt the automobile front windshield with different thickness. At the same time it can eliminate the interference of scratches and dust. 2) The core control algorithm for the automatic wiper control device is a neural network algorithm. The droplet size and frequency which are detected by the reflective infrared rain sensor are two input value of neural network. And the wiper movement speed and movement frequency are the two output value of neural network. In order to establish a complete automatic wiper control rules, it must determine the connection weights between each layer of network nodes by using empirical data to train neural network. The final simulation results show that the reflective infrared rain sensor
许航飞
2013 年 3 月
V
汽车雨量传感器设计与自动雨刮控制系统
摘要：随着汽车工业的发展，国内汽车销量激增，路上交通日益拥堵， 我 国又是一个多雨的国家，在雨天行车的时间会很多，尽管每辆车都有雨刮器，但 其中大多都需手动控制，这会使驾驶员注意力不能集中，驾车难度增大，从而引 起了的交通事故。因此，本课题对汽车雨刷控制系统进行研究，将利用红外反射 式雨量传感器控制雨刷工作，实现雨刷自动控制的目的。 本文主要工作内容如下: 1） 设计并搭建了红外反射式雨量传感器的整个硬件系统及电路， 包括 MCU 选型、红外发射电路、硅光电池接收电路、前级放大电路、取样积分电路、差分 放大电路、负反馈电路、通信电路以及电源电路等，阐述了整个装置对雨水检测 的工作原理。 采用取样积分法提取强背景噪声中的有效规律信号，在雨水检测电 路中引入负反馈形成闭环系统， 使得雨量传感器能够适应不同厚度的汽车前挡风 玻璃，同时消除划痕和灰尘的干扰。 2）采用神经网络算法作为自动雨刷控制装置的核心控制算法，以红外反射 式雨量传感器检测出的雨滴大小和频率作为神经网络两个输入值， 以雨刷动作速 度和动作频率作为神经网络两个输出值，利用经验数据训练神经网络，确定各层 网络节点之间的连接权值，建立完整的雨刷自动控制规则。 最 终模拟实验表明，本课题 设计的红外反射式雨量传感器能够有效的 检测出汽车挡风玻璃上的雨水，实现了自动控制雨刷工作的目的。 关键词： 雨量传感器；雨刷控制系统；取样积分；神经网络； 分类号： TP273 ； 621