雨滴传感器的设计讲解

雨滴传感器的设计
雨滴传感器主要是用来检测是否下雨及雨量的大小。

主要用于汽车智能灯光（AFS 统、汽车自动雨刷系统、智能车窗系统。

当汽车在雨雪天等恶劣天气下行车时，由雨滴传感器向自动灯光系统（AFS）系统微电脑提供信号，微电自动调整前照灯的宽度、远近度，明暗度；同时天窗系统也会自动关闭车窗。

为确保驾驶员在雨天具有良好的视线，汽车挡风玻璃上装有自动雨刷，随雨雪量的变化自动调整雨刷开闭时间和频率，确保行车安全。

1.传感器原理
现在的雨滴检测刮雨器，将雨滴传感器检测出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，自动设定刮雨器的工作时间间隔，控制刮雨器的动作。

在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。

2.传感器的组成
雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电路、壳体及阻尼橡胶构成，如图2-1所示。

振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，
按自身固有振动频率进行弯曲振动，
并将振动传
递给内侧压电元件上，
压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压。

雨滴检测用传感器上
、引言
现在,汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动和被动安全性，一种具有极高的市场渗透性的传感器是雨水传感器，以增加舒适性和安全性[1]。

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引起的，采用雨水感应式自动雨刷控制系统使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了雨天行车的安全性。

国内外许多汽车厂商研制以雨水传感器为基础的汽车自动雨刷控制系统，来代替传统的机械结构的雨刮器。

如果开发出行使中检测到雨滴后, 雨刮器就自动工作的高性能的传感器,至少可以将现在的雨刮器减少3个开关。

现在开发的雨滴检测雨刮器，将雨滴传感器检出的雨水强度实时测量值变成电信号，根据电信号
的大小，自动设定雨刮器工作的时间间隔，控制雨刮器动作。

目前市场上的雨水传感器大都是依据以下三种工作原理制成的：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器、利用光强变化的传感器。

第一种和第二种是要把雨水传感器安装在汽车的外面，雨滴直接滴在传感器上，第三种把雨水传感器安装在风挡玻璃驾驶室一侧，通过雨滴滴落在玻璃上引起反射光强的变化感应传
感器。

利用光强变化的雨水传感器光源基本可分为可见光和红外光两种，可见光易受外界环境的影响，红外光受外界环境影响小，且易于检测。

本文提出的雨水传感器就是利用红外光强的变化，把半导体发光元件和感光元件配成一对，从发光元件发出的光信号，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光强减弱，可利用光强的衰减信号控制雨刮器的动作。

水传感器工作原理
1、光学原理
光线射在两种介质分界面上，当一部分光线射入另外一种介质时，光线传播方向发生改变，这称为折射。

在第二种介质中折射光线和分界面法线n0 的夹角称为折射角。

入射角i和折射角r有下述关系：
21nr
sini
sin=
（1）式中,21n—第二种介质对第一种介质的相对折射率。

光从光密介质（折射率n较大）射入光疏介质（折射率n较小）时，如果入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，光全部反射回原来介质，这种现象叫做全反射。

折射角变成90°时的入射角叫做临界角。

全反射的条件是，光从光密介质向光疏介质入射，入射角等于大于临界角。

本文设计的传感器就是根据全反射光学原理制成。

空气的折射率是1，
水的折射率是
1.33，
玻璃的折射率是
1.5。

根据式（1）计算得出，光从玻璃入射到空气中的临界角是42°，光从玻璃入射到水中的临界角是
63°。

2
、工作原理
雨水传感器由红外光发射电路和红外光接收电路组成。

如图
1
所示。

由红外光发射元件发出的红外光以全反射角度在挡风
玻璃的外表面反射，其角度必须在
42°
（玻璃-空气）
和
63
°（玻璃-水）之间。

如果在挡风玻璃上有水，一些光会双
倍射出，且这会引起红外感光元件接收到的反射光减弱。

从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”，仅当雨水滴到这个区域时，
才可以被探测出来。

为使系统灵敏可靠，挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例
[1]。

如图
2
所示。

三、
硬件设计与实现
、红外发射电路
红
外
发
射
管
采
用
硅
光电二极管，它具有暗电流小，噪声低，受温度影响小，价格便宜等优点。

红外发射管三个并联，采用脉宽调制驱动，工作在38kHZ
的频率下。

采用这
种方式可以减少发射电路的功耗。

脉冲发生器采用555
电路构
成。

如图
3
所示，经式
(2)
（
3
）（
4
）
计算
[2,3]
，得出
R
1
、
R
2
、
C
1
值。

微调节
R
，使脉冲频率为
38kHz。

由于红外光
线肉眼看不见，所以电路中加入
LED
指示灯来指示红外发射管是否在工作。

1
2
1
1
)
(
7
.
C
R
R
t
p
+
=
（
2
）
1
2
2
7
.
R t p =
（3 ）
1 1
2 ) 2 ( 44 . 1 1 C R R T f + = =
（
4
）
2
、红外接收电路
红外接收电路通常由光接收二极
管、放大电路、带通滤波器、检波电路
等组成。

放大电路的任务是对光脉冲信号进行线性放大和整形。

带通滤波器的任务是进行频率选择，滤除干扰信号。

检波电路滤掉载频后检出的原始信号
[3]。

因而电路比较复
杂，体积也比较大。

本文设计的接收电路采用德律风根公司
（
Vishay
）
的红
外专用集成接收芯片
TK1838
，将各功能电路封装在一起，
以实现接收脉冲编码信号调制的红外光信号，塑料封装可滤除可见光。

内部结构如图
4
所示。

1
脚为输出，
2
脚接地，
3
脚电源接
+5V。

TK1838
只有接收到
38kHz
的脉冲信号才会作用。

它具
有微型一体化塑料封装、体积小、可靠性高、内部屏蔽、抗干扰光能力强、
5V
供电、功耗低、输出信号灵敏、价格
便宜等优点。

内部集成了放大、滤波、解调及其控制电路，1
脚直接输出高低电平。

当
TK1838
接收不到
38kHz
的脉冲
信号时，
1
脚输出高电平；当接收到
38kHz
的脉冲信号时，
•。