汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现

.汽车雨刮器的自动控制系统设计与实现设计总说明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。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。关键词：雨滴传感器；步进电机；单片机；雨刮器.Car Wiper Blade Design and Implementation of Automatic Control SystemDesign DescriptionThe 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 modulations 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.In intelligent windscreen wiper system of automobile, As the problem of technics, rotate speed of two electro motors are not the same completely, so there are the problems that two wiper blades swing ansynchronous. In the thesis, a intelligent windscreen wiper system of automobile based on fuzzy control is presented, by analyzing fuzzy control theory and synchronous swing rules of windscreen wiper. The speed error and its change were used as fuzzy stable variable. According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the PWM switch. In this way, the PWM technique was used to drive the DC motor and control windscreen wiper to swing synchronously.keywords：rain sensor;Stepper motor;MCU; windscreen wiper.目录1.绪论11.1 概述11.2 研究背景11.3国内外研究现状21.4研究意义32.总体设计方案42.1自动雨刷控制系统设计思路42.2设计原理42.3系统组成52.3.1 单片机的比较与选择52.3.2 STC12c5a60s2功能特性概述62.4雨滴传感器的分类82.4.1压电振子原理的雨滴传感器82.4.2雨滴传感器种类92.4.3光量变化的雨滴传感器92.4.4红外雨滴传感器的原理102.5 显示元件选择102.5.1液晶显示简介102.5. LCD1602的基本参数及引脚功能122.6刮水电机132.6.1刮水电机型号的编制方法132.6.2减速器的结构特点146.2.3刮水电机的控制电路分析153.智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍183.1 STC89C52的时钟电路和复位电路183.2 A/D转换电路193.2.1 ADC0832芯片介绍193.2.2 ADC0832芯片电路213.2 液晶显示电路213.2.1 1602液晶简介213.2.2 液晶引脚说明223.2.3 液晶显示模块电路223.3 雨滴传感器电路设计233.4电机控制的硬件设计243.5发射模块253.5.1发射管253.5.2由555定时器构成的多谐振荡器263.6接收模块273.6.1红外接收管273.6.2带通滤波器284.软件设计294.1程序语言及开发环境294.2 智能雨刮器的主程序流程图设计294.3雨滴传感器的流程图设计304.4智能雨刮器电机控制的流程图设计315.系统调试335.1 元器件的选择与测量335.2 元件的焊接与组装335.3程序烧录345.4 KEIL运行355.5 运行结果356. 总结37致谢38参考文献39附录41附录 电路原理图41附录 程序42.1.绪论1.1 概述雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪和灰尘等，以保证玻璃透明清晰。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具朝着满足人们需求、安全、节能和环保的方向发展。为了满足人们对汽车日益提高的要求，汽车研发及生产机构必然要将越来越多的电子产品引入到汽车上，智能控制系统也成为汽车革新的主要内容。1.2 研究背景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。雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪、灰尘和水泥等，以保证玻璃透明清晰。第一个发明电动刮水器的是德国博世公司，博世将它作为“博世最年幼的产品”加入到博世的产品家族。自那以后，这个婴儿逐渐成长，从单纯的刮片发展到二十一世纪初的风窗玻璃之星无支架的刮水器。在汽车的驾驶史上，对风窗玻璃的清洁问题解决开始得比较晚。汽车从只有平添驾驶发展到成为全天候的驾驶。技术变化最大是在二战以后，伴随着大规模机械的出现。风窗玻璃洗涤器、间歇开关、后窗刮水器和可加热喷水器保证了驾驶时的视野清晰与行车安全。伴随着其他一些技术革新，比如雨滴传感器、可变位刮水臂、刮水器的出现，就更扩大了刮拭的范围，刮水器成为了一个复杂的系统。1.3国内外研究现状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。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。雨刮器总成含有电动机、减速机、四连杆机构、刮水臂心轴、挂水片总成等。当司机按下雨刮器的开关时，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，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。雨刮器的种类很多, 按安装位置分, 有顶置、底置、侧置、前后置和内外置等;按雨刮范围分, 有局部雨刮、整体雨刮、单面雨刮和双面雨刮;按运动方式分, 有四杆机构左右摆动式、导轨式直线和弧线运动式;按制作材料分,有普通黑胶体雨刮器、透明塑料体雨刮器和磁性体雨刮器。目前,车辆上广泛使用的是曲柄连杆机构黑胶体雨刮器。国外对汽车电动雨刮器的性能要求：1、耐久性能美国标准1975年SAEJ903b推荐（1）总成耐久试验 （2）刮片耐久试验 （3）橡胶片耐久试验 日本标准1976年JISD5710推荐（1）橡胶片耐久试验（2）总成耐久试验 试验后摇臂的压力变化和试验前相比应在15%以内, 摇臂和刮片的各部分不应有明显的松弛、松动（配合、间隙等）或其他有害缺陷的产生。2、强度性能美国标准1975年SAEJ903b推荐在刮动过程中阻挡摇臂15秒，试验后应仍能正常工作。3、刮刷性能美国标准1975年SAEJ903b推荐耐久试验 试验后刷净性能仍应达到75%。4、刮动频率（1）美国文献介绍 刮动周期 1-20秒（2）法国文献介绍 刮动频率 12-40次/分（3）美国文献介绍 间隔 3秒较普遍（4）英国文献介绍 适应极细雨时用, 频率和间歇均能独立控制。（5）美国文献介绍 倾盆大雨时的刮刷频率可高达80次/分,高于上述频率则雨刮将在风窗玻璃水而上浮掠而过, 破坏刮水性能。 1.4研究意义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，现在的汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动性和被动安全性。采用雨滴感应式自动雨刷控制系统可以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。如果汽车有雨滴传感器，驾驶者就无需调节雨刮器设置来迅速停止刮片的运动或者得到更好的视角。当在湿路上驾驶时，驾驶者就无需动手来打开雨刮器，所以驾驶者就可以集中精力开车。2.总体设计方案现在开发的雨滴检测雨刮器，将雨滴传感器检出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，控制刮雨器动作。在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。2.1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。2.2设计原理本次设计由检测部分，控制部分，驱动部分组成，其框图如图2-1所示。图2-1 设计原理框图2.3系统组成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。2.3.1 单片机的比较与选择单片机作为系统的核心部件它的选择对整个系统起着很重要的作用。目前较为广泛应用的单片机有51系列的8位、面向大数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)、增强型的16位单片机机以及32位的AR芯片这几种。DSP器件在工业控制领域应用很广泛，从长远来看它的应用必将越来越广。目前DSP器件具有的特性为，运算能力强，速度快，侧重于高端领域使用，其结构功能设计侧重于有大量数字信息处理的场合，但是它的价格较高，开发技术难度大。ARM芯片的优点是体积小、功耗低、功能广泛和性能高的特点，它主要应用在比较简单的小型的场合。51单片机是从八十年代就开始流行的处理器，其价格低，开发技术成熟，应用广泛，但不足在于功能过于简单，计算能力有限，并且扩展麻烦、功耗高，已不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求6。本次选择8位控制器的典型代表就是8051微控制器的stc12c5a60s2单片机。它是一款入门级微控制器，它内核简易，应用广泛，非常适合入门学习使用。而且它的价格低，对实时性要求不高的电子产品。STC单片机是一款增强型51单片机，完全兼容MCS51，还增加新的功能，新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，硬件看门狗，具有掉电模式，512B内存，支持ISP在线编程，不用编程器，程序可擦写10万次。引脚完全兼容，性能好，驱动能力强；抗干扰能力强；功耗更低；价格也比传统的89系列低。2.3.2 STC12c5a60s2功能特性概述目前市场上使用比较常见的51系列是STC89C52。STC89C52是通过低电压，高性能CMOS 8位微控制器与4K字节的只读程序可以反复擦写存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的生产，该设备采用了该公司的STC高密度，非易失性存储技术，与标准MCS-51指令集，内置通用8件中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C52单片机可为您提供高性价比的许多应用程序兼容的地方可灵活应用于各种控制领域其。性能参数如下：(a)与MCS-51产品指令系统完全兼容(b)4k字节可重擦写Flash闪速存储器(c)1000次擦写周期(d)全静态操作：0Hz24MHz(e)三级加密程序存储器(f) 1288字节内部RAM(g) 32个可编程IO口线(h) 2个16位定时计数器 (i) 6个中断源(j)可编程串行UART通道(k)低功耗空闲和掉电模式图2-2 STC 12c5a60s2引脚图STC89C52单片机提供以下标准功能：4k 字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，stc12c5a60s2可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。（2）STC89C52的内存空间1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。2、外部程序存储器（ROM）64K字节。3、内部数据存储器（RAM）256字节。4、外部数据存储器（RAM）64K字节。表2-1 程序存储6个特殊地址0000H上电或复位入口地址0003H外部中断0入口地址000BH定时器T0中断入口地址0013H外部中断1入口地址001BH定时器T1中断入口地址0023H串口中断入口地址在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。2.4雨滴传感器的分类2.4.1压电振子原理的雨滴传感器雨滴传感器又叫雨滴检测传感器，用于检测是否下雨及雨量的大小，广泛用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统中。在雨滴传感刮水系统中，用雨滴检测传感器检测出雨量，并利用控制器将检测出的信号进行变换，根据变换后的信号自动地按雨量设定刮水器的间歇时间，以便随时控制刮水器电动机;在汽车智能灯光系统中检测车辆行驶的环境，自动调整灯光模式，提高车辆在恶劣环境下行驶的安全性;在智能天窗系统中传感器一旦检测到下雨，会自动关闭天窗。图2-3 静电电容传感器2.4.2雨滴传感器种类雨滴传感器的种类有:(1)根据雨滴冲击能量的变化进行检测;(2)利用静电电容量变化进行检测;(3)利用光亮变化进行检测。2.4.3光量变化的雨滴传感器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。前两种雨滴传感器需要放在汽车的外部，而本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。所以采用第三种方法，利用光强变化来实现的雨滴传感器。如图2-4为雨滴传感器内部结构图。图2-4 雨滴传感器内部结构图2.4.4红外雨滴传感器的原理本设计中的雨滴传感器选用红外雨滴传感器，属于光量变化原理雨滴传感器的一种。由光（本设计中选用红外线）发射元件发射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-水）和63（玻璃-空气）之间。如果在挡风玻璃上有雨，雨量越大，反射回来的光越多。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。雨滴传感器的原理图如图2-5所示：图2-5 雨滴传感器原理图2.5 显示元件选择显示器现在最常用的有LED和LCD两种显示屏，LED显示屏显示清晰度高，分辨率高，但是价格相对较高：LCD显示屏虽然显示清晰度没有LED高，但是LCD显示屏价格相对便宜。主要考虑到LCD1602的价格便宜，使用方便，我们在学习中接触的也比较多。所以显示器模块选择LCD1602液晶显示屏。2.5.1液晶显示简介液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。液晶显示器各种图形的显示原理:线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。1602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图2-6所示：图2-6 液晶显示器实物2.5. LCD1602的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-7所示：图2-7 LCD1602尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-2所示:表2-2 1602引脚功能说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极2.6刮水电机2.6.1刮水电机型号的编制方法根据GB4831-1984电机产品型号编制方法中规定，电机产品型号由产品代号、规格代号、特殊环境代号和补充代号等四部分按以上顺序组成。电机产品代号见表2-3。规格代号见表2-4所示。表2-3 电机产品代号序号电机类型代号1异步电动机（笼型及绕线转子型）Y2同步电动机T3同步发电机（除汽轮发电机、水轮发电机外）TF4直流电动机Z ZD5直流发电机ZF6汽轮发电机QF7水轮发电机SF8测功机C9交流换向器电动机H10潜水电泵Q11纺织用电机F表2-4 主要系列产品的规格代号序号系列产品规 格 代 号1小型异步电动机中心高（mm）-机座长度（字母代号）-铁心长度（数字代号）-极数2大型异步电动机中心高（mm）-铁心长度（数字代号）-极数3小型同步电机中心高（mm）-机座长度（字母代号）-铁心长度（数字代号）-极数4中大型同步电机中心高（mm）-铁心长度（数字代号）-极数5小型直流电机中心高（mm）-机座长度（字母代号）6中型直流电机中心高（mm）或机座号（数字代号）-铁心长度（数字代号）-电流等级（数字代号）7大型直流电机电枢铁芯外径（mm）-铁心长度（mm）8汽轮发电机功率（MW）-极数9中小型水轮发电机功率（kw）-极数/定子铁芯外径（mm）10大型水轮发电机功率（kw）-极数/定子铁芯外径（mm）11测功机功率（kw）-转速（仅对直流测功机）2.6.2减速器的结构特点刮水电机的主要输出形式有两种：旋转输出与摆动输出。减速主要是一级或多级圆柱齿轮减速，蜗杆螺旋齿轮减速。（1）圆柱齿轮减速旋转输出的特点这种电机传动效率高，二级减速为80%以上，但噪音较难控制，它的大小取决于齿轮的加工精度及装配体的尺寸精度，一般用于20W以下的电机减速，以增大力矩，如图2-8所示。图2-6 二级圆柱齿轮减速旋转输出结构（2）蜗杆螺旋齿轮摆动输出的特点这种电机减速传动的特性与上述相同，但它还将旋转运动改变为摆动运动的一套曲柄摇杆机构同时置于减速箱内，使刮水电机输出形式直接为摆动，在20W以内的刮水电机中，这种型式较常见，其特点是在车身前围安装方便，适应性很强，结构紧凑。（3）蜗杆螺旋齿轮减速旋转输出的特点这种减速有时会被称之为蜗轮蜗杆减速，但实际上刮水电机减速器是一个斜齿轮与蜗杆吻合，所以严格讲应该称为螺旋齿轮减速。这类齿轮减速方式的优点是加工成本低、噪音小、冲击小、结构紧凑、但传动效率低，约为50%。一般在15W以上的刮水电机中大多用此方式达到减速增大力矩。6.2.3刮水电机的控制电路分析（1）电动刮水器的复位如图2-7刮水器自动复位装置示意图。在减速涡轮上，嵌有铜环，其中较大的一片与电机外壳相连接而搭铁，触点臂3、5用磷铜片制成（有弹性），其一端铆有触点，与蜗轮端面或铜片接触。当电源开关接通，把刮水器开关拉到：“I”挡（低速挡）时，电路为电池正极开关1熔断丝2电刷B3电枢绕组电刷B1接线柱接触片接线柱搭铁，此时电动机以低速运转。当刮水器开关拉到“”档时，电路为蓄电池正极开关1熔断丝2电刷B3电枢绕组电刷B2接线柱接触片接线柱搭铁，电动机以高速运转。当刮水器开关推到0挡（停止位置）是，如果刮水器刮水片没有回到原始位置（停放位置），由于触点与铜环9接触，则电流继续流入电枢，其电路为蓄电池正极开关1熔断丝2电刷B3电枢绕组电刷B1接线柱接触片接线柱触点臂5铜环9搭铁，形成回路，如图2-7b所示，电动机以低速运转直至蜗轮旋转到图2-7（a）所示的特定位置，电路中断。由于电枢的惯性，电机不可能立即停止转动，电动机以发动机方式运行，此时电枢绕组通过触点臂3、5与铜环7接通而短路，电枢绕组产生很大的反电动势，产生制动力矩，电机停止转动，使刮水片复位到风窗玻璃的下部7。（2）电刷调速图2-7 双速刮水电动机的变速原理(a)结构原理 （b）电路原理刮水电动机通常采用改变两电刷间串联的导体数的方法进行调速，如图2-5所示。电刷B3为高低速公用电刷，B1用于低速，B2用于高速，B1与B2相差。电枢采用对称叠绕式。永磁式三刷电动机，是利用三个电刷来改变正负电刷之间串联的线圈数来实现变速的。当直流电动机工作时，在电枢内同时产生反电动势，其方向与电枢电流的方向相反。如果使电枢旋转，外加电压必须克服反电动的作用，即Ue，当电枢转速上升时，反电动势也相应上升，只有当外加电压U几乎等于反电动势e时，电枢的转速才趋于稳定。3.智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍该雨刮器的雨滴传感器部分主要由发射模块和接收模块两大模块组成。而电机部分的主要芯片是四总线缓冲门74LS125。3.1 STC89C52的时钟电路和复位电路（1）时钟电路：STC89C52与内部振荡器包括一个反相放大器的一个单芯片，XTAL1和XTAL2是振荡器电路和输出端的输入端，内部或外部时钟可以在XTAL1和XTAL2引脚的外部晶体振荡器y为生成的，内部振荡电路将产生自振荡。定时元件用石英晶体和电容器的并联谐振电路系统。晶体频率选择12MHZ，电容值C1，C2取的30pF的电容器从频率调谐的作用大小。(2)复位电路：单片机有多种复位电路，本设计采用自动复位（上电复位）与手动复位方式。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作状态下，按下复位键时单片机复位。时钟复位电路如图3-1。图3-1 时钟复位电路3.2 A/D转换电路A/D转换器的位数与被测量对象的精度有关。一般情况下，电路设计的A/D转换器的分辨率是大于最小信号的分辨率更高的是所测量的对象。如果你想测量电源电压的电平，电压输出范围为0-10V，如要求精确到0.1V，即分辨率为0.1/10=0.01=1。选择实际的A/D转换器即可满足要求，A/D转换器有1/256=0.4的分辨率。并行接口A/D芯片仍然是最流行的是ADC0832，ADC0832，AD574，等等。该系统采用实现ADC0832模拟到数字信号的转换。ADC0832主要技术指标如下：(1)高阻抗状态输出；（2）分辨率：8位(0-255)；(3)存取时间：135ms；(4)转换时间：100ms；(5)总误差：-1-+1LSB；(6)工作温度：ADC0832C为0度-70度；ADC0832L为-40-85；(7)模拟输入电压范围：0V-5V；(8)参考电压：2.5V；(9)工作电压：5V；(10)输出为三态结构。3.2.1 ADC0832芯片介绍图3-2 ADC0832规格及引脚图本设计采用A/D芯片ADC0832，8位CMOS单信道是逐次逼近型A/D转换器，其规格和引脚图如图3-2所示，大致如下各引脚的功能：CS：芯片的片选信号，低电平有效，即，CS=0时，芯片正常工作时，多个外部ADC0832芯片，该信号可以被用来作为选择地址通过不同的地址ADC0832芯片，以使不同的信号，这可以实现分时复用的多个ADC通道。WR：当您启动ADC0832采样进行的，该信号为低电平有效，即WR从高电平变成低电平，触发ADC转换的信号。RD：低电平有效，也就是说，RD=0，则可以通过数据端口DB0DB7读出该样品的结果。UIN（+）和名单（-）：模拟电压输入，模拟电压输入连接器UIN（+）端子， UIN（-）接地。当双侧输入UIN（+），UIN（-）连接到正的模拟电压信号分别端子和负极端子。当模拟输入电压信号的“零电压漂移”的存在时，在UIN（-）连接到一个等效的零点偏移电压，该电压被自动从UIN（+）的转化时减去。VREF/2：进入参考电压引脚，该引脚可外接电压也可以是空置的，如果外部电压，ADC参考电压的外部电压的两倍，如果没有外部的，它是一种常见的电源电压Vref和Vcc时，在这一点上是电源电压Vcc的ADC的参考电压的值。CLKR和CLKIN：外部RC电路产生所需的时钟信号，ADC时钟频率CLK= 1/1.1RC，为100kHz至1.28MHz的频率范围一般要求。AGND和DGND：分别连接到模拟地和数字地。INT：中断请求信号输出引脚，该引脚为低电平，一个A/D转换完成后， INT=0，实际应用中，该引脚应是一个外部中断输入引脚连接到微处理器（MCU是51 INT0，INT1脚），当INT信号是积极的，你需要等待RD=0为了读取正确的结果A/D转换，ADC0832如果单独使用，也可以是INT引脚悬空DB0DB7：8位二进制结果输出A/D转换。3.2.2 ADC0832芯片电路图3-3 ADC0832芯片电路3.2 液晶显示电路3.2.1 1602液晶简介液晶显示器是一种显示器件，具有小体积、轻重量、低功耗等特色。由于其功耗低、显示的信息量大（例如，文本，图形，曲线等）、无电磁辐射、使用寿命长，它已被广泛应用在便携式电子产品。本系统显示采用了工业字符型液晶模块1602，可显示2行16个字符，能方便显示英文字母大小写、阿拉伯数字、常用符号等。通过自定义还可显示简单的汉字。本系统采用的1602是一款物美价廉的液晶显示屏，可以显示2行标准字符，每行共有16个字符。在通信系统，智能操作仪表和办公设备的自动化中被广泛的应用，主要功能是显示ASCII字符，因此被称为“字符型显示装置”。当在内部没有适合的汉字库的液晶类型显示器想要表达汉字的时候，第一步就是要获得想要的汉文或者图形的子模数据。子模块的软件不能直接提取的子模块的数据58点阵，可以从手工提取汉字的字体以模具。第二步，把取得的汉字子模数据保存在液晶存储器里面。1602液晶分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。3.2.2 液晶引脚说明第1脚：接地电源VSS。第2脚：5V正电源为VDD。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整的端口，对比度的强弱由接电源的不同决定，对比度的调整可以通过一个10k的电位器。 第4脚：RS是寄存器选择，高水平的数据寄存器，低选择指令寄存器。 第5脚：R / W的读和写信号线，高水平低的读操作，写操作。其中RS与R/W的关系决定了当时状态，例如两端共同为0时能够写入命令或者显示其地址，当两端同为1时可以读忙碌信号，当RS为1，R/W为0时能够将数据录入。 第6脚：使能端E，当E端由1至0时，液晶模块中的命令开始被运行。 第7至14脚：D0-D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。3.2.3 液晶显示模块电路液晶模块的电路的连接图如图3-5所示，第1脚和第2脚分别接到了电路的GND和VCC，这2个脚是液晶工作的电源输入脚。第3脚通过一个10K的电位器连接到地端，可通过调节该电位器来调节液晶的对比度。第4脚是液晶的寄存器控制脚，接到了单片机的P27脚上。第5脚是液晶的读写控制脚，接到了单片机的P26脚上。第6脚是液晶的使能脚，接到了单片机的P25脚上。第7脚到第14脚是液晶的数据/地址8位总线，接到了单片机的P0口上。最后第15脚和第16脚是液晶的背光电源脚，直接连接系统VCC和GND。如图3-4所示。图3-4 显示电路3.3 雨滴传感器电路设计雨滴传感器部分，由555定时器构成的多谢振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接收，这样就构成一个光电传感器。把光电传感器的信号经带通滤波器把信号频率限制在38KHz左右，再经分频器进行128分频，使脉冲信号变为毫秒数量级。如此构成的硬件图如图3-5所示：图3-5雨滴传感器部分硬件图3.4电机控制的硬件设计stc12c5a60s2单片机的P0口的P0.0、P0.1及P0.3、P0.4分别经四总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS04控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF640。下面举例说明此电路对电机A的控制过程:当单片机经P0接口输出12H控制模型时，由于锁存器74LS125中的三态门1是打开的，所以光电隔离器LEI导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应开关管IRF640（v1）导通。同理，74LS125中的三态门4输出为高电平，因此光电隔离器LEI发光并导通，因而使v4导通。同理可分析，此时v2和v3是关断的。因此电流从左至右流过直流电机，使电机正转。当P0接口输出09H时，则锁存器74LS125中的2，3号三态门打开，使得v2和v3接通，v1和v4关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。SA0为电机左到位开关，当SA0置一，则输出正向代码；SA1为电机右到位开关，当SA1置一，则输出反向代码7。电机复位端为两电机各自的左到位开关。电机部分硬件图如图3-6所示：图3-7 电机部分硬件图3.5发射模块发射模块的主要功能是为接收模块提供足够的光辐射通量，本设计中光源定为红外线，所以发射模块由八个红外发射器、一个555定时器和电阻电容元件组成。八个红外发射管采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动。3.5.1发射管发射管采用西门子公司出产的SFH421作为光源。峰值波长为880 nm，带宽80 nm。它具有高线性度、高可靠性、高脉冲处理能力等特点。采用4个一组，两组并联的方式，由555定时器驱动，发出频率为38 kHz的红外光。工作在38 kHz的频率下，采用这种方式可以减少发射电路的功耗。3.5.2由555定时器构成的多谐振荡器发射器的核心是振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。可由集成电路反相器、与非门、无稳态电路, 555定时器等组成. 其中555定时器组成的振荡发射系统容易起振,本身的输出功率较大,常用其组成发射系统,其芯片图如图3.1所示，原理图如图3.2所示：C、C的比较电压分别为V和V。接通电源后，电容C被充电，v上升，当v上升到v时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时v为低电平，电容C通过R和T放电，使v下降。当v降到v时，触发器又被置位，v翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： 式(3.1)当C放电结束时，T截止，v将通过R、R向电容器C充电，v由v上升到v所需的时间为： 式(3.2) 当v上升到v时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为2： 式(3.3) 图3-8 多谢振荡器电路图本文设计的发射模块就是由555定时器构成的多谐振荡器，通过式(3.1)、(3.2)、(3.3)计算出R、R和C的值，使555电路发出频率为38 kHz的脉冲波，从而驱动红外发射管工作在38 kHz的频率下。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电压和温度变化的影响很小。所以电源电压的变化,对发射频率的影响可忽略.但对红外光发射强度的影响不容忽略,须采取提高稳定发射强度的措施,方法是采取恒流源技术或窄脉冲发射的措施,能使红外辐射强度保持不变。本设计中采用的是恒流源技术。如图3-9所示。3.6接收模块接收模块是由一个红外接收管、带通滤波器、分频器及51单片机组成。3.6.1红外接收管红外接收管SFH320是西门子公司生产的，外形图如图3-3所示。它将接收到的红外光脉冲信号变成电脉冲信号后送入带通滤波器。SFH320是NPN型硅光电三极管。峰值波长为880 nm，具有高线性度、高可靠性等特点。图3-9 SFH320外形图3.6.2带通滤波器带通滤波器的作用是只允许某一段频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。这种滤波器经常用于抗干扰的设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段及低频段的干扰和噪声。将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波电路。其原理示意图如图3.3所示。在图2-3中，低通滤波器的通带截止频率为f，即该低通滤波器只允许ff的信号通过。现将二者串联起来，且ff，则其通频带即是上述二者频带的覆盖部分，即等于f-f，成为一个带通滤波器根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路见图3-10。输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端。4.软件设计4.1程序语言及开发环境C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔实验室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。4.2 智能雨刮器的主程序流程图设计在汽车智能雨刮系统中，有许多非线性因素都会对雨刮同步造成影响。这样，我们就需要用人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使两个雨刮同步摆动。因此，把模糊控制技术运用到雨刮同步控制中，可以使系统有良好的控制效果。汽车智能雨刮器的主程序流程图如图4-1所示：图4-1 智能雨刮器主程序流程图4.3雨滴传感器的流程图设计因为脉冲的中心频率为38KHZ，进行128分频后约为300HZ，周期即为3ms，所以选定定时时间为60ms，在此时间段内最多可接收20个脉冲，由此在按脉冲的多少进行大小雨的分配，由此形成的雨滴传感器的流程图如图4-2所示。图4-3定时器的流程图4.4智能雨刮器电机控制的流程图设计对于直流电动机的转速来说，当励磁恒定时，它是随着电枢电压的增减而增减的(当然也可以利用改变励磁的大小来调节直流电机的转速)。所以，一旦调节或改变直流电动机的电枢电压，即可达到控制转速的目的。通过改变单片机输出PWM脉宽信号的占空比，来控制直流电动机的电枢电压，从而改变雨刮电动机的转速8。汽车雨刮器电机的软件流程图如图4-4所示。图4-4 雨刮器电机部分流程图5.系统调试5.1 元器件的选择与测量本次设计的元器件主要有：单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、三极管、雨滴传感器、数模转换芯片、液晶等。这些元器件的引脚需要我们认真查找资料，了解每个器件的特性再进行焊接。这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到。其中焊接时要注意元件正负极性，电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。一般电阻的大小可以通过色环读取，或直接用万用表进行测量；电容和晶振等的大小会标准在元件本身；元件的正负可以遵循长正短负的原则，一些特殊元件可以通过查找资料获知正负极。5.2 元件的焊接与组装组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面。 (1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。 (2)所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确进行焊接合理安排布线。 (3)分立元件时应仔细辨明器件的正反向，标志应处于比较容易观察的位置方便检查和调试。对于有正负极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意极性，否则将会造成实验失败。 (4)为了便于焊接查线以及后期的检查电路，可根据电路中接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。当然使用一种颜色也是可以的。 (5) 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便。连线不跨接集成电路芯片上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠、尽量不从电路中元器件上方通过。(6)为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。5.3程序烧录在整体调试之前，首先将编译、链接通过的前提下，把程序下载到单片机中，使用的软件是STC_ISP船用下载器烧录到单片机，如图5-1。由于系统的主要功能是实现数据采集、无线传输接受数据。程序下载成功之后，通过USB供电通讯给单片机提供5V电源，DS18B20将数据传送给单片机，同时将温度通过LCD1602显示。图5-1 程序烧录图5.4 KEIL运行本系统设计是在Keil C环境下开发的，使用的Keil C软件支持C语言的编程及调试，运用方便。Keil C程序运行如图5-2所示：图5-2 KEIL运行图5.5 运行结果线路连接后之后，按下工作电源，使电路板处于工作状态。就可以看到在LCD上显示当前采集到的温度值和烟雾浓度值，并可以设置界限值，如图5-3所示。图5-3 硬件显示结果6.总结现代计算机技术，对世界经济的工业革命从资本进入经济向知识型经济。在电子世界的领域，从收音机时代进入现代智能电子系统的21世纪计算机技术为中心的时代，20世纪。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统），而单片机是最典型，最广泛，最流行的嵌入式系统。该雨滴传感器安装在风挡玻璃上驾驶室一侧，通过改变雨量的大小，能使雨刮器自动工作在低速档或高速档。实验证明，该智能雨刮系统反应灵敏，输出信号延时可忽略，性能稳定，实现了雨量实时监测。本文在查阅了大量文献的基础上，结合实际应用问题，对智能雨刮系统进行了研究。目前的雨刮系统大多是机械连杆结构的，采用雨滴感应式的智能雨刮系统只是在少数高级轿车上有应用，因为目前使用的光电雨滴传感器大都是由国外厂商一统天下，因而，价格比较昂贵，很难普及。本文所研究的红外雨滴传感器及智能雨刮系统，由于成本低廉，性能稳定，可靠性高，易于在大客车和低档轿车上普及应用，有广泛的市场应用前景。关于红外雨滴传感器及模糊控制器的设计，还有一些特殊情况未在本文所研究之