基于单片机的汽车智能雨刮器设计毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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基于单片机的汽车智能雨刮器设计

摘要

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。

本文分析了三种雨滴传感器的组成原理，基于光强变化的原理设计了一种新型的汽车红外线雨滴传感器。当下雨时，该雨刮器系统可以通过红外雨滴传感器感知雨量大小，分辨出是大雨还是小雨,使雨刮器自动工作在高速或低速状态，能够取代传统的机械结构的雨刮器。

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。

本文基于单片机完成了对雨滴传感器及模糊控制的软、硬件设计，并对控制系统进行了MATLAB仿真，仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象，提高系统的响应速度和稳态性能。

关键词：雨滴传感器；模糊控制；单片机；雨刮器

The Design Of Intelligent Windscreen Wiper Of Automobile

Based On Single Integrated Circuit

Abstract

The windscreen wiper is an accessories of the Automobile, it is an important part of Automobile for the steer security. It is used to clear up the rain and snow, dust and cement on the windscreens,rear windows and headlight windows,to make sure the windows transparent and clear.

In this thesis,compositive theory of three kinds of rain sensors are analysed,and a new-type of infrared rain sensor of automobile is designed based on the theory of variety of light intersity.When it rains,the windscreen wiper system senses the amount of rainfall by the infrared rain sensor and distinguish the number of precipitation rain fall and thus makes the windscreen wiper automatically work either at a high speed or at a low speed. It can replace traditional windscreen wiper system of mechanical structure.

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.

The software and hardware of rain sensors and fuzzy control was completed based on SCM in this thesis,and process the simulation of MATLAB. The simulation results showed

that the system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance.

keywords：rain sensor；fuzzy control；SCM；windscreen wiper

目录

摘要....................................................................................................................................... V Abstract .................................................................................................................................... VI 第一章引言. (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 研究的意义 (2)

1.3 论文的内容 (2)

第二章智能雨刮器的原理及种类 (4)

2.1 雨滴传感器的分类 (4)

2.1.1 压电振子原理的雨滴传感器 (4)

2.1.2 静电电容原理的雨滴传感器 (4)

2.1.3 光量变化的雨滴传感器 (5)

2.2 红外雨滴传感器的原理 (5)

第三章智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍 (7)

3.1 发射模块 (7)

3.1.1 发射管 (7)

3.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器 (7)

3.2 接收模块 (9)

3.2.1 红外接收管 (9)

3.2.2 带通滤波器 (10)

3.2.3 分频器CD4024 (12)

3.2.4 80C51芯片资料 (12)

3.3 四总线缓冲门74ls125 (14)

第四章智能雨刮器硬件设计 (16)

4.1 智能雨刮器的结构框图 (16)

4.2 雨滴传感器的硬件设计 (16)

4.3 电机控制的硬件设计 (16)

第五章智能雨刮器的软件设计 (19)

5.1 雨滴传感器的流程图设计 (19)

5.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计 (20)

5.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计 (22)

第六章基于模糊控制的智能雨刮控制系统 (23)

6.1 模糊控制简介 (23)

6.2 模糊控制的数学基础 (24)

6.2.1 模糊集合 (24)

6.2.2 隶属度函数及其确定 (24)

6.3 模糊控制器的设计 (25)

6.3.1 模糊控制器的结构设计 (27)

6.3.2 精确量的模糊化 (28)

6.3.3建立模糊控制器的控制规则 (29)

6.3.4模糊判决 (29)

6.3.5论域、量化因子及比例因子的选择 (30)

6.3.5.1论域及基本论域 (30)

6.3.5.2量化因子 (30)

6.3.5.3比例因子 (31)

6.3.5.4量化因子和比例因子的选择 (31)

6.4 智能雨刮器电机的模糊控制 (32)

6.4.1 智能雨刮器的控制原理图 (32)

6.4.2 直流电机的调速原理 (33)

6.4.3 电机同步设计中选择模糊控制的原因 (34)

6.4.4 模糊控制在电机同步控制中的应用 (36)

6.5 模糊控制算法流程图 (40)

6.6 控制系统的仿真与分析 (42)

总结 (45)

参考文献.................................................................................................. 错误！未定义书签。附录A matlab仿真图.. (48)

附录B 硬件原理图 (51)

附录C 程序 (52)

致谢 (65)

第一章引言

1.1 研究背景

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。

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。

目前传感器在汽车上的应用已经相当广泛，汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。在对于汽车雨刮器的研究上，智能雨滴传感器自然成了智能刮水器系统的重要组成部分。智能化传感器是具有智能功能的高档传感器，它具有检测、信息处理功能、自动进行各种误差补偿、精度高、量程覆盖范围大、稳定性好、输出信号大、信噪比高、传输中抗干扰性能好，可远距离输送信号，有的还带有自检功能。

1.2 研究的意义

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。

1.3 论文的内容

论文结合智能雨刮系统的特点，进行了以下几个问题的研究：

1．论文总结了汽车雨刮器的发展历程以及汽车传感器的现状及发展趋势，提出了研制汽车雨滴传感器的重要意义。

2．目前，雨滴传感器主要由三种原理构成：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器和利用光量变化的传感器。我们根据把雨滴传感器放在汽车内部的需要，利用光量变化的原理，研制出了一种新型红外线汽车雨滴传感器。该雨滴传感器能够智能的分辨出大雨还是小雨，从而使雨刮做高速或低速摆动。

3．本文系统分析了模糊控制理论及模糊控制技术在汽车上的应用。汽车工业在其发展过程中所日益显示的对于高新技术的可容性和电子化趋势，使得模糊技术颇受各国汽车公司和厂商的重视，并由此掀起了一股模糊技术用于汽车的热潮。因此，要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术。

4．把模糊控制技术用于汽车智能雨刮系统中的两个雨刮片的同步问题。由于生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就会存在两个雨刮片摆动不同步的问题。用模糊控制器来取代传统的PID控制器，可以更好的控制雨刮片的同步。整个系

统80c51单片机来控制，给出了硬件和软件设计。

5．用MATLAB软件对模糊控制系统和PID控制系统进行了仿真，并对比两个仿真结果。仿真结果表明了设计的合理性及方案的可行性。

第二章智能雨刮器的原理及种类

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 雨滴传感器的分类

2.1.1压电振子原理的雨滴传感器

压电振子利用压电效应将机械位移(振动)变成电信号。压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量作振动；将雨滴的冲击能量变换成电压波形，再输入到雨刮控制器。该电压波形的积分值(斜线部分的面积)与某一定值的速度对应，这样就可控制刮雨器运动的速度。如图2.1所示：

图2.1压电振子传感器

2.1.2静电电容原理的雨滴传感器

静电电容表示因电极之间的物质不同(在雨滴传感器中为“空气”和“水”)能储存电荷量的能力。电极面积(S)，电极的间隔(d)不变，则静电容C只由介电系数(ε)决定。因水和空气的ε值不同，C随雨滴的大小而变。利用静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，从而控制雨刮器的动作。如图2.2所示：

图2.2 静电电容传感器

2.1.3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。

2.2 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[1]。雨滴传感器的原理图如图2.3所示：