汽車智能刮水器控制系統設計方案

任國清， 孔慧芳， 張曉雪

（1. 安徽江淮汽車股份有限公司， 安徽合肥 230009；2. 合肥工業大學電氣與自動化工程學院， 安徽合肥 230009）

近年來， 隨著電子技術、 計算機技術和總線技術在汽車上的應用， 汽車電子控制技術得到了迅猛發展， 該技術大大提高了汽車總體系統的可靠性和可維護性， 使汽車智能化和一體化等方面有了較大突破。 據統計， 全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛員手動操作刮水器引起。 采用手自動結合的智能刮水器控制系統， 增加了駕駛員操作刮水器的可選擇性， 并有效地提高了駕駛員雨天行車的安全性與舒適性。

智能刮水器的控制器、 執行電動機和機械機構構成一個完整的自動控制系統。 與傳統的刮水器控制系統相比， 智能刮水器控制系統更加人性化， 智能化。 該系統采用Freescale公司的MC9S08DZ60為核心控制器來控制整個系統， 并運用PWM （脈寬調制） 技術實現對刮水直流電動機的調速控制。 選擇自動檔時， 在下雨天或有水濺到了風窗玻璃的情況下， 駕駛員無需操作， 紅外雨量傳感器感應到雨滴后， 刮水器會自動開啟， 并能夠根據雨量的大小自動調節刮雨的速度， 雨停后又可以自動停止工作。駕駛員也可以選擇手動檔， 手動檔設有低速、 高速和間歇檔3個檔位。

1 智能刮水器控制系統硬件設計

1.1 系統組成與工作原理

智能刮水器控制系統的硬件電路采用模塊化設計［2-3］。 系統由單片機最小系統、 刮水電動機、 電動機驅動模塊、 紅外雨量傳感器、 開關信號輸入、 檔位顯示、 回位檢測、 CAN通信、 串口通信等模塊組成。 系統結構框圖如圖1所示。

系統的工作原理為： 單片機采集開關檔位信號和雨量傳感器的信號。 自動檔時， 雨量傳感器根據風窗玻璃上雨量的大小輸出雨量信號， 該信號經調理電路處理后送到單片機， 單片機判斷出雨量的大小后， 輸出相應的PWM （脈寬調制） 信號， PWM信號送到電動機驅動電路， 從而實現對刮水器轉速的控制； 雨停后， 刮水器可以自動停止工作。 手動檔時， 單片機根據所采集到的手動檔位信號， 輸出相應的PWM （脈寬調制） 信號來控制刮水電動機的轉速。 另外， 單片機通過采集刮水電動機的回位信號， 實現了對刮桿的回位控制。

1.2 系統各模塊硬件電路設計及其功能

1.2.1 單片機最小系統

系統采用Freescale半導體公司的MC9S08DZ60單片機為核心控制器。 MC9S08DZ60采用高性能、低功耗的8位HCS08中央處理器， 具有40 M主頻、60 K的片內存儲器、 53個I／O端口、 24個中斷引腳、支持兩種超低功耗模式， 同時支持CAN2.0A／B、LIN 2.0和SAE J2602等多種協議［4－5］。 該單片機具有處理能力強、 運行速度快、 資源豐富、 開發方便等優點， 在許多行業都得到了廣泛的應用。

MC9S08DZ60的工作電壓范圍為－0.3～5.8 V， 而汽車提供的電壓為12V。 因此， 設計電源模塊時， 選用穩壓集成芯片CJ78L05和AMS1117， 將汽車的12V電壓先轉化為5V電壓， 再轉化為3.3V電壓。 電源模塊還向系統的其他電路提供12 V、 5 V和3.3 V電源。

1.2.2 開關信號輸入模塊

該模塊實現停止檔、 高速檔、 低速檔、 間歇檔及自動檔等開關信號的輸入及對這些開關量信號的處理。

1.2.3 雨量采集與處理模塊

系統使用紅外散射式雨量傳感器采集雨量的信號， 它安裝在前風窗玻璃內側。 如圖2 所示， 雨量傳感器含有一個LED紅外發光二極管和一個紅外接收光電二極管［6－7］。 紅外發光二極管將紅外光以固定角度 （42°～63°） 投射到風窗玻璃上， 經由風窗玻璃、 棱鏡反射回到紅外接收二極管。

當玻璃表面干燥時， 發光二極管發射的紅外光線幾乎是100%地被全反射回來， 這樣光電二極管可接收到大量的反射光線。 當風窗玻璃表面有雨滴時， 入射到風窗玻璃上的紅外光線被部分折射掉，接收管接收的光線變少， 雨量越大則接收的光線越少， 與此同時雨量傳感器將輸出一串脈沖波， 且脈沖波的數量與雨量的大小成正比， 如表1所示。

表1 傳感器的平均脈沖數與雨量大小的關系

自動檔時， 單片機通過在給定的時間內對脈沖波計數， 并根據脈沖個數來判斷雨量的大小。 雨量信號處理電路如圖3所示。 其中RAIN_1為雨量信號輸入引腳， 該信號經鉗位二極管、 上拉電阻、濾波電路和非門邏輯電路74HC04處理后， 輸入到單片機的輸入信號捕捉引腳（PD4）。

1.2.4 電動機驅動模塊

電動機驅動電路主要實現刮水電動機的驅動與制動。 直流電動機的調速方案有3種： 一是通過改變電樞電壓調速， 二是改變勵磁繞組電壓調速， 三是改變電樞回路的電阻調速［8］。 本文采用PWM信號來實現第一種調速方案。

在PWM信號作用下， 高電平時， 電動機通電，其轉速增加； 低電平時， 電動機斷電， 其轉速減小。 若按一定規律改變通斷的時間， 便可使電動機的轉速得到控制。 因此， 在PWM調速系統中， 在電源電壓不變的情況下， 電樞端電壓取決于占空比的大小。 電動機的電樞電壓為

式中： α——占空比， 0≤α≤1； U——電源電壓， U=12 V。

另外， 直流電動機的轉速

式中： n——電動機轉速； Ua——電樞電壓；Ia——電樞電流； Ra——電樞電阻； Ce——電動勢常數； ψ——磁通量。

若忽略電樞電阻壓降， 則由以上兩式可得， 電動機的平均轉速（圖4） 為

式中： nd——電動機平均轉速； nmax——電動機最大額定轉速。

由圖4可知， nd與占空比α并不是完全線性關系（圖中實線）， 當系統允許時， 可以將其近似看成線性關系 （圖中虛線）。 因此也就可以看成電動機電樞電壓Ua與占空比α成正比， 改變占空比的大小即可控制電動機的速度。

由以上可知， 電動機的轉速與電動機電樞電壓成比例， 而電動機電樞電壓與控制波形的占空比成正比。 因此， 電動機的速度與占空比成比例， 占空比越大， 電動機轉得越快， 當占空比α＝1時， 電動機轉速最大。 根據手動檔位信號或自動檔時采集的雨量信號， 單片機輸出相應的PWM控制信號， 該PWM信號送到電動機驅動芯片BTS7810K， 從而實現對刮水電動機的調速控制。

1.2.5 回位檢測模塊

通過對刮桿的位置檢測， 能夠實現在停止檔和間歇檔時， 使刮桿回位到風窗玻璃的底部 （復位位置）。 回位檢測的位置信號如圖5所示， 即在蝸輪蝸桿機構的凸輪盤上安裝一個凸輪片［9］， 外部連搭鐵信號（GND） 和回位輸出信號 （BACK）。 單片機通過不斷檢測回位信號， 來判斷刮桿是否歸位。 當檢測到回位信號時， 將產生低電平脈沖。

1.2.6 CAN通信模塊

CAN總線是在汽車計算機控制系統中應用最為廣泛的現場總線之一。 單片機MC9S08DZ60支持CAN2.0A／B協議。 使用TLE6250GV33芯片， 可方便地實現單片機與車內其他電控模塊之間的數據交換。 另外， 該芯片具有良好的電磁兼容性能， 能夠適應汽車上的惡劣環境， 其電路如圖6所示。

1.2.7 串口通信模塊

單片機MC9S08DZ60自帶2個SCI （串行通信接口）， 可支持LIN 2.0協議和SAE J2602協議。 使用MAX3232芯片， 可方便地實現單片機與PC的串行通信。

1.2.8 檔位顯示模塊

采用5個LED燈指示刮水器的工作模式， 即慢檔、 快檔、 間歇檔、 自動檔、 停止檔。

2 智能刮水器控制系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計方法， 系統程序由主程序模塊和子程序模塊組成， 主程序通過調用子程序完成數據處理。 系統主程序流程圖如圖7所示。 系統開始運行后， 采用查詢方式查詢當前檔位信號， 并根據檢測到的檔位信號執行相應的子程序， 如此循環往復。 在停止檔或間歇檔時， 為保證駕駛員的前方視野不被刮桿檔住， 系統不斷檢測刮水器回位信號， 通過回位子程序使刮桿回位到風窗玻璃底部。

自動檔子程序流程圖如圖8所示， 通過利用單片機的RTC的實時中斷功能， 實現對雨量脈沖信號計數。 當檢測到自動檔時， 開始對雨量輸入引腳PTA6的脈沖信號進行計數， 并根據所計數值的大小執行相應的子程序。 無雨時， 輸出占空比為0的PWM信號控制刮水電動機； 小雨時， 輸出占空比為50%的PWM信號； 中雨時， 輸出占空比為75%的PWM信號； 大雨時， 輸出占空比為100%的PWM信號。 雨量傳感器僅僅是用來感知有沒有降水發生，對降水的強弱及數量無嚴格的要求， 雨量的界定可依據經驗值設定［7］。

3 試驗結果與分析

利用Protel99SE軟件， 設計并制作了刮水控制器雙面PCB電路板， 如圖9所示。 同時， 利用單片機開發軟件CodeWarrior6.3進行了系統軟件的設計。整個系統研制完成后， 在汽車刮水電動機上進行了相應的試驗。

試驗測試結果表明， 手動檔時， 該控制器可分別實現刮水器在低速檔、 高速檔和間歇檔工作； 自動檔時， 通過改變雨量的大小， 刮水器能自動跟隨雨量大小而改變刮桿的擺速。

4 結束語

本文介紹了汽車智能刮水器控制系統軟硬件的設計過程。 運用單片機MC9S08DZ60輸出的PWM信號調節刮水電動機的轉速， 編程實現了刮水器的手動控制和自動控制， 電路簡單， 使用靈活。 該系統性能可靠， 控制效果良好， 有效地提高了雨天駕駛的安全性與舒適性， 具有廣闊的應用前景。

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