汽車雨量檢測及自動雨刷器仿真控制電路設計

李延廷

（北京信息職業技術學院，北京 100070）

1 引言

在《汽車綜合控制系統應用與調試》課程教學中，我們需要設計汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制電路。若采用實際汽車上的雨量傳感器檢測雨量，就需要設計一個片狀的、水量可調節的噴水頭，以便仿真自然條件下的降雨環境。這就需要在實訓室安裝供水管線，造成實訓室管線較密，既不美觀，也存在安全隱患。同時，由于這些供水管線僅用于汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制實驗，利用率低。因此，我們考慮采用其他方法仿真出雨量傳感器檢測的雨量信號，并且檢測原理也與雨量傳感器基本相同。為此，我們課題組設計基于雨量傳感器工作原理的雨量檢測與雨刷器仿真控制電路。

2 雨量檢測仿真電路設計

2.1 實際雨量傳感器工作原理

紅外光雨量傳感器內部含有紅外發光二極管和紅外光電管。發光二極管發出的光按以一定角度照射到汽車擋風玻璃上，經過汽車擋風玻璃的散射后，大部分光反射回到光電管，并轉化成電信號。當汽車擋風玻璃上有雨水時，散射增強，反射回來的光線減少，光電管接收到的光線減弱，轉換出的電信號減弱。因此通過測量光電管輸出電信號的強弱變化，就能得知汽車擋風玻璃上的雨量變化。

2.2 基于雨量傳感器工作原理的雨量檢測仿真電路設計

2.2.1 紅外光發射電路

紅外光發射管采用硅光電二極管，它具有暗電流小、噪聲低、受溫度影響小，價格便宜等優點。紅外光發射管D1～D3 并聯（圖中僅畫1 個），采用脈寬調制驅動，工作在38kHz 的頻率下。采用這種方式可以減少發射電路的功耗。脈沖發生器由NE555 時基集成電路外加若干阻容元件構成。由于紅外光線肉眼不可見，所以可在紅外光發射管旁邊并聯綠色光電二極管指示紅外光發射管是否正常工作。

2.2.2 紅外光接收電路

紅外光接收電路由紅外光專用集成接收芯片LF0038 和若干阻容元件組成，如圖2 所示。LF0038 內部電路由紅外光電二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路及比較器等組成。紅外光電二極管將光信號轉變為交流電信號，并把電信號送到放大器和限幅器，進行信號放大和信號幅度限制。交流電信號送入帶通濾波器，帶通濾波器讓頻率為30kHz～60kHz 的交流信號（負載波）通過，即獲得38kHz 負載波信號。38kHz 負載波信號經解調電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平信號，從而還原出紅外光發射電路端的信號波形。注意：紅外光接收電路輸出的信號波形與紅外光發射電路輸出的調制信號波形的相位相反，目的是為了提高接收靈敏度。LF0038 共有3 個引腳：1 腳為輸出，2 腳接地，3 腳接電源（2.7V～5.5V）。當LF0038 接收不到38kHz 的脈沖信號時，1腳輸出高電平；當接收到38kHz 的脈沖信號時，1 腳輸出低電平。在室外降雨環境中，當有雨滴降落在擋風玻璃的敏感區時，LF0038 的l 腳輸出脈沖信號。單位時間內的雨量越大，則脈沖信號的脈沖越密集；單位時間內的雨量越小，則脈沖信號的脈沖越稀疏。

2.2.3 模擬雨量轉盤及轉盤驅動電路設計

在實訓室環境下，我們利用涂上黑白兩種色彩的轉盤模擬降雨環境。轉盤上的白色區域主要反射紅外光，黑色區域主要吸收紅外光。轉盤轉動過程中，黑色區域吸收紅外光，引起紅外光反射量減少。隨著轉盤轉動，LF0038 的光敏感面接收的紅外反射光照度發生變化。在轉盤轉速保持不變時，LF0038 輸出端輸出的周期性脈沖信號波形不變。隨著轉盤轉速增大，LF0038 輸出脈沖信號的脈沖越密集，脈沖信號的電壓越大；隨著轉盤轉速減小，LF0038 輸出脈沖信號的脈沖越稀疏，脈沖信號的電壓越小。因此，可以根據LF0038 輸出脈沖信號的電壓的大小判斷轉盤轉速的大小（即模擬的雨量大小）。至此，可看出：用轉盤的轉速模擬雨量的大小是可行的。為得到可變化的雨量（即變化的轉盤轉速），可用直流電機帶動轉盤旋轉，而直流電機由電機專用驅動芯片L9110 驅動。L9110 的引腳功能如下：1 腳-A 路輸出；2、3 腳-電源電壓；4 腳-B 路輸出；5、8 腳-地線；6 腳-A 路輸入；7 腳-B 路輸入。由L9110 和直流電機組成的轉盤驅動電路如圖3 所示。

圖1 紅外光發射電路

圖2 紅外光接收電路

圖3 轉盤驅動電路

圖4 AC/DC轉換電路

圖5 單片機控制系統電路框圖

3 AC/DC 轉換電路設計

AC/DC 轉換電路設計主要由Ture RMS/DC 轉換器AD536A 及外圍阻容元件組成的AC/DC 轉換電路如圖4 所示，用于將紅外光接收電路輸出脈沖交流信號轉換為直流信號。

4 單片機控制系統電路

單片機控制系統電路框圖如圖5 所示。單片機系統用于對A/D 轉換電路送來的調速數據、雨量數據進行處理，并輸出控制信號控制轉盤、雨刷器改變轉速；A/D 轉換電路將調速電壓信號、AC/DC 轉換電路輸出信號轉換調速數據、雨量數據；鍵盤顯示電路用于雨刷器工作模式，顯示雨量值；轉盤調速電路用于提供調速電壓信號；轉盤驅動電路和雨刷器驅動電路結構相同，在單片機系統控制下驅動轉盤電機改變轉速，驅動雨刷器電機改變轉速和變換工作模式。5V 直流穩壓電源用于給整個系統提供5V 直流電壓。

5 單片機控制系統控制程序設計

單片機控制系統控制程序采用C 語言編寫而成，主要包括系統初始化程序、A/D 轉換與數據儲存程序、調速數據與模擬雨量數據處理程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、雨刷器或轉盤驅動程序等功能模塊。整機系統上電后，系統控制程序控制下，單片機系統開始初始化；按下雨刷器啟動鍵，雨刷器按設定模式工作；旋轉調速旋鈕，調速信號A/D 轉換后送到單片機系統，經單片機系統處理后，控制轉盤驅動電機改變轉速。轉盤轉速變化后，模擬雨量信號發生變化。模擬雨量信號經AC/DC 轉換、A/D 轉換后送到單片機系統。單片機系統對雨量數據進行處理后，輸出控制信號控制雨刷器電機改變轉速。具體體現為：隨著調速旋鈕向增速方向旋轉，可到雨刷器電機轉速增加。

結語

目前，汽車雨量檢測及自動雨刷器仿真控制電路已在教學中得到應用，并且運行穩定、效果良好。系統控制源程序代碼對學生公開，在開展汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制實訓項目教學時作為學生學習的參考資料。正是由于我們設計了汽車雨量檢測及自動雨刷器仿真控制電路（含軟件）實訓臺，學生能夠更好地培養學生設計汽車雨量檢測及自動雨刷器仿真控制硬件電路和控制程序的設計能力，有效地提高學生的汽車單片機技術應用能力。

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