智能雨刷传感器课程设计示例教材.docx

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智能雨刷传感器课程设计示例教材

重庆文理学院

电子电气工程学院

专业课程设计

论文题目：

智能汽车雨刷控制系统设计

论文作者：

朱在沥

学号：

201108069010

专业：

电气工程及其自动化

中国重庆

2013年12月

摘要3

0引言4

1　设计方案5

1.1　信号采集部分5

1.2　信号处理部分8

1.3　结构规划部分部分11

2　参考文献13

摘要

针对现在国家提倡节能的的号召，本文介绍了一种由数字电子技术和模拟电子技术以及传感器原理与应用的的检测系统设计方案。

因学校的教室在很多情况下因为没有人而日光灯开启而浪费电的现象，现对于学校的电能节约理念设计一种节能的日光灯控制系统，控制系统中主要应用了数字、模拟电子技术中的众多元器件，且基于传感器技术原理这门课程的原理而设计。

主要应用到光敏红外二极管，以及ATMEL80C51单片机芯片，应变式电阻传感器，光敏二极管以及电阻、异步加法、减法计数器等。

关键词：

ATMEL80C51集成电路芯片；74191异步计数器；光敏传感器；步进电机；雨量传感器。

0引言

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和安全，节能，环保的方向发展。

正是出于这种考虑，下雨下雪时，因为雨雪覆盖挡风玻璃遮挡视线从而增加安全隐患极易发生事故。

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应用到汽车上。

传统的机械雨刷需要驾驶员手动操作，这会让驾驶员分心更加增加安全隐患，即使有传统机械传动设备，与电子传感器器件相比，也有诸多不便。

开发出在汽车行驶中检测到雨滴后雨刷器就自动工作的智能雨刷系统，至少可以将现在的雨刷器减少了3个开关。

这样，不仅驾驶员就无需调节雨刷器设置来迅速停止刮片的运动或者的高更好的视角。

而且当不需要雨刷工作时也能自动停止工作。

一、设计方案及思路

1.1信号采集

本数据采集系统主要由外界条件的采集、数据的传输组成（见图1）

图1汽车自动雨刷控制系统结构框图

1.2元件分析

雨量传感器与光电传感器原理相似如图所示，光电传感器是将被测量的变化转换成光的变化，再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，雨量传感器是基于光强变化的原理。

、图2雨量传感器实物模拟图

图3步进电机内部结构

图4雨水传感器内部结构

二﹑雨量传感器工作原理

1﹑雨量传感器的基本理论

（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：

Sin（i）/sin（r）=n21

式中,n21—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。

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4所示。

图5雨水传感器原理图

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。

雨量传感器的基本实现电路

2﹑雨量传感器的电路设计

（1）、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

（1）

（2）（3）计算，得出R1、R2、C1值。

微调节R2，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。

ip1=0.7（R1+R2）C1

（1）

ip2=0.7R2C1

（2）

i=1/T=1.44/（R2+2R1）C1（3）

（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。

因而电路比较复杂，体积也比较大。

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，1脚输出低电平。

（3）、控制电路

图6

一般情况下采用2~4个红外发射管，与红外发射管串联的电阻取值要保证红外发射管发出的光强满足本设计的要求；红外发射管的角度要保证红外光在挡风玻璃的外表面形成全反射；R5、R6取值满足输入到单片机的脉冲信号幅值满足要求。

当有雨滴落在挡风玻璃的“敏感区域”时，1脚输出一串脉冲波，小雨时，脉冲波的数量少；大雨时，脉冲波的数量多。

我们使用的雨刮电动机有低速挡和高速挡，用单片机AT89C2051来检测脉冲波，根据给定时间内脉冲波数量的多少来控制雨刮器工作。

三、过程原理

控制过程如图：

自动雨刷的控制电路如下图7所示：

图7

四、软件设计部分

系统软件的设计包括主程序的设计、电机转速设置程序设计、各中断服务等程序设计组成。

1主程序设计

本设计的单片机控制程序采用51单片机汇编语言编写，在编写的过程中，尽量向结构化、模块化的方向编写，整个程序的清单会在后面。

本章将对该系统的程序做具体分析。

MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H~002BH分别为各中断源的入口地址。

所以，编程时应在0000H处写一条跳转指令。

当CPU接收到中断请求信号并予以响应后，CPU把当前的PC内容压入堆栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序入口处执行。

一般应在相应的中断服务程序入口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址作为中断服务程序的其实地址进行编程。

MCS-51系列单片机复位后，除SP为07H，P0~P3口为FFH外，其余给内存单元内容均为00H，所以应对IE、IP进行初始化编程，以开放CPU中断，允许某些中断源中断和设置中断优先级等。

系统设计电路原理图如下（图8）

图8

2信号处理部分

前面已经介绍了信号的采集系统，当信号被应变式传感器采集之后传送到单片机内，所以，单片机可以识别出进教室还是出教室。

这里用到使用Atmel80C51单片机，用以控制数据的加或者减的计数。

处理部分结构框图如图8。

图9

汽车雨刷自动控制系统设计程序清单；

ENBITP3.1

CWWBITP3.0

RSTBITP1.2

CLKBITP3.2

MLBITP3.3

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG000BH

AJMPTIME0

050HORG

MAIN:

MOVSP,#67H

MOVTMOD,#51H

MOVTH0,#0D8H

MOVTL0,#0F0H

MOVTH1,#0

MOVTL1,#0

MOV30H,#00

MOV31H,#00

MOV32H,#00

MOV33H,#00

MOV40H,#00

SETBEA

SETBET0

SETBPT0

START:

SETBEN

SETBM1

ACALLDIANJI

SJMPSTART

TIME0:

CLREA

CLRTR1

CLRTR0

PUSHPSW

MOVTH0,#0D8H

MOVTL0,#0F0H

MOVA,TH1

CJNEA,#1,EXIT1

JCGO

SJMPNEXT4

GO:

MOVA,TL1

CJNEA,#80,NEXT1

NEXT1:

JCNEXT2

CJNEA,#161,NEXT3

NEXT3:

JNCNEXT4

MOVA,#5

SJMPNEXT5

NEXT4:

MOVA,#1

SJMPNEXT5

NEXT2:

MOVA,#10

NEXT5:

MOV38H,A

MOVTH1,#0

MOVTL1,#0

POPPSW

SETBTR0

SETBEA

SETBTR1

RET

DIANJI:

JNBP3.7,LOOP

JBP3.7,DIANJI

LOOP:

SETBEA

CLRCWW

CLEEN;启动电机

LCALLDELAY1S

SETBEN

LCALLDELAY1S

SETBCWW

CLREN

LCALLDELAY1S

SETBEN

LCALLWAIT

SJMPDIANJI

WAIT:

MOVR4,38H

W3:

LCALLDELAY1S

DJNZR4,W3

RET

DELAY1S:

MOVR7,#4;延时1s

L3:

MOVR6,#250

L2:

MOVR5,#250

L1:

NOP

NOP

DJNZR5,L1

DJNZR6,L2

DJNZR7,L3

RET

END

五、安装与调试

1、电路图的绘制

（1）.在Protel中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。

（2）.再按照系统电路图绘制导线，把元件连好线。

（3）.通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制完成。

2、元件的识辩与检测

在安装元件前要先认识和检测元件，一些常见元件的认识与检测如下：

色环电阻：

在此使用的是五个色环标志的电阻。

此类电阻前两环表示有效数字，第三环表示倍率，与前三环距离较大的第四环表示允许偏差。

二极管：

在此装置中要用到普通二极管和发光二极管，在普通二极管中有白色环标志的那头为负极。

对于发光二极管一般引脚长的那端为正极，引脚短的那端为负极。

电容：

电容在这里用到的是瓷片电容和电解电容，其外围上面都有标记，只需检测其好坏。

在利用万用表检测时要注意如果为电解电容红表笔应接正极，黑表笔接负极。

对于2200pF一下的电容用万用表R×10KΩ或R×100KΩ测量，2200pF以上可以用R×1KΩ或R×100KΩ档测量。

档次调整好了和表笔接好后，观察万用表指针是否较大的偏转，然后由最大的偏转慢慢的减小至最小值（或零），如果时上述情况则证明该电容有充、放电的功能，为好电容。

如果发现万用表指针不偏转说明该电容开路。

当万用表指针偏转至最大（阻值为零）说明该电容已击穿。

不过，一般对于新电容是不需检测的。

3、元件安装焊接与功能调试

3.1元件安装的基本要求与原则

制造电子产品，可靠性与安全是二个重要因素,而零件的安装对于保证产品的安全可靠是至关重要的。

如何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。

元件安装时要保证导通与绝缘的电器性能、保证机械强度、抱着那个传热的要求和安装时接地与屏蔽要充分利用。

为达到产品的可靠与安全，安装时应遵循一些基本的要求与原则。

⑴元件安装的基本要求

①保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断，不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，而且要考虑在振动，长期工作，湿度等自然条件变化的环境中，都能保证通者恒通，断者恒断。

②保证机械强度，电子产品在使用过程中，不可避免的需要运输和搬动，会发生各种有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速度的瞬间受力使装置受到损害。

③保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。

④安装时接地与屏蔽要充分利用，接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰，二是消除产品对外办的电碰干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。

⑵安装元件时应注意以下原则

①为避免因元器件发热而减弱铜箔对基板的附着力，并防止元器件的裸露部分同印制导线短路，安装时元器件应离开面板约1～2mm。

②装配时，应该先安装那些需要机械固定元器件，在此装置中如稳压管、中心芯片插座。

③各种元器件的安装,应该使它们的标记（用色码或字符标注的数值,精度等）朝上面或易于是辨认的方向,并注意标记的读书方向一致（从左到右或从上到下）。

④在安装元件时应与焊接同步进行操作。

3.2元器件的焊接

焊接是制造电子产品的重要环节之一，如果没有相应的工艺质量保证,如何一个设计精良的电子装置都难以达设计指示。

⑴对焊点的基本要求

①可靠的电气连接，焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段，锡焊连接不是靠压力而是靠焊接过程形成的牢固连接的合金层达到电气连接的目的。

②足够的机械强度，焊接不仅起到电气连接的作用，同时也是固定元器件，保证机械强度连接的手段。

③光洁整齐的外观，良好的焊点要求焊料用量恰到好处，外表有金属光泽，没有粒尖，桥接等现象，并且不伤及导线的绝缘层及相邻元器件。

⑵焊接前的准备

为了提高焊接的质量和速度，避免虚焊等缺点，应该在装配以前对焊接表面进行可焊性处理—镀锡。

镀锡实际上就是液态焊锡对被焊金属表面浸润，形成以层既不同于被焊接金属又不同于焊锡的结合层，由这个结合层将焊锡于待焊金属这两种性能，万分都不相同材料牢固连接起来。

镀锡有以下工艺要求：

①待镀表面应该清洁。

②温度要足够高，被焊金属表面的温度，应该接近焊锡现货时的温度，才能于焊锡形成良好的结合层。

在这里我们用烙铁接近元器件引脚对其进行回热。

③要使用有效的助焊剂，在焊接电子产品时，广泛使用酒精松香水作为助焊剂。

这种助焊剂无腐蚀性，在焊接时支除氧化膜，增强焊锡的流动性，使焊点可靠美观，在制作该装置种我们也使用酒精松香水作为助焊剂。

⑶焊接操作

在做和焊接前准备工作后就可对元器件进行焊接操作了，在这里用35W的圆斜面外热式烙铁对其进行焊接，在焊接时掌握好的电烙铁温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点，焊接的操作步骤分为以下五个：

①准备施焊，左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态，要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并载表面镀有一喜忧参半焊锡。

②加热焊件，烙铁头靠在两焊伯的连接处，加热整个焊件全体，在对于印制板器件来说，要注意使烙铁头同时接触焊盘和元器件的引线。

③送入焊丝，焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件，注意不要把焊丝送到烙铁头上。

④移开焊丝，当焊丝熔化一定量后，立即向上45度方向移开焊丝。

⑤移开烙铁焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上45度方向移开烙铁，结束焊接。

3.3系统调试与分析

供电电路是否正常是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试。

接上电源，用交流档测量变压器次级输出电压应为15V，然后用直流档测整流器流滤波后的直流电压在18V左右；最后测经7805稳压后的电源电压，5V。

电源部分进行调试。

先将整流、滤波部分元件焊上，然后接上电源变压器，用交流档测变压器输出电压为15.7V，再用直流档测整流滤波后的电压为直流19.2V左右，正常，接上三端稳压后再测其输出电压，为稳定的5.04V，这些数据说明电源部全全部工作正常；

软件调试与系统试机。

经过以上几步的测试，说明外围电路都已工作正常，接下来对软件进行调试。

这部分的调试是整个系统调试的重点。

调试中采用模块程序逐一添加的方法进行，放入一部分程序，调试一部分，等方式一工作程序正确后，再加入方式2的程序，直到全部功能都能实现为止。

经过以上调试，系统已能实现预定的功能，泽制作完成。

六、设计总结和体会

这次大作业是我们检测与转换技术课程知识综合应用的实践训练，实际上就是老师以模拟毕业设计的要求样式来让我们重返检验只是掌握的情况。

说真的，开始感觉无从下手，偌大的毕业设计要涉及的知识毕竟太多。

但是这次大作业不仅是对我们所学知识的一个检测而且为我们以后搞毕业设计或者是到工作中设计工业产品做了一个很大的铺垫作用。

这个课程设计作业完成的确是困难一个接着一个，因为它涉及到很多其他学科所学的知识，通过充分查阅教材及网上搜索相关的资料，根据资料及我们在课程上所学知识，经过充分讨论，然后进行设计。

然而，当我最后将整个感应式汽车雨刷设计完成时，一种少有的成就感，虽然不算什么大胜利，然而它令我感到自己学到了很多。

我深深体会到，干任何事都是学问，都必须有耐心，有恒心，有壮志雄心。

但是，从这次课程设计中，我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，所以以后不仅要学好课堂课程，还要多学一些对以后工作有帮助的学科，拓展自己的思维，所学才能更好的有所用。

参考文献

[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程.3版.北京：

高等教育出版社，2006

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略，北京：

电子工业出版社，2008

[3]郁有文，常键，程继红.传感器原理及工程应用.3版.西安电子科技大学出版社，2008

[4]童诗白.模拟电子技术.4版.北京：

高等教育出版社，2006