汽车雨刮器的自动控制系统设计及实现.docx
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汽车雨刮器的自动控制系统设计及实现
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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
参考资料
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CarWiperBladeDesignandImplementationofAutomatic
ControlSystem
DesignDescription
Thedesignoftheautomaticwipersisimprovedfurtherin
thetraditionalmanualbasedon.Automaticwiperwithrain
sensorasthedetectorsizeinducedprecipitation,the
inductionsignalissenttothesinglechipmicrocomputer.
reversingandturningfrequencyautomaticadjustingmotor
throughthecontrolofthesoftwaredriver.Thedesignisbased
onthe40pinofthemicAT89S52.ThatuseofULN2003ANtodrive
thesteppermotordriverchipdesignoperation.Thepulse
widthmodulation’schopperdrivermode.Thusgreatly
overcomethenoisewhenthemotorworkinthelowfrequency,
vibrationfaults.Providecomfortandsafelyguaranteethis
designinacertainextentforthedriver,toavoidthetraffic
safetyproblemcausedbythedrivermanuallyoperatedwiper
improper.Atthesametimealsogreatlyimprovethe
comprehensivenessandreliabilityofautomobilewindshield
wiper.
Inintelligentwindscreenwipersystemofautomobile,As
theproblemoftechnics,rotatespeedoftwoelectromotors
arenotthesamecompletely,sotherearetheproblemsthat
twowiperbladesswingansynchronous.Inthethesis,a
intelligentwindscreenwipersystemofautomobilebasedon
fuzzycontrolispresented,byanalyzingfuzzycontroltheory
andsynchronousswingrulesofwindscreenwiper.Thespeed
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erroranditschangewereusedasfuzzystablevariable.
Accordingtoasetoffuzzyrules,theoutputvariablewas
selectedtocontrolthePWMswitch.Inthisway,thePWM
techniquewasusedtodrivetheDCmotorandcontrolwindscreen
wipertoswingsynchronously.
keywords：
rainsensor;Steppermotor;MCU;windscreenwiper
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1.绪论............................................................1
1.1概述......................................................1
1.2研究背景..................................................1
1.3国内外研究现状.............................................2
1.4研究意义...................................................3
2.总体设计方案....................................................4
2.1自动雨刷控制系统设计思路...................................4
2.2设计原理...................................................4
2.3系统组成...................................................5
2.3.1单片机的比较与选择...................................5
2.3.2STC12c5a60s2功能特性概述............................6
2.4雨滴传感器的分类...........................................8
2.4.1压电振子原理的雨滴传感器.............................8
2.4.2雨滴传感器种类.......................................9
2.4.3光量变化的雨滴传感器.................................9
2.4.4红外雨滴传感器的原理................................10
2.5显示元件选择.............................................10
2.5.1液晶显示简介........................................10
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2.5.LCD1602的基本参数及引脚功能.........................12
2.6刮水电机..................................................13
2.6.1刮水电机型号的编制方法..............................13
2.6.2减速器的结构特点....................................14
6.2.3刮水电机的控制电路分析..............................15
3.智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍...............................17
3.1STC89C52的时钟电路和复位电路.............................18
3.2A/D转换电路..............................................18
3.2.1ADC0832芯片介绍....................................19
3.2.2ADC0832芯片电路....................................21
3.2液晶显示电路.............................................21
3.2.11602液晶简介.......................................21
3.2.2液晶引脚说明........................................22
3.2.3液晶显示模块电路....................................22
3.3雨滴传感器电路设计.......................................23
3.4电机控制的硬件设计........................................24
3.5发射模块..................................................25
3.5.1发射管..............................................25
3.5.2由555定时器构成的多谐振荡器........................26
3.6接收模块..................................................27
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3.6.1红外接收管..........................................27
3.6.2带通滤波器..........................................28
4.软件设计.......................................................29
4.1程序语言及开发环境........................................29
4.2智能雨刮器的主程序流程图设计.............................29
4.3雨滴传感器的流程图设计....................................30
4.4智能雨刮器电机控制的流程图设计............................31
5.系统调试.......................................................33
5.1元器件的选择与测量.......................................33
5.2元件的焊接与组装.........................................33
5.3程序烧录..................................................34
5.4KEIL运行.................................................34
5.5运行结果.................................................35
6.总结..........................................................37
致谢.............................................................38
参考文献.........................................................39
附录.............................................................41
附录Ⅰ电路原理图............................................41
附录Ⅱ程序..................................................42
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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，
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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
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（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。
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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。
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电源模块
雨
滴
传
感
器
单
片
机
电
机
驱
动
模
块
步
进
电
机
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。
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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MCS．51，还增加新的功能，新增两级中断优先级，多
一个外中断，内置EEPRO，M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。
2.3.2STC12c5a60s2功能特性概述
目前市场上使用比较常见的51系列是STC89C5。
2STC89C5是2通过低电压，
高性能CMOS8位微控制器与4K字节的只读程序可以反复擦写存储器（PERO）M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STC89C5单2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
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