摘要：基于光强变化的原理提出了一种新型的汽车红外线雨滴传感器设计方案，通过红外雨滴传感器感知雨量大小，使雨刮器智能地工作在高低速状态，取代传统的机械结构的雨刮器。本文基于单片机完成了对雨滴传感器的软、硬件设计，设计符合人性化原则，能对各种意外情况进行处理，具有良好的应用前景。
关键词：雨滴传感器 单片机 雨刮器
中图分类号：TP273.4文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0059-03
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，因而如今的汽车中较多安装了雨滴传感器以增加行车主动性和被动安全性。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，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。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。
1 硬件组成及模块的介绍
雨刮器的雨滴传感器部分主要由发射模块和接收模块两大模块组成。而电机部分的主要芯片是四总线缓冲门74LS125。
1.1 发射模块
发射模块它的主要功能是为接收模块提供足够的光辐射通量，本设计中光源定为红外线，所以发射模块由八个红外发射器、一个555定时器和电阻电容元件组成。八个红外发射管采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动。
（1）发射管：发射管采用西门子公司出产的SFH421作为光源。峰值波长λ为880 nm，带宽<80nm。它具有高线性度、高可靠性、高脉冲处理能力等特点。采用4个一组，两组并联的方式，由555定时器驱动，发出频率为38 kHz的红外光。工作在38 kHz的频率下，采用这种方式可以减少发射电路的功耗。
（2）由555定时器构成的多谐振荡器：发射器的核心是振荡器，多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。可由集成电路反相器、与非门、无稳态电路，555定时器等组成.其中555定时器组成的振荡发射系统容易起振，本身的输出功率较大，常用其组成发射系统，其原理图如图1所示：
图1中，C、C的比较电压分别为V和V。接通电源后，电容C被充电，v上升，当v上升到v时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时v为低电平，电容C通过R和T放电，使v下降。当v降到v时，触发器又被置位，v翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：式（1），当C放电结束时，T截止，v将通过R、R向电容器C充电，v由v上升到v所需的时间为：式（2），当v上升到v时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：式（3）
文中设计的发射模块就是由555定时器构成的多谐振荡器，通过式（1）、（2）、（3）计算出R、R和C的值，使555电路发出频率为38 kHz的脉冲波，从而驱动红外发射管在38 kHz的频率下工作。
由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电压和温度变化的影响很小。所以电源电压的变化，对发射频率的影响可忽略。但对红外光发射强度的影响不容忽略，须采取提高稳定发射强度的措施，方法是采取恒流源技术或窄脉冲发射的措施，能使红外辐射强度保持不变。本设计中采用的是恒流源技术。
1.2 接收模块
接收模块是由一个红外接收管、带通滤波器、分频器及51单片机组成。
（1）红外接收管，西门子SFH320，NPN型硅光电三极管。峰值波长λ为880 nm，具有高线性度、高可靠性等特点，将接收到的红外光脉冲信号变成电脉冲信号后送入带通滤波器。
（2）带通滤波器，作用是只允许某一段频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。经常用于抗干扰的设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段及低频段的干扰和噪声。将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波电路。其原理示意图如图2所示。
在图2中，低通滤波器的通带截止频率为f，即该低通滤波器只允许f
为了估算方便起见，设R=2R，R=R，此时可求得带通滤波器的电压放大倍数为：
本设计中选取中心频率为38kHz，带宽为100Hz，所以Q为380，选取C，再求R。C的容量不易超过1μF。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。根据式取C=0.1，，根据以下公式：
计算出R=41.9.再根据Q值求R1和Rf：因为f=时则=380，所以。根据与A、R1、Rf的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件，可得：1+， ，解得：R=188.7Ω，R=376.8Ω
2 智能雨刮器软硬件的设计
2.1 智能雨刮器的结构框图
智能雨刮器系统由单片机、直流电动机、雨滴传感器及雨刷等组成。智能雨刮器的系统结构框图如图3所示。
2.2 雨滴传感器的硬件设计
雨滴传感器部分，由555定时器构成的多谢振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接收，这样就构成一个光电传感器。把光电传感器的信号经带通滤波器把信号频率限制在38KHz左右，再经分频器进行128分频，使脉冲信号变为毫秒数量级。如此构成的硬件图如图4所示。
2.2.1 电机控制的硬件设计
80c51单片机的P0口的P0.0、P0.1及P0.3、P0.4分别经四总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS04控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF640。
下面举例说明此电路对电机A的控制过程：当单片机经P0接口输出12H控制模型时，由于锁存器74LS125中的三态门1是打开的，所以光电隔离器LEI导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应开关管IRF640（v1）导通。同理，74LS125中的三态门4输出为高电平，因此光电隔离器LEI发光并导通，因而使v4导通。同理可分析，此时v2和v3是关断的。因此电流从左至右流过直流电机，使电机正转。当P0接口输出09H时，则锁存器74LS125中的2，3号三态门打开，使得v2和v3接通，v1和v4关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。SA0为电机左到位开关，当SA0置一，则输出正向代码；SA1为电机右到位开关，当SA1置一，则输出反向代码[3]。电机复位端为两电机各自的左到位开关。
2.3 雨滴传感器的软件设计
因为脉冲的中心频率为38KHZ，进行128分频后约为300HZ，周期即为3ms，所以选定定时时间为60ms，在此时间段内最多可接收20个脉冲，由此在按脉冲的多少进行大小雨的分配，由此形成的雨滴传感器的流程图如图5所示，60ms定时器的流程图如图5所示。
2.4 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计
在汽车智能雨刮系统中，有许多非线性因素都会对雨刮同步造成影响。这样，我们就需要用人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使两个雨刮同步摆动。因此，把模糊控制技术运用到雨刮同步控制中，可以使系统有良好的控制效果。汽车智能雨刮器的主程序流程图如图6所示。
3 结语
该雨滴传感器已经完成了软硬件测试，安装在风挡玻璃上驾驶室一侧，通过改变雨量的大小，能使雨刮器自动工作在低速档或高速档。实验证明，该智能雨刮系统反应灵敏，输出信号延时可忽略，性能稳定，实现了雨量实时监测。
参考文献
[1]王研博.基于单片机的自动感应式雨刮控制器设计与实现.哈尔滨理工大学学报[J]，2009，14.
[2]孙杰.汽车雨刮器控制系统的设计[J]-魅力中国2010（26）.
[3]赵岩，张春晶.基于模糊PID控制器的汽车雨刮系统的研究[J].制造业自动化，2010，32（2）.