汽車雨刮器自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

汽車雨刮器自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)汽車雨刮器的自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計總說明本次設(shè)計的汽車自動雨刷省去了人為手動操作雨刷的問題，能夠自動感應(yīng)雨量并進(jìn)行相應(yīng)的工作。自動雨刷用雨滴傳感器作為檢測器來感應(yīng)雨量的大小，把感應(yīng)信號傳給單片機，通過軟件的控制驅(qū)動芯片自動調(diào)節(jié)電機的正反轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)動頻率。此次設(shè)計采用40引腳的單片機AT89S52，設(shè)計中運用ULN2003AN驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)，克服了電機在低頻工作時的噪音大，震動大的缺點。本次設(shè)計在一定的程度上為駕駛者提供了舒適性和安全性的保障，避免了由于駕駛者手動操作雨刷的不當(dāng)而帶來的交通安全問題，同時也大大的提高了汽車雨刷的全面性與可靠性。在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個雨刮擺動不同步的問題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來選擇控制PWM的輸出語言變量，并以此通過脈寬調(diào)制技術(shù)來驅(qū)動直流電機，使兩個雨刮同步擺動。關(guān)鍵詞：雨滴傳感器；步進(jìn)電機；單片機；雨刮器CarWiperBladeDeignandImplementationofAutomaticControlSytemDeignDecription:rainenor;Steppermotor;MCU;windcreenwiper目錄緒論概述雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪和灰塵等，以保證玻璃透明清晰。在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個雨刮擺動不同步的問題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來選擇控制PWM的輸出語言變量，并以此通過脈寬調(diào)制技術(shù)來驅(qū)動直流電機，使兩個雨刮同步擺動。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代汽車正從一種單純的交通工具朝著滿足人們需求、安全、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。為了滿足人們對汽車日益提高的要求，汽車研發(fā)及生產(chǎn)機構(gòu)必然要將越來越多的電子產(chǎn)品引入到汽車上，智能控制系統(tǒng)也成為汽車革新的主要內(nèi)容。研究背景隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對汽車性能的追求則在不斷的提升，隨著汽車制造業(yè)不斷的創(chuàng)新，汽車中安裝了越來越多自動控制系統(tǒng)，增加了汽車的安全性與舒適性，據(jù)統(tǒng)計，在雨天行車，世界上因為駕駛員對雨刷的操作不當(dāng)而帶來的交通事故占6%之多。所有自動雨刷系統(tǒng)的安裝對于汽車來說是十分重要的。自動雨刷控制系統(tǒng)免去了駕駛員手動調(diào)節(jié)雨刷的麻煩，有效的提高了在雨天駕駛的安全性與可靠性；同時，也避免了因為路邊積水濺在擋風(fēng)玻璃上，駕駛員來不及操作而恐慌造成的交通事故。雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪、灰塵和水泥等，以保證玻璃透明清晰。第一個發(fā)明電動刮水器的是德國博世公司，博世將它作為“博世最年幼的產(chǎn)品”加入到博世的產(chǎn)品家族。自那以后，這個嬰兒逐漸成長，從單純的刮片發(fā)展到二十一世紀(jì)初的風(fēng)窗玻璃之星一一無支架的刮水器。在汽車的駕駛史上，對風(fēng)窗玻璃的清潔問題解決開始得比較晚。汽車從只有平添駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛。技術(shù)變化最大是在二戰(zhàn)以后，伴隨著大規(guī)模機械的出現(xiàn)。風(fēng)窗玻璃洗滌器、間歇開關(guān)、后窗刮水器和可加熱噴水器保證了駕駛時的視野清晰與行車安全。伴隨著其他一些技術(shù)革新，比如雨滴傳感器、可變位刮水臂、刮水器的出現(xiàn)，就更擴大了刮拭的范圍，刮水器成為了一個復(fù)雜的系統(tǒng)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外許多汽車廠商以雨水傳感器為基礎(chǔ)的自動雨刷控制系統(tǒng)，不是格昂貴就是系統(tǒng)不完善，反映不靈敏?，F(xiàn)今，則主要是把用雨水傳感器檢測出來的雨量大小的信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后傳遞給單片機，通過軟件的控制來控制電機驅(qū)動芯片從而帶動電機的旋轉(zhuǎn)。目前市場上的雨量傳感器大都分為以下兩種：利用電阻壓變，光強變化的傳感器與各種信號控制器連接，來控雨刷電機的轉(zhuǎn)動。前一種是把傳感器直接裝在汽車擋風(fēng)玻璃的外側(cè)，雨滴直接落在傳感器上來感應(yīng)雨量的大?。缓笠环N則是安裝在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，由光照引起的折射強度的變化來檢測雨量的大小。因為汽車雨刷主要功能是刮除擋風(fēng)玻璃上的水漬及污垢，給駕駛者提供一個清晰的視野，所以自動雨刷系統(tǒng)屬于必須的安全設(shè)備。主動性安全系統(tǒng)是每個汽車系統(tǒng)工程師努力目標(biāo)之一，雨刷系統(tǒng)是每輛車上為保證擋風(fēng)玻璃清晰的唯一選擇。而此次設(shè)計的自動雨刷，乃目前各車廠投注心力的開發(fā)方向。雨刮器總成含有電動機、減速機、四連桿機構(gòu)、刮水臂心軸、掛水片總成等。當(dāng)司機按下雨刮器的開關(guān)時，電動機啟動，電動機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動擺臂，擺臂帶動四連桿機構(gòu)、四連桿機構(gòu)帶動安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動，最后由轉(zhuǎn)軸帶動雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。雨刮器的種類很多，按安裝位置分,有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等;按雨刮范圍分，有局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮;按運動方式分，有四桿機構(gòu)左右擺動式、導(dǎo)軌式直線和弧線運動式;按制作材料分,有普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮器。目前，車輛上廣泛使用的是曲柄連桿機構(gòu)黑膠體雨刮器。國外對汽車電動雨刮器的性能要求：1、耐久性能美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦（1） 總成耐久試驗（2） 刮片耐久試驗（3） 橡膠片耐久試驗日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦（1） 橡膠片耐久試驗（2） 總成耐久試驗試驗后搖臂的壓力變化和試驗前相比應(yīng)在15%以內(nèi)，搖臂和刮片的各部分不應(yīng)有明顯的松弛、松動（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。2、強度性能美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦在刮動過程中阻擋搖臂15秒，試驗后應(yīng)仍能正常工作。3、 刮刷性能美國標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦耐久試驗試驗后刷凈性能仍應(yīng)達(dá)到75%。4、 刮動頻率（1） 美國文獻(xiàn)介紹刮動周期1--20秒（2） 法國文獻(xiàn)介紹刮動頻率12--40次/分（3） 美國文獻(xiàn)介紹間隔3秒較普遍（4） 英國文獻(xiàn)介紹適應(yīng)極細(xì)雨時用，頻率和間歇均能獨立控制。（5） 美國文獻(xiàn)介紹傾盆大雨時的刮刷頻率可高達(dá)80次/分，高于上述頻率則雨刮將在風(fēng)窗玻璃水而上浮掠而過，破壞刮水性能。研究意義據(jù)統(tǒng)計全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛員手動操作雨刷引起的，現(xiàn)在的汽車中已經(jīng)安裝了越來越多的傳感器以增加主動性和被動安全性。采用雨滴感應(yīng)式自動雨刷控制系統(tǒng)可以使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。如果汽車有雨滴傳感器，駕駛者就無需調(diào)節(jié)雨刮器設(shè)置來迅速停止刮片的運動或者得到更好的視角。當(dāng)在濕路上駕駛時，駕駛者就無需動手來打開雨刮器，所以駕駛者就可以集中精力開車?？傮w設(shè)計方案現(xiàn)在開發(fā)的雨滴檢測雨刮器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成電信號，根據(jù)電信號的大小，控制刮雨器動作。在這個系統(tǒng)中雨滴傳感器的作用最重要。自動雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計思路設(shè)計的總體思路是：運用雨滴傳感器感應(yīng)雨量的大小，把感應(yīng)信號輸給單片機系統(tǒng)，然后通過軟件控制雨刷電機根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境做出不同的轉(zhuǎn)動。例如，當(dāng)檢測為小雨量的時候，電機工作在小雨模式（電機旋轉(zhuǎn)一個來回要停留10秒再繼續(xù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)）；當(dāng)檢測為中大雨的時候則，啟動中大雨運轉(zhuǎn)模式（電機旋轉(zhuǎn)一個來回停止5秒后再繼續(xù)工作）；當(dāng)檢測為大雨的時候，則啟動大雨運轉(zhuǎn)模式（電機連續(xù)進(jìn)行來回旋轉(zhuǎn)）。設(shè)計中運用AT89S52單片機，步進(jìn)電機采用ULN2003AN驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。設(shè)計原理本次設(shè)計由檢測部分，控制部分，驅(qū)動部分組成，其框圖如圖2-1所示。電源模塊雨滴傳感器單片機電機驅(qū)動模塊步進(jìn)電機圖2-1設(shè)計原理框圖系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要是由單片機最小控制系統(tǒng)（包括晶振電路，復(fù)位電路，供電電源），雨滴感應(yīng)模塊，電機驅(qū)動模塊組成。單片機的比較與選擇單片機作為系統(tǒng)的核心部件它的選擇對整個系統(tǒng)起著很重要的作用。目前較為廣泛應(yīng)用的單片機有51系列的8位、面向大數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器（DSP）、增強型的16位單片機機以及32位的AR芯片這幾種。DSP器件在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，從長遠(yuǎn)來看它的應(yīng)用必將越來越廣。目前DSP器件具有的特性為，運算能力強，速度快，側(cè)重于高端領(lǐng)域使用，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計側(cè)重于有大量數(shù)字信息處理的場合，但是它的價格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。ARM芯片的優(yōu)點是體積小、功耗低、功能廣泛和性能高的特點，它主要應(yīng)用在比較簡單的小型的場合。51單片機是從八十年代就開始流行的處理器，其價格低，開發(fā)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但不足在于功能過于簡單，計算能力有限，并且擴展麻煩、功耗高，已不能適應(yīng)于目前對測控系統(tǒng)功能和速度的要求[6]本次選擇8位控制器的典型代表就是8051微控制器的tc12c5a602單片機。它是一款入門級微控制器，它內(nèi)核簡易，應(yīng)用廣泛，非常適合入門學(xué)習(xí)使用。而且它的價格低，對實時性要求不高的電子產(chǎn)品。STC單片機是一款增強型51單片機，完全兼容MCS.51，還增加新的功能，新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置EEPROM，硬件看門狗，具有掉電模式，512B內(nèi)存，支持1SP在線編程，不用編程器，程序可擦寫10萬次。引腳完全兼容，性能好，驅(qū)動能力強；抗干擾能力強；功耗更低；價格也比傳統(tǒng)的89系列低。STC12c5a602功能特性概述目前市場上使用比較常見的51系列是STC89C52。STC89C52是通過低電壓，高性能CMOS8位微控制器與4K字節(jié)的只讀程序可以反復(fù)擦寫存儲器（PEROM）和128字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的生產(chǎn)，該設(shè)備采用了該公司的STC高密度，非易失性存儲技術(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集，內(nèi)置通用8件中央處理器（CPU）和Flah存儲單元，功能強大STC89C52單片機可為您提供高性價比的許多應(yīng)用程序兼容的地方可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域其。性能參數(shù)如下：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flah閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz—24MHz三級加密程序存儲器128某8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道(k)低功耗空閑和掉電模式圖2-2STC12c5a602引腳圖STC89C52單片機提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flah閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，tc12c5a602可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式