自动雨刷

2024-10-03

自动雨刷（共3篇）

自动雨刷篇1

摘要：本文介绍了汽车雨量传感器工作原理, 设计了模拟雨量传感器工作原理的雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路、替代降雨环境的可变速转盘, 分析了仿真控制电路的组成与工作原理、系统控制程序的功能, 最后指出了仿真控制电路的工作性能和取得的实训教学效益。

关键词：雨量检测,仿真控制,电路设计

1 引言

在《汽车综合控制系统应用与调试》课程教学中, 我们需要设计汽车雨量检测与雨刷器仿真控制电路。若采用实际汽车上的雨量传感器检测雨量, 就需要设计一个片状的、水量可调节的喷水头, 以便仿真自然条件下的降雨环境。这就需要在实训室安装供水管线, 造成实训室管线较密, 既不美观, 也存在安全隐患。同时, 由于这些供水管线仅用于汽车雨量检测与雨刷器仿真控制实验, 利用率低。因此, 我们考虑采用其他方法仿真出雨量传感器检测的雨量信号, 并且检测原理也与雨量传感器基本相同。为此, 我们课题组设计基于雨量传感器工作原理的雨量检测与雨刷器仿真控制电路。

2 雨量检测仿真电路设计

2.1 实际雨量传感器工作原理

红外光雨量传感器内部含有红外发光二极管和红外光电管。发光二极管发出的光按以一定角度照射到汽车挡风玻璃上, 经过汽车挡风玻璃的散射后, 大部分光反射回到光电管, 并转化成电信号。当汽车挡风玻璃上有雨水时, 散射增强, 反射回来的光线减少, 光电管接收到的光线减弱, 转换出的电信号减弱。因此通过测量光电管输出电信号的强弱变化, 就能得知汽车挡风玻璃上的雨量变化。

2.2 基于雨量传感器工作原理的雨量检测仿真电路设计

2.2.1 红外光发射电路

红外光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。红外光发射管D1~D3并联 (图中仅画1个) , 采用脉宽调制驱动, 工作在38k Hz的频率下。采用这种方式可以减少发射电路的功耗。脉冲发生器由NE555时基集成电路外加若干阻容元件构成。由于红外光线肉眼不可见, 所以可在红外光发射管旁边并联绿色光电二极管指示红外光发射管是否正常工作。

2.2.2 红外光接收电路

红外光接收电路由红外光专用集成接收芯片LF0038和若干阻容元件组成, 如图2所示。LF0038内部电路由红外光电二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路及比较器等组成。红外光电二极管将光信号转变为交流电信号, 并把电信号送到放大器和限幅器, 进行信号放大和信号幅度限制。交流电信号送入带通滤波器, 带通滤波器让频率为30k Hz~60k Hz的交流信号 (负载波) 通过, 即获得38k Hz负载波信号。38k Hz负载波信号经解调电路和积分电路进入比较器, 比较器输出高低电平信号, 从而还原出红外光发射电路端的信号波形。注意:红外光接收电路输出的信号波形与红外光发射电路输出的调制信号波形的相位相反, 目的是为了提高接收灵敏度。LF0038共有3个引脚:1脚为输出, 2脚接地, 3脚接电源 (2.7V~5.5V) 。当LF0038接收不到38k Hz的脉冲信号时, 1脚输出高电平;当接收到38k Hz的脉冲信号时, 1脚输出低电平。在室外降雨环境中, 当有雨滴降落在挡风玻璃的敏感区时, LF0038的l脚输出脉冲信号。单位时间内的雨量越大, 则脉冲信号的脉冲越密集;单位时间内的雨量越小, 则脉冲信号的脉冲越稀疏。

2.2.3 模拟雨量转盘及转盘驱动电路设计

在实训室环境下, 我们利用涂上黑白两种色彩的转盘模拟降雨环境。转盘上的白色区域主要反射红外光, 黑色区域主要吸收红外光。转盘转动过程中, 黑色区域吸收红外光, 引起红外光反射量减少。随着转盘转动, LF0038的光敏感面接收的红外反射光照度发生变化。在转盘转速保持不变时, LF0038输出端输出的周期性脉冲信号波形不变。随着转盘转速增大, LF0038输出脉冲信号的脉冲越密集, 脉冲信号的电压越大;随着转盘转速减小, LF0038输出脉冲信号的脉冲越稀疏, 脉冲信号的电压越小。因此, 可以根据LF0038输出脉冲信号的电压的大小判断转盘转速的大小 (即模拟的雨量大小) 。至此, 可看出:用转盘的转速模拟雨量的大小是可行的。为得到可变化的雨量 (即变化的转盘转速) , 可用直流电机带动转盘旋转, 而直流电机由电机专用驱动芯片L9110驱动。L9110的引脚功能如下:1脚-A路输出;2、3脚-电源电压;4脚-B路输出;5、8脚-地线;6脚-A路输入;7脚-B路输入。由L9110和直流电机组成的转盘驱动电路如图3所示。

3 AC/DC转换电路设计

AC/DC转换电路设计主要由Ture RMS/DC转换器AD536A及外围阻容元件组成的AC/DC转换电路如图4所示, 用于将红外光接收电路输出脉冲交流信号转换为直流信号。

4 单片机控制系统电路

单片机控制系统电路框图如图5所示。单片机系统用于对A/D转换电路送来的调速数据、雨量数据进行处理, 并输出控制信号控制转盘、雨刷器改变转速;A/D转换电路将调速电压信号、AC/DC转换电路输出信号转换调速数据、雨量数据;键盘显示电路用于雨刷器工作模式, 显示雨量值;转盘调速电路用于提供调速电压信号;转盘驱动电路和雨刷器驱动电路结构相同, 在单片机系统控制下驱动转盘电机改变转速, 驱动雨刷器电机改变转速和变换工作模式。5V直流稳压电源用于给整个系统提供5V直流电压。

5 单片机控制系统控制程序设计

单片机控制系统控制程序采用C语言编写而成, 主要包括系统初始化程序、A/D转换与数据储存程序、调速数据与模拟雨量数据处理程序、键盘扫描程序、显示程序、雨刷器或转盘驱动程序等功能模块。整机系统上电后, 系统控制程序控制下, 单片机系统开始初始化;按下雨刷器启动键, 雨刷器按设定模式工作;旋转调速旋钮, 调速信号A/D转换后送到单片机系统, 经单片机系统处理后, 控制转盘驱动电机改变转速。转盘转速变化后, 模拟雨量信号发生变化。模拟雨量信号经AC/DC转换、A/D转换后送到单片机系统。单片机系统对雨量数据进行处理后, 输出控制信号控制雨刷器电机改变转速。具体体现为:随着调速旋钮向增速方向旋转, 可到雨刷器电机转速增加。

结语

目前, 汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路已在教学中得到应用, 并且运行稳定、效果良好。系统控制源程序代码对学生公开, 在开展汽车雨量检测与雨刷器仿真控制实训项目教学时作为学生学习的参考资料。正是由于我们设计了汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制电路 (含软件) 实训台, 学生能够更好地培养学生设计汽车雨量检测及自动雨刷器仿真控制硬件电路和控制程序的设计能力, 有效地提高学生的汽车单片机技术应用能力。

参考文献

[1]赵岩, 王哈力, 等.一种新型红外线汽车雨水传感器的设计[J].传感器世界, 2006 (08) .

[2]赵全利, 张之枫.单片机原理及应用 (C51版) [M].北京:机械工业出版社, 2012.

[3]张文灼.单片机技术与应用[M].北京:化学工业出版社, 2010.

[4]高惠芳.单片机原理与应用技术[M].北京:科学出版社, 2010.

汽车雨刷机构创新设计研究篇2

关键词：汽车,雨刷,机构,创新,设计

创造、创新是一个国家、一个民族的灵魂, 先进的创新方法是提升一个国家总体创新能力和创新水平的的关键。汽车是目前一种大量被使用的高科技个人化消费性产品, 汽车一年小改款, 三年大改款, 当汽车改款时, 雨刷机构必然或多或少地要跟着变更设计以符合新车体要求, 所以进行新型雨刷机构创新设计是极为重要的一项工程。

1 雨刷机构基本构造与原理解析

汽车雨刷的主要功能是刮除附着在挡风玻璃污物, 以确保驾驶者的视野清晰, 汽车雨刷系统基本上包括“刷”和“洗”两个系统, 甚至有些雨刷系统已经将这两部分的功能整合在一起。但就“刷”的部分主要构成包括电动马达与马达控制器、雨刷连杆机构、雨刷臂、雨刮片。

现在最常见的雨刷系统其运动方式是靠一曲柄连杆推拉一组四连杆机构, 该四连杆的两支雨刷臂则分别属于输入杆与输出杆, 整个连杆组形成六连杆机构。

2 雨刷机构的设计要求

在已知的挡风玻璃上尽可能的扫掠出最大面积与范;尽量使雨刷机构在停驻状态时不遮挡视线;机构简洁可靠、易制造、易装配、易保养、易维修;适用于大面积大曲度挡风玻璃。

3 雨刷机构形式合成—机构创新

(1) 雨刷部件运动关系。机构运动形式根据不同的分类原则大概可分为以下数种:连续性、间歇性、周期性运动, 直线、圆周、曲线运动;往复式、旋转式运动;主动与从动部可逆和不可逆运动等。检视雨刷机构并解析大部分汽车雨刷的扫掠动作可知:雨刷机构的扫掠动作可以分为雨刷片和雨刷臂的扫掠运动, 两者之间存在着相对位置或相对运动的关系。雨刷臂相对于车体的运动方式有固定、旋转、平移 (沿轴向/夹轴向) 三种;雨刷片相对于雨刷臂的运动方式有固定、旋转、平移 (沿轴向/夹轴向) 三种。根据以上雨刷和雨刷臂的运动形式的分类, 若以单雨刷和单雨刷臂的组合, 并且不限制雨刷臂与车体接触 (安装) 的位置, 可以有128种的组合。从实务上来看, 雨刷臂若固定不动, 只有靠雨刷运动可能造成雨刷 (片) 构造复杂, 所以进一步将雨刷臂固定的可能性剔除, 则成为96种运动组合。再者, 机构尽可能置于挡风玻璃下缘以免遮蔽视线, 并符合雨刷停驻点在下缘的条件, 依此逐步加上限制条件, 雨刷片和雨刷臂运动组合剩下至少有12种可能性, 参考表1的初步组合。

将雨刷臂相对于车体的四种可能相对运动方式置于左边列为纵轴, 而将雨刷相对于雨刷臂的四种可能相对运动方式置于上方列为横轴, 构成一个运动形式与形能组合矩阵。解读收集到的专利资料或成品的构造, 按照运动形式分类, 发现有专利申请者集中以雨刷臂旋转运动搭配雨刷 (片) 平移运动的组合占绝大多数。

(2) 建立雨刷理想运动图形。根据“简单机械构造、尽可能扫掠最大面积、雨刷机构有创新”的三原则, 结合汽车玻璃承受正向风压的弧度造型, 满足自挡风玻璃下缘向A柱两侧往复扫掠的方式, 以保证雨刷机构的雨刷片扫到接近A柱附近仍具又绝佳清除效果的实用性, 参照雨刷机构创新的项目:采用单片雨刷扫掠、扫掠面积趋于最大、雨刷可以刷到与A柱平行、视线未被遮到的地方皆可扫到、雨刷停驻处不遮视线、构造趋于简单, 勾勒出一种单一的雨刷臂相对车体旋转的理想化的雨刷扫掠范围图形, 见图1。

进一步利用雨刷相对雨刷臂做旋转运动而且雨刷臂相对车体也做旋转运动的运动组合, 基本上可以获致相当接近理想化的扫掠, 但是当挡风玻璃为较扁平的形状时, 其左下方将无法扫掠到。若雨刷和雨刷臂不再局限以单纯的运动方式做组合而使机件的运动方式呈现复合运动的话, 雨刷臂与车体旋转运动、雨刷与雨刷臂旋转和平移组合, 其扫掠方式见图2, 则雨刷机构创新的形式基本成形——单雨刷片肘式雨刷机构。

4 雨刷机构的尺寸合成

(1) 尺寸合成方法。尺寸合成方法有函数创生、运动创生和路径创生。函数创生的合成方法是指输入和输出之间有某特定的函数关系;运动创生则指最终输出的连杆被要求具有特定位置和姿态;路径创生是指特定输出的位置坐标点有一定的路径与时序关系。本案拟采用运动创生尺寸合成, 利用特征平面法解答平面四连杆三个精确点的运动创生合成方法进行肘式雨刷机构的尺寸合成。尺寸合成又分为计算法和图解法, 借助于计算机强大的计算能力, 能快速得到比较精确的解答。

(2) 四连杆三个精确点确定。根据四连杆运动创生合成的理论的相关公式, 输入枢轴A0坐标位置 (xA0, yA0) 、连杆点运动的三精确点 (xn, yn) 和n、计算R2、rA、sA和输入杆角度Φn, 完成α、β解答平面, 选择α和β角后算出λ1、λ2和λ3, 终而完成符合三精确点的机构运动创合成。四连杆各杆件关系示意图如图3所示。

5 创新雨刷机构的运用

以某牌的车为例, 其挡风玻璃的投影尺寸、雨刷尺寸和扫掠范围经测量后得知, 通过A柱一侧的玻璃外框尺寸判断, 若要采用本案创新雨刷机构的话, 雨刷片最大长度绝对不宜超过80.5cm, 再者, A柱侧的玻璃框与水平线夹角为82, 这个角度便是雨刷机构合成做为参考的初步数据。经计算机计算并修正后得四杆机构的静件R1=3.1cm, 输入杆30.7cm, 连杆10.2cm, 输出杆37.3cm。计算出雨刷扫描比例如表2。

6 结论

结果显示本创新的肘式雨刷机构不但可以应用在该型汽车, 而且比原来的雨刷机构有更大的扫掠比率 (多14%以上) , 此外, 还能有效的扫掠到挡风玻璃更重要区域。

参考文献

[1]符炜.机械创新设计构思方法[M].长沙:湖南科学技术出版社, 2005.

[2]张策.机械原理与机械设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[3]王玉新.机构创新设计方法学[M].天津:天津大学出版社, 1996.

汽车智能雨刷教学示教装置的设计篇3

雨刷系统是汽车的重要安全设备之一[1]。目前中高档汽车大多配备智能雨刷系统, 通过雨量传感器检测雨量大小, 控制雨刷器摆动速度[2], 在使用过程中不需要驾驶者干预, 自动保持挡风玻璃清晰, 增加了行车安全[3]。

智能雨刷的工作原理是《汽车电器》课中必须讲授的内容, 是理论教学的重点。智能雨刷系统因结构复杂、设计独特造成学生理解困难[4]。解决此问题最有效办法是进行案例教学, 教师直接对着智能雨刷讲述原理结构, 给学生直观印象, 加深理论理解。但是实车演示耗费财力物力, 学生也不能清楚地看到控制部件与电机工作的情况, 致使理论教学与实践教学无法同步进行。因此本文设计开发了一种能在课堂上演示的智能雨刷示教装置, 能直接搬运到课堂上进行演示, 使得教学生动形象。

1 系统硬件设计

汽车智能雨刷示教装置其组成如图1所示, 智能雨刷教学示教装置包括红外雨量传感器模块1、单片机2、雨刷电机控制模块3、雨刷电机4、雨刷模块5、信号灯模块6, 以及框架和挡风玻璃。

选择铝合金材料焊接成100cm*80cm*20cm的框架, 用PVC板将其裁剪成相应尺寸进行填充。在PVC板上固定演示用的挡风玻璃, 红外雨量传感器模块1安装在挡风玻璃内侧中部, 雨刷电机4安装在挡风玻璃内侧中部, 雨刷模块5安装在挡风玻璃的外侧中部。红外雨量传感器模块1、雨刷电机控制模块3、信号灯模块6都与单片机连接, 雨刷电机控制模块3连接雨刷电机4, 雨刷电机4连接雨刷模块5。为了搬运方便, 在框架下方安装有滚轮, 并安装滚轮制动装置。

1-红外雨量传感器模块;2-单片机;3-雨刷电机控制模块;4--雨刷电机;5-雨刷模块;6-信号灯模块

2 系统智能设计

2.1 工作原理

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的夹角称为折射角。入射角i和折射角r, 有下述关系:

式中n21是第二种介质对第一种介质的相对折射率。

光从光密介质 (折射率较大) 射入光疏介质 (折射率较小) 时, 如果入射角增大到某一角度, 折射角为90°, 光全部反射回原来介质, 此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。红外雨量传感器模块1就是根据全反射光学原理设计制作而成。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 (1) 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°。

2.2 硬件设计

红外雨量传感器模块1由红外线发射元件与红外雨量接收元件组成。红外光发射元件由一个三极管、两个限流电阻、两个红外发射管组成。引脚P3.7输出一定频率的脉冲, 三极管用于放大电流, 提高发射功率。由红外光发射管发出的红外光以42°至63°之间的角度在挡风玻璃的外表面反射。当挡风玻璃上无雨时, 红外光在玻璃表面发生全反射, 红外线接收元件接收到的光强较强, 当挡风玻璃上有雨时, 红外光在玻璃表面发生折射, 红外线接收元件接收到的光强减弱。

红外雨量接收元件由红外雨量传感器、放大电路、带通滤波器、检波电路组成。各功能电路用料封装在一起可有效滤除可见光。1脚电源接+5v, 2脚接地, 3脚为输出。当接收不到光脉冲信号时, 1脚输出高电平;当接收光脉冲信号时, 1脚输出低电平。

雨刷控制模块3由三个限流电阻、三个上拉电阻、三个三极管、三个继电器组成, 线路连接如图2所示, 三个继电器分别控制雨刷电机4快、慢、关三个档位线路的开关。单片机2根据单位时间内收到的高低电平数量向引脚P1.0、P1.2、P1.4输出脉冲信号, 从而控制三个继电器的通断, 雨刷电机4带动雨刷模块5进行工作, 最终实现根据雨量大小来调节雨刷刮水速度快慢的效果。

信号灯模块6由六个限流电阻和六个发光二极管组成, 用来反映雨量的大小, 雨量大信号灯亮起多且闪烁快, 雨量小信号灯亮起少且闪烁慢, 该设计便于试验调试和教学时学生观察。

3 创新点

3.1 根据红外光的全反射原理, 检测雨量大小, 受外界环境影响小, 且易于检测。

3.2 利用专用集成接收芯片作为雨量传感器接收芯片。

3.3 用单片机控制继电器通断, 从而控制雨刮电机的高低速。

3.4 系统电路简单, 直观明了, 便于教学。

4 结束语

智能雨刷教学示教板用于上课演示教学, 通过此示教板的演示, 学生可以清楚地了解智能雨刷的工作原理, 达到设计的目的。

开发专业课实验设备, 教师与学生在一起开发制作的过程中, 提高了专业课教师的科学研究、课程建设能力, 也提高了学生的创新实践的能力。

参考文献

[1]韩安太, 郭小华.一种新型的汽车智能雨刷控制系统设计[J].自动化技术与应用, 2008 (10) :35-38.

[2]赵岩, 訾鸿.汽车雨滴传感器的设计[J].佳木斯大学学报 (自然科学版) , 2007 (11) :801-803.