李旺鵬，李志俊，李慧潔，李 振，李 欣

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著科技的進(jìn)步，越來越多的智能設(shè)備都需要對天氣進(jìn)行監(jiān)控，車用雨感器需要智能地判讀雨量大小控制雨刷的動(dòng)作，保證駕駛員的視野足夠明亮、清晰;自動(dòng)升降防雨窗簾需要智能地判斷天氣情況控制窗簾的開合，保證房間的干燥、舒適;戶外自動(dòng)監(jiān)控站需要智能地判斷天氣，并根據(jù)天氣的變換開合保護(hù)罩，保證內(nèi)部電路的安全、干燥等。智能雨感器成為越來越多的設(shè)備不可缺少的一部分。傳統(tǒng)的雨感器主要采用電極感應(yīng)降雨?duì)顩r，根據(jù)兩極之間電容的變化反映天氣的變化，該傳感器電極直接與雨滴接觸，腐蝕較嚴(yán)重，傳感器的壽命較短[1－2]。

針對上述情況，筆者設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)原理的新型雨水傳感器，該傳感器不與雨水直接接觸，能夠?qū)崟r(shí)地判斷天氣的變化，通用性強(qiáng)，制作方便，壽命長，成本低廉。

1 紅外雨感器的原理

光從一種透明介質(zhì)1(如空氣)斜射入另一種透明介質(zhì)2(如水)時(shí)，會發(fā)生折射，傳播方向一般會發(fā)生變化[3－4]。其計(jì)算公式為:

式中:n1為介質(zhì)1的折射率;θ1為入射角;n2為介質(zhì)2的折射率;γ2為折射角。

光由光密(即光在其中傳播速度較小的)介質(zhì)射到光疏(即光在其中傳播速度較大的)介質(zhì)的界面時(shí)，如果入射角大于臨界角，會發(fā)生反射，光線會全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)。

紅外線以θ1垂直射入玻璃，無雨時(shí)，紅外線的光路軌跡如圖1(a)所示;下雨時(shí)，紅外線的光路軌跡如圖1(b)所示。

圖1 光路軌跡示意圖

紅外線從玻璃射入空氣時(shí)，根據(jù)式(1)得:

式中:n1，n2分別為空氣和玻璃的折射率;θ1為入射角;γ1為折射角。

紅外線從玻璃射入雨水中時(shí)，根據(jù)式(1)得:

式中:n2、n3分別為玻璃和雨水的折射率;θ1為入射角;γ2為折射角。

查常用物體折射率表可知空氣的折射率為1.000，普通玻璃的折射率為1.500，水的折射率為1.333。令θ1=90°，根據(jù)式(2)和式(3)可以計(jì)算，光從玻璃(光密介質(zhì))射入空氣(光疏介質(zhì))中時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角為41.81°;光從玻璃射入水中時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角為62.71°。

無雨時(shí)，為了使紅外線從玻璃射入空氣時(shí)發(fā)生全反射;有雨時(shí)，為了使紅外線從玻璃射入雨水時(shí)發(fā)生折射，θ1必須大于42°小于62°。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 雨感器的結(jié)構(gòu)及整體電路

該系統(tǒng)主要由微處理器(MCU)、發(fā)射模塊、接收模塊、導(dǎo)光器和顯示模塊等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。微處理器通過程序產(chǎn)生38 kHz的脈沖波，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管產(chǎn)生紅外線，紅外線通過玻璃產(chǎn)生折射和反射。若下雨，則紅外線折射到空氣中，接收管接收不到紅外線，輸出低電平;若干燥，則發(fā)生全反射現(xiàn)象，接收管接收到38 kHz的信號，輸出高電平。微處理器通過判斷接收管反饋的電平狀況，實(shí)時(shí)地反映天氣情況[5]。

圖2 雨感器結(jié)構(gòu)圖

雨感器整體電路圖如圖3所示。X4為紅外發(fā)射管接口，微處理器通過定時(shí)器產(chǎn)生4路38 kHz的方波，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管;X3為紅外接收管接口，微處理器不斷掃描接收管的狀態(tài)，并進(jìn)行處理;P1.3通過三極管控制繼電器K1動(dòng)作，如果有雨，則將繼電器合上;如果沒雨，則將繼電器斷開;X5為繼電器外部接口，將天氣情況反饋給其他設(shè)備;X6為NOKIA5110顯示接口，實(shí)時(shí)地顯示天氣的情況[6]。

圖3 雨感器整體電路

2.2 導(dǎo)光器的設(shè)計(jì)

紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外線是散射光，為了使紅外光線以42°～62°的角度射向玻璃，該系統(tǒng)采用了一個(gè)導(dǎo)光模塊，如圖4所示。面板上有4對發(fā)射接收孔，右側(cè)為導(dǎo)光孔側(cè)視圖，導(dǎo)光孔與面板成固定角度，即為42°～62°的角度。導(dǎo)光孔上端為玻璃或者與玻璃折射率相同的填充物，上端水平確保能夠與擋風(fēng)玻璃緊密接觸，下端與紅外發(fā)射接收管垂直，確保光線能夠垂直射入玻璃而不改變發(fā)射方向。紅外線通過導(dǎo)光孔引導(dǎo)，垂直射入玻璃內(nèi)，與面板成固定的角度發(fā)射出去;經(jīng)過反射后的光線通過導(dǎo)光孔到達(dá)接收管，接收管接收固定角度的紅外線。該雨感器用導(dǎo)光模塊取代了傳統(tǒng)的玻璃，避免了與雨水的直接接觸，使用時(shí)只需緊緊貼在玻璃表面，簡單、方便、實(shí)用。

圖4 導(dǎo)光模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 發(fā)射部分

為了提高系統(tǒng)的靈敏度，擴(kuò)大覆蓋感應(yīng)范圍，該系統(tǒng)采用4路紅外發(fā)射管，單路紅外發(fā)射電路圖如圖5(a)所示。微處理器驅(qū)動(dòng)信號從IN1輸入，為了增強(qiáng)紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，該電路采用了一個(gè)NPN管進(jìn)行驅(qū)動(dòng);為了增加微處理器IO口的驅(qū)動(dòng)能力，該電路使用了一個(gè)10 kΩ的電阻上拉。

2.4 接收部分

為了簡化電路，該系統(tǒng)采用一體化接收頭紅外專用集成接收芯片HS0038，與發(fā)射管對應(yīng)，系統(tǒng)采用了4路紅外接收管，單路接收模塊電路圖如圖5(b)所示。該芯片將光接收二極管、放大電路、帶通濾波器和檢波電路封裝在一起，以接收脈沖編碼信號調(diào)制的紅外光信號，塑料封裝可濾除可見光，電路簡單，體積較小。HS0038有3個(gè)引腳:l腳輸出，2腳接地，3腳接+5 V電源。芯片內(nèi)部集成了放大、濾波、解調(diào)及其控制電路，1腳直接輸出高低電平。HS0038只有接收到38 kHz的脈沖信號才會輸出高電平。當(dāng)HS0038接收不到38 kHz的脈沖信號時(shí)，1腳輸出高電平;當(dāng)接收到38 kHz的脈沖信號時(shí)，1腳輸出低電平。HS0038通過OUT將信號反饋給微處理器，微處理器根據(jù)OUT的電平判斷天氣的變化。

圖5 發(fā)射部分電路圖

2.5 顯示單元

為了節(jié)約成本，該系統(tǒng)選用了穩(wěn)定而廉價(jià)的液晶顯示屏 NOKIA5110，84×48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和接地在內(nèi)的信號線僅有9條。該顯示屏支持多種串行通信協(xié)議(如AVR單片機(jī)的SPI、MCS51的串口模式0等)，傳輸速率高達(dá)4 Mb/s，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時(shí)間。LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小。采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200 μA以下，且具有掉電模式。

NOKIA5110的接口電路圖如圖6所示，微處理器通過P1口模擬SPI總線協(xié)議與NOKIA5110顯示屏進(jìn)行通信。RST為NOKIA5110復(fù)位腳，SCE為芯片使能引腳，R/ˉC為模式選擇數(shù)據(jù)命令，DIN為串行數(shù)據(jù)線，SCLK為串行時(shí)鐘線 ，BL為背光燈控制引腳，LED高電平啟動(dòng)背光，該顯示屏采用5 V供電，能夠方便地與微處理器連接。

圖6 NOKIA5110屏幕接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C2051，其片內(nèi)含2 k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(E2PROM)和128 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，它能對許多嵌入式控制應(yīng)用提供高度靈活和成本低的解決辦法[7－8]。

該系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，系統(tǒng)上電復(fù)位，初始化定時(shí)器0和定時(shí)器1、顯示器、IO管腳，定時(shí)器0輸出固定頻率38 kHz的脈沖波，程序不斷收集接收管的狀態(tài)，并對4路接收管的狀態(tài)進(jìn)行判斷和綜合處理;若4路接收管中有任意一個(gè)輸出為高電平，則為下雨?duì)顟B(tài)，將P1.3置高，繼電器閉合;若4路接收管全部為低，且持續(xù)一段時(shí)間全部為低，則為天晴狀況，將P1.3置低，繼電器斷開。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，結(jié)合光學(xué)原理，利用紅外線反射和折射效應(yīng)，通過導(dǎo)光模塊感知下雨情況和雨量的大小，應(yīng)用范圍廣，反應(yīng)靈敏度高，實(shí)用性強(qiáng)，并且成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。使用時(shí)，只需輕輕地貼在玻璃表面，不必與雨滴直接接觸，便能實(shí)時(shí)地反映天氣情況。該系統(tǒng)能夠方便地與其他設(shè)備融合，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)智能控制。

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