李延廷

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100070）

1 引言

在《汽車綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試》課程教學(xué)中，我們需要設(shè)計(jì)汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制電路。若采用實(shí)際汽車上的雨量傳感器檢測雨量，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)片狀的、水量可調(diào)節(jié)的噴水頭，以便仿真自然條件下的降雨環(huán)境。這就需要在實(shí)訓(xùn)室安裝供水管線，造成實(shí)訓(xùn)室管線較密，既不美觀，也存在安全隱患。同時(shí)，由于這些供水管線僅用于汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制實(shí)驗(yàn)，利用率低。因此，我們考慮采用其他方法仿真出雨量傳感器檢測的雨量信號(hào)，并且檢測原理也與雨量傳感器基本相同。為此，我們課題組設(shè)計(jì)基于雨量傳感器工作原理的雨量檢測與雨刷器仿真控制電路。

2 雨量檢測仿真電路設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)際雨量傳感器工作原理

紅外光雨量傳感器內(nèi)部含有紅外發(fā)光二極管和紅外光電管。發(fā)光二極管發(fā)出的光按以一定角度照射到汽車擋風(fēng)玻璃上，經(jīng)過汽車擋風(fēng)玻璃的散射后，大部分光反射回到光電管，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。當(dāng)汽車擋風(fēng)玻璃上有雨水時(shí)，散射增強(qiáng)，反射回來的光線減少，光電管接收到的光線減弱，轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)減弱。因此通過測量光電管輸出電信號(hào)的強(qiáng)弱變化，就能得知汽車擋風(fēng)玻璃上的雨量變化。

2.2 基于雨量傳感器工作原理的雨量檢測仿真電路設(shè)計(jì)

2.2.1 紅外光發(fā)射電路

紅外光發(fā)射管采用硅光電二極管，它具有暗電流小、噪聲低、受溫度影響小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。紅外光發(fā)射管D1～D3 并聯(lián)（圖中僅畫1 個(gè)），采用脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)，工作在38kHz 的頻率下。采用這種方式可以減少發(fā)射電路的功耗。脈沖發(fā)生器由NE555 時(shí)基集成電路外加若干阻容元件構(gòu)成。由于紅外光線肉眼不可見，所以可在紅外光發(fā)射管旁邊并聯(lián)綠色光電二極管指示紅外光發(fā)射管是否正常工作。

2.2.2 紅外光接收電路

紅外光接收電路由紅外光專用集成接收芯片LF0038 和若干阻容元件組成，如圖2 所示。LF0038 內(nèi)部電路由紅外光電二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路及比較器等組成。紅外光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娦盘?hào)，并把電信號(hào)送到放大器和限幅器，進(jìn)行信號(hào)放大和信號(hào)幅度限制。交流電信號(hào)送入帶通濾波器，帶通濾波器讓頻率為30kHz～60kHz 的交流信號(hào)（負(fù)載波）通過，即獲得38kHz 負(fù)載波信號(hào)。38kHz 負(fù)載波信號(hào)經(jīng)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平信號(hào)，從而還原出紅外光發(fā)射電路端的信號(hào)波形。注意：紅外光接收電路輸出的信號(hào)波形與紅外光發(fā)射電路輸出的調(diào)制信號(hào)波形的相位相反，目的是為了提高接收靈敏度。LF0038 共有3 個(gè)引腳：1 腳為輸出，2 腳接地，3 腳接電源（2.7V～5.5V）。當(dāng)LF0038 接收不到38kHz 的脈沖信號(hào)時(shí)，1腳輸出高電平；當(dāng)接收到38kHz 的脈沖信號(hào)時(shí)，1 腳輸出低電平。在室外降雨環(huán)境中，當(dāng)有雨滴降落在擋風(fēng)玻璃的敏感區(qū)時(shí)，LF0038 的l 腳輸出脈沖信號(hào)。單位時(shí)間內(nèi)的雨量越大，則脈沖信號(hào)的脈沖越密集；單位時(shí)間內(nèi)的雨量越小，則脈沖信號(hào)的脈沖越稀疏。

2.2.3 模擬雨量轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)訓(xùn)室環(huán)境下，我們利用涂上黑白兩種色彩的轉(zhuǎn)盤模擬降雨環(huán)境。轉(zhuǎn)盤上的白色區(qū)域主要反射紅外光，黑色區(qū)域主要吸收紅外光。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，黑色區(qū)域吸收紅外光，引起紅外光反射量減少。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，LF0038 的光敏感面接收的紅外反射光照度發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，LF0038 輸出端輸出的周期性脈沖信號(hào)波形不變。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增大，LF0038 輸出脈沖信號(hào)的脈沖越密集，脈沖信號(hào)的電壓越大；隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速減小，LF0038 輸出脈沖信號(hào)的脈沖越稀疏，脈沖信號(hào)的電壓越小。因此，可以根據(jù)LF0038 輸出脈沖信號(hào)的電壓的大小判斷轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的大?。茨M的雨量大小）。至此，可看出：用轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速模擬雨量的大小是可行的。為得到可變化的雨量（即變化的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速），可用直流電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，而直流電機(jī)由電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L9110 驅(qū)動(dòng)。L9110 的引腳功能如下：1 腳-A 路輸出；2、3 腳-電源電壓；4 腳-B 路輸出；5、8 腳-地線；6 腳-A 路輸入；7 腳-B 路輸入。由L9110 和直流電機(jī)組成的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

圖1 紅外光發(fā)射電路

圖2 紅外光接收電路

圖3 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電路

圖4 AC/DC轉(zhuǎn)換電路

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路框圖

3 AC/DC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AC/DC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)主要由Ture RMS/DC 轉(zhuǎn)換器AD536A 及外圍阻容元件組成的AC/DC 轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示，用于將紅外光接收電路輸出脈沖交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。

4 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路

單片機(jī)控制系統(tǒng)電路框圖如圖5 所示。單片機(jī)系統(tǒng)用于對A/D 轉(zhuǎn)換電路送來的調(diào)速數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出控制信號(hào)控制轉(zhuǎn)盤、雨刷器改變轉(zhuǎn)速；A/D 轉(zhuǎn)換電路將調(diào)速電壓信號(hào)、AC/DC 轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)速數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)；鍵盤顯示電路用于雨刷器工作模式，顯示雨量值；轉(zhuǎn)盤調(diào)速電路用于提供調(diào)速電壓信號(hào)；轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電路和雨刷器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)相同，在單片機(jī)系統(tǒng)控制下驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)雨刷器電機(jī)改變轉(zhuǎn)速和變換工作模式。5V 直流穩(wěn)壓電源用于給整個(gè)系統(tǒng)提供5V 直流電壓。

5 單片機(jī)控制系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)控制程序采用C 語言編寫而成，主要包括系統(tǒng)初始化程序、A/D 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序、調(diào)速數(shù)據(jù)與模擬雨量數(shù)據(jù)處理程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、雨刷器或轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)程序等功能模塊。整機(jī)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)控制程序控制下，單片機(jī)系統(tǒng)開始初始化；按下雨刷器啟動(dòng)鍵，雨刷器按設(shè)定模式工作；旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，調(diào)速信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理后，控制轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化后，模擬雨量信號(hào)發(fā)生變化。模擬雨量信號(hào)經(jīng)AC/DC 轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)對雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，輸出控制信號(hào)控制雨刷器電機(jī)改變轉(zhuǎn)速。具體體現(xiàn)為：隨著調(diào)速旋鈕向增速方向旋轉(zhuǎn)，可到雨刷器電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。

結(jié)語

目前，汽車雨量檢測及自動(dòng)雨刷器仿真控制電路已在教學(xué)中得到應(yīng)用，并且運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好。系統(tǒng)控制源程序代碼對學(xué)生公開，在開展汽車雨量檢測與雨刷器仿真控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)時(shí)作為學(xué)生學(xué)習(xí)的參考資料。正是由于我們設(shè)計(jì)了汽車雨量檢測及自動(dòng)雨刷器仿真控制電路（含軟件）實(shí)訓(xùn)臺(tái)，學(xué)生能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)汽車雨量檢測及自動(dòng)雨刷器仿真控制硬件電路和控制程序的設(shè)計(jì)能力，有效地提高學(xué)生的汽車單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力。

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