基于单片机的汽车智能雨刮器设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的汽车智能雨刮器设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

2．目前，雨滴传感器主要由三种原理构成：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器和利用光量变化的传感器。 我们根据把雨滴传感器放在汽车内部的需要，利用光量变化的原理，研制出了一种新型红外线汽车雨滴传感器。 该雨滴传感器能够智能的分辨出大雨还是小雨，从而使雨刮做高速或低速摆动。 3．本文系统分析了模糊控制理论及模糊控制技术在汽车上的应用。 汽车工业在其发展过程中所日益显示的对于高新技术的可容性和电子化趋势，使得模糊技术颇受各国汽车公司和厂商的重视，并由此掀起了一股模糊技术用于汽车 的热潮。 因此，要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术。 4．把模糊控制技术用于汽车智能雨刮系统中的两个雨刮片的同步问题。 由于生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就会存在两个雨刮片摆动不同步的问题。 用模糊控制器来取代传统的 PID控制器，可以更好的控制雨刮片的同步。 整个系内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 统 80c51 单片机 来控制，给出了硬件和软件设计。 5．用 MATLAB 软件对模糊控制系统和 PID 控制系统进行了仿真，并对比两个仿真结果。 仿真结果表明了设计的合理性及方案的可行性。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 智能雨刮器的原理及种类 现在开发的雨滴检测雨刮器 ，将雨 滴 传感器检出的雨量变成电信号，根据电信号的大小， 控制刮雨器动作。 在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。 雨滴传感器的分类 压电振子原理的雨滴传感器 压电振子利用压电效应将机械位移 (振动 )变成电信号。 压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量作振动；将雨滴的冲击能量变换成电压波形，再输入到雨刮控制器。 该电压波形的积分值 (斜线部分的面积 )与某一定值的速度对应，这样就可控制刮雨器运动的速度。 如图 ： 图 静电电容原理的雨滴传感器 静电电容表示因电极之间的物质不同 (在雨滴传感器中为“空气 ”和“水” )能储存电荷量的能力。 电极面积 (S)，电极的间隔 (d)不变，则静电容 C只由介电系数 (ε )决定。 因水和空气的ε值不同， C随雨滴的大小而变。 利用静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，从而控制雨刮器的动作。 如图 ： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 图 静电电容传感器 光量变化的雨滴传感器 把半导体发光元件和感光元件配成一对，从发光元件发出的光信号，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光强减弱。 可利用光强的衰减信号控制雨刮器的动作。 前两种雨滴传感器需要放在汽车的外部，而本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车的内部 ，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。 所以采用第三种方法，利用光强变化来实现的雨滴传感器。 红外雨滴传感器的原理 本设计中的雨滴传感器选用红外雨滴传感器，属于光量变化原理雨滴传感器的一种。 由光（本设计中选用红外 线）发射元件发射出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其 角度必须在 42176。 （玻璃 水 ）和 63176。 （玻璃 空气）之间。 如果在挡风玻璃上有雨 ， 雨量越大，反射回来的光越多。 从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”，仅当雨水滴到这个区域时，才可以被探测出来。 为使系统灵敏可靠，挡风玻 璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例 [1]。 雨滴传感器的原理图如图 ： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 敏 感 区 域测 量 控 制电 路红 外接 收 管红 外发 射 管挡 风 玻 璃 图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍 该 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。 发射模块 发射模块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。 发射管 发射管采用西门子公司出产的 SFH421作为光源，实物图如图 210所示。 峰值波长λ为 880 nm，带宽  80 nm。 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。 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 ,其芯片图 如图 ，原理图如图 ： C1 、 C2 的比较电压分别为 32 Vcc 和 31 Vcc。 接通电源后，电容 C被充电 ， vc 上升 ， 当vc 上升到 32 vc c 时 ， 触 发器被复位 ， 同时放电 BJT T导通 ， 此时 v0 为低电平 ， 电容 C通过 R2和 T放电 ， 使 vc 下降。 当 vc 降到 31 vc c 时 ， 触发器又被置位 ， v0 翻转为高电平。 电容器 C放电所需的时间为 ： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） CRCRt PL 22 )2ln(  式 () 当 C放电结束时 ， T截止 ， vc c 将通过 R1 、 R2向电容器 C充电 ， vc 由 31 vc c 上升到 32 vc c所需的时间为 ： CRRCRRt PH )()( 2121  式 () 当 vc 上升到 32 vc c 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 [2]： CRRttf PHPL )2( 21  式 () 图 多谢振荡器电路图 本文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 ()、 ()、 ()计算出 R1 、 R2 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工作在 38 kHz的频率下。 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 [3]。 本设计中采用的是恒流源技术。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 图 555定时器原理图 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。 红外接收管 红外接收管 SFH320是西门子公司生产的， 外形图 如图。 它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。 SFH320是 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。 图 SFH320外形图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 带通滤波器 带通滤波器的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。 这种滤波器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。 在图 ，低通滤波器的通带截止频率为 f2 ，即该低通滤波器只允许 ff2 的信号通过；而高通滤波器的通带截止频率为 f1 ，即它只允许 ff1 的信号通过。 现将二者串联起来，且 f2 f1 ，则其通频带即是上述二者频带的覆盖部分，即等于 f2 f1 ，成为一个带通滤波器根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路见图。 输入端的电阻 R和电容C组成低通电路，另一个电容 C和电阻 R2 组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端 [4]。 图 带通滤波器原理示意图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 图 带通滤波器的典型电路 为了估算方便起见，设 R2 =2R， R3 =R，此时可求得带通滤波器的电压放大倍数为： )(1)()3( 0000 ffffjqAffffjAAA upuouou 。 式 () RCf π2 10  式 () uouououp QAAAA  3 式 () 11 RRA fuo  式 () uoAQ 31 式 () 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。 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= F ，  MRK 11 ,根据式 ()可得： K HzRRCf 12 1 60  ππ 计算出 R= .再 根据 Ｑ 值求 和 ： 因为 f= 0f 时则uoAQ 31 =380，所以内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） uoA。 根据与 Auo 、 、 的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件，可得： 1+ 1  uof ARR RRRRRR f 3//1  解得： R1 = ,Rf = 分频器 CD4024 分频器 CD4024是由 7级主从触发器构成的二进制串行计数 /分频器。 引脚图如图 所示。 输出端连接 Q Q Q Q Q Q Q7就可以对输入端 1脚的信号进行 1 3 6 128分频。 用 CD4024分频器把由带通滤波器输出的脉冲信号分频，满足输出脉冲信号是毫秒数量级 [5]。 因为中心频率为 38KHz，所以本设计中选用 128分频，使f变为 300Hz，则周期为 3ms。 把雨滴传感器单片机的定时时间选为 60ms，则最多可以测出 20个脉冲，用 60ms中脉冲的数量来确定雨量的多少：小于 3个脉冲视为无雨，没有启动雨刮器的必要； 3~12个脉冲为小雨，雨刮器此时工作在慢速档； 12~20个脉冲为大雨，雨刮器工作在高速档；大于 20个脉冲无法检测到，也视为无雨对待。 图 CD2042的引脚图 80C51 芯片资料 80C51 由一个 8 位通用中央处理器、程序存储器、随机读写数据存储器、常用外 围内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 电路等部分组成。 其中 P0 口、 P2 口既可作为一般的 I/O 引脚使用；在扩展外部存储器时， P0 口将作为低 8 位地址总线（ A7～ A0） /数据总线（ D7～ D0）使用， P2 口作为高 8位地址总线（ A15～ A8） 使用。 80C51 引脚图如图 [6]： ALE：低八位地址锁存信号，在访问外部存储器时，用 ALE 信号下降沿锁存从 P0 口输出的低 八位地址信息 A7～ A0. ～ ：内部带有弱上拉的双向 I/O口，作为输入引脚使用前，先向 P1 口锁存器写入 1，使 P1 口引脚被上拉为高电平。 、 ：除了作为一般 I/O 引脚使用外，还具有第二输入 /输出功能。 T2（ ）：定时器 T2的计数输入端或定时器 T2 的时钟输出端。 T2EX()：定时器 T2外部触发 输入端。 图 80C51引脚图 ～ ：内部带有弱上拉的双向 I/O口，作为输入引脚使用前，先向 P2 口锁存器写入 1，使 P2 口引脚被上拉为高电平。 在读写外部存储器时， P2 口输出高八位地址 A15～ A8。 ～ ：内部带有弱上拉的双向 I/O口，作为输入引脚使用前，先向 P3 口锁存器写入 1，使 P3 口引脚被上拉为高电平。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） P3 口除 了可作为一般 I/O 引脚使用外，还具有第二输入 /输出功能： RXD()：串行数据接收（输入）端。