汽车智能刮水器控制系统设计方案

任国清， 孔慧芳， 张晓雪

（1. 安徽江淮汽车股份有限公司， 安徽合肥 230009；2. 合肥工业大学电气与自动化工程学院， 安徽合肥 230009）

近年来， 随着电子技术、 计算机技术和总线技术在汽车上的应用， 汽车电子控制技术得到了迅猛发展， 该技术大大提高了汽车总体系统的可靠性和可维护性， 使汽车智能化和一体化等方面有了较大突破。 据统计， 全世界雨天行车有7%的事故是由于驾驶员手动操作刮水器引起。 采用手自动结合的智能刮水器控制系统， 增加了驾驶员操作刮水器的可选择性， 并有效地提高了驾驶员雨天行车的安全性与舒适性。

智能刮水器的控制器、 执行电动机和机械机构构成一个完整的自动控制系统。 与传统的刮水器控制系统相比， 智能刮水器控制系统更加人性化， 智能化。 该系统采用Freescale公司的MC9S08DZ60为核心控制器来控制整个系统， 并运用PWM （脉宽调制） 技术实现对刮水直流电动机的调速控制。 选择自动档时， 在下雨天或有水溅到了风窗玻璃的情况下， 驾驶员无需操作， 红外雨量传感器感应到雨滴后， 刮水器会自动开启， 并能够根据雨量的大小自动调节刮雨的速度， 雨停后又可以自动停止工作。驾驶员也可以选择手动档， 手动档设有低速、 高速和间歇档3个档位。

1 智能刮水器控制系统硬件设计

1.1 系统组成与工作原理

智能刮水器控制系统的硬件电路采用模块化设计［2-3］。 系统由单片机最小系统、 刮水电动机、 电动机驱动模块、 红外雨量传感器、 开关信号输入、 档位显示、 回位检测、 CAN通信、 串口通信等模块组成。 系统结构框图如图1所示。

系统的工作原理为： 单片机采集开关档位信号和雨量传感器的信号。 自动档时， 雨量传感器根据风窗玻璃上雨量的大小输出雨量信号， 该信号经调理电路处理后送到单片机， 单片机判断出雨量的大小后， 输出相应的PWM （脉宽调制） 信号， PWM信号送到电动机驱动电路， 从而实现对刮水器转速的控制； 雨停后， 刮水器可以自动停止工作。 手动档时， 单片机根据所采集到的手动档位信号， 输出相应的PWM （脉宽调制） 信号来控制刮水电动机的转速。 另外， 单片机通过采集刮水电动机的回位信号， 实现了对刮杆的回位控制。

1.2 系统各模块硬件电路设计及其功能

1.2.1 单片机最小系统

系统采用Freescale半导体公司的MC9S08DZ60单片机为核心控制器。 MC9S08DZ60采用高性能、低功耗的8位HCS08中央处理器， 具有40 M主频、60 K的片内存储器、 53个I／O端口、 24个中断引脚、支持两种超低功耗模式， 同时支持CAN2.0A／B、LIN 2.0和SAE J2602等多种协议［4－5］。 该单片机具有处理能力强、 运行速度快、 资源丰富、 开发方便等优点， 在许多行业都得到了广泛的应用。

MC9S08DZ60的工作电压范围为－0.3～5.8 V， 而汽车提供的电压为12V。 因此， 设计电源模块时， 选用稳压集成芯片CJ78L05和AMS1117， 将汽车的12V电压先转化为5V电压， 再转化为3.3V电压。 电源模块还向系统的其他电路提供12 V、 5 V和3.3 V电源。

1.2.2 开关信号输入模块

该模块实现停止档、 高速档、 低速档、 间歇档及自动档等开关信号的输入及对这些开关量信号的处理。

1.2.3 雨量采集与处理模块

系统使用红外散射式雨量传感器采集雨量的信号， 它安装在前风窗玻璃内侧。 如图2 所示， 雨量传感器含有一个LED红外发光二极管和一个红外接收光电二极管［6－7］。 红外发光二极管将红外光以固定角度 （42°～63°） 投射到风窗玻璃上， 经由风窗玻璃、 棱镜反射回到红外接收二极管。

当玻璃表面干燥时， 发光二极管发射的红外光线几乎是100%地被全反射回来， 这样光电二极管可接收到大量的反射光线。 当风窗玻璃表面有雨滴时， 入射到风窗玻璃上的红外光线被部分折射掉，接收管接收的光线变少， 雨量越大则接收的光线越少， 与此同时雨量传感器将输出一串脉冲波， 且脉冲波的数量与雨量的大小成正比， 如表1所示。

表1 传感器的平均脉冲数与雨量大小的关系

自动档时， 单片机通过在给定的时间内对脉冲波计数， 并根据脉冲个数来判断雨量的大小。 雨量信号处理电路如图3所示。 其中RAIN_1为雨量信号输入引脚， 该信号经钳位二极管、 上拉电阻、滤波电路和非门逻辑电路74HC04处理后， 输入到单片机的输入信号捕捉引脚（PD4）。

1.2.4 电动机驱动模块

电动机驱动电路主要实现刮水电动机的驱动与制动。 直流电动机的调速方案有3种： 一是通过改变电枢电压调速， 二是改变励磁绕组电压调速， 三是改变电枢回路的电阻调速［8］。 本文采用PWM信号来实现第一种调速方案。

在PWM信号作用下， 高电平时， 电动机通电，其转速增加； 低电平时， 电动机断电， 其转速减小。 若按一定规律改变通断的时间， 便可使电动机的转速得到控制。 因此， 在PWM调速系统中， 在电源电压不变的情况下， 电枢端电压取决于占空比的大小。 电动机的电枢电压为

式中： α——占空比， 0≤α≤1； U——电源电压， U=12 V。

另外， 直流电动机的转速

式中： n——电动机转速； Ua——电枢电压；Ia——电枢电流； Ra——电枢电阻； Ce——电动势常数； ψ——磁通量。

若忽略电枢电阻压降， 则由以上两式可得， 电动机的平均转速（图4） 为

式中： nd——电动机平均转速； nmax——电动机最大额定转速。

由图4可知， nd与占空比α并不是完全线性关系（图中实线）， 当系统允许时， 可以将其近似看成线性关系 （图中虚线）。 因此也就可以看成电动机电枢电压Ua与占空比α成正比， 改变占空比的大小即可控制电动机的速度。

由以上可知， 电动机的转速与电动机电枢电压成比例， 而电动机电枢电压与控制波形的占空比成正比。 因此， 电动机的速度与占空比成比例， 占空比越大， 电动机转得越快， 当占空比α＝1时， 电动机转速最大。 根据手动档位信号或自动档时采集的雨量信号， 单片机输出相应的PWM控制信号， 该PWM信号送到电动机驱动芯片BTS7810K， 从而实现对刮水电动机的调速控制。

1.2.5 回位检测模块

通过对刮杆的位置检测， 能够实现在停止档和间歇档时， 使刮杆回位到风窗玻璃的底部 （复位位置）。 回位检测的位置信号如图5所示， 即在蜗轮蜗杆机构的凸轮盘上安装一个凸轮片［9］， 外部连搭铁信号（GND） 和回位输出信号 （BACK）。 单片机通过不断检测回位信号， 来判断刮杆是否归位。 当检测到回位信号时， 将产生低电平脉冲。

1.2.6 CAN通信模块

CAN总线是在汽车计算机控制系统中应用最为广泛的现场总线之一。 单片机MC9S08DZ60支持CAN2.0A／B协议。 使用TLE6250GV33芯片， 可方便地实现单片机与车内其他电控模块之间的数据交换。 另外， 该芯片具有良好的电磁兼容性能， 能够适应汽车上的恶劣环境， 其电路如图6所示。

1.2.7 串口通信模块

单片机MC9S08DZ60自带2个SCI （串行通信接口）， 可支持LIN 2.0协议和SAE J2602协议。 使用MAX3232芯片， 可方便地实现单片机与PC的串行通信。

1.2.8 档位显示模块

采用5个LED灯指示刮水器的工作模式， 即慢档、 快档、 间歇档、 自动档、 停止档。

2 智能刮水器控制系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法， 系统程序由主程序模块和子程序模块组成， 主程序通过调用子程序完成数据处理。 系统主程序流程图如图7所示。 系统开始运行后， 采用查询方式查询当前档位信号， 并根据检测到的档位信号执行相应的子程序， 如此循环往复。 在停止档或间歇档时， 为保证驾驶员的前方视野不被刮杆档住， 系统不断检测刮水器回位信号， 通过回位子程序使刮杆回位到风窗玻璃底部。

自动档子程序流程图如图8所示， 通过利用单片机的RTC的实时中断功能， 实现对雨量脉冲信号计数。 当检测到自动档时， 开始对雨量输入引脚PTA6的脉冲信号进行计数， 并根据所计数值的大小执行相应的子程序。 无雨时， 输出占空比为0的PWM信号控制刮水电动机； 小雨时， 输出占空比为50%的PWM信号； 中雨时， 输出占空比为75%的PWM信号； 大雨时， 输出占空比为100%的PWM信号。 雨量传感器仅仅是用来感知有没有降水发生，对降水的强弱及数量无严格的要求， 雨量的界定可依据经验值设定［7］。

3 试验结果与分析

利用Protel99SE软件， 设计并制作了刮水控制器双面PCB电路板， 如图9所示。 同时， 利用单片机开发软件CodeWarrior6.3进行了系统软件的设计。整个系统研制完成后， 在汽车刮水电动机上进行了相应的试验。

试验测试结果表明， 手动档时， 该控制器可分别实现刮水器在低速档、 高速档和间歇档工作； 自动档时， 通过改变雨量的大小， 刮水器能自动跟随雨量大小而改变刮杆的摆速。

4 结束语

本文介绍了汽车智能刮水器控制系统软硬件的设计过程。 运用单片机MC9S08DZ60输出的PWM信号调节刮水电动机的转速， 编程实现了刮水器的手动控制和自动控制， 电路简单， 使用灵活。 该系统性能可靠， 控制效果良好， 有效地提高了雨天驾驶的安全性与舒适性， 具有广阔的应用前景。

［1］ 赵岩， 王哈力， 蒋贵龙， 等. 汽车智能雨刷系统的设计［J］. 电子科技， 2007 （2）： 70－72.

［2］ 张雷， 郭卫， 刘志峰. 模块化设计中相似性评价的应用［J］.合肥工业大学学报 （自然科学版）， 2011， 34 （1）：13－17.

［3］ 张跃常， 戴卫恒. Freescale系列单片机常用模块与综合系统设计实例精讲［M］. 北京： 电子工业出版社， 2010.

［4］ 李刚， 陈世利， 周鑫玲. 飞思卡尔8位单片机实用教程［M］. 北京： 电子工业出版社， 2009.

［5］ Freescale公司. MC9S08DZ60［Z］.

［6］ 赵岩， 訾鸿. 汽车雨滴传感器的设计［J］. 佳木斯大学学报， 2007， 25 （6）： 801－803.

［7］ 陶志文. 汽车红外雨量传感器及其测试平台的研究［D］.上海大学： 检测技术与自动化装置， 2009.

［8］ 顾绳谷. 电动机及拖动基础 （第4版）［M］. 北京： 机械工业出版社， 2007.

［9］ 贺理， 龙永红， 滕峻林， 等. 基于PWM的机车雨刮控制器的设计［J］. 湖南工业大学学报， 2010， 24 （6）： 84－88.