任國(guó)清， 孔慧芳， 張曉雪

（1. 安徽江淮汽車股份有限公司， 安徽合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 安徽合肥 230009）

近年來(lái)， 隨著電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用， 汽車電子控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展， 該技術(shù)大大提高了汽車總體系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性， 使汽車智能化和一體化等方面有了較大突破。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛員手動(dòng)操作刮水器引起。 采用手自動(dòng)結(jié)合的智能刮水器控制系統(tǒng)， 增加了駕駛員操作刮水器的可選擇性， 并有效地提高了駕駛員雨天行車的安全性與舒適性。

智能刮水器的控制器、 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)和機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)的刮水器控制系統(tǒng)相比， 智能刮水器控制系統(tǒng)更加人性化， 智能化。 該系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S08DZ60為核心控制器來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)， 并運(yùn)用PWM （脈寬調(diào)制） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)刮水直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 選擇自動(dòng)檔時(shí)， 在下雨天或有水濺到了風(fēng)窗玻璃的情況下， 駕駛員無(wú)需操作， 紅外雨量傳感器感應(yīng)到雨滴后， 刮水器會(huì)自動(dòng)開啟， 并能夠根據(jù)雨量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)刮雨的速度， 雨停后又可以自動(dòng)停止工作。駕駛員也可以選擇手動(dòng)檔， 手動(dòng)檔設(shè)有低速、 高速和間歇檔3個(gè)檔位。

1 智能刮水器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

智能刮水器控制系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)［2-3］。 系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、 刮水電動(dòng)機(jī)、 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 紅外雨量傳感器、 開關(guān)信號(hào)輸入、 檔位顯示、 回位檢測(cè)、 CAN通信、 串口通信等模塊組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理為： 單片機(jī)采集開關(guān)檔位信號(hào)和雨量傳感器的信號(hào)。 自動(dòng)檔時(shí)， 雨量傳感器根據(jù)風(fēng)窗玻璃上雨量的大小輸出雨量信號(hào)， 該信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送到單片機(jī)， 單片機(jī)判斷出雨量的大小后， 輸出相應(yīng)的PWM （脈寬調(diào)制） 信號(hào)， PWM信號(hào)送到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刮水器轉(zhuǎn)速的控制； 雨停后， 刮水器可以自動(dòng)停止工作。 手動(dòng)檔時(shí)， 單片機(jī)根據(jù)所采集到的手動(dòng)檔位信號(hào)， 輸出相應(yīng)的PWM （脈寬調(diào)制） 信號(hào)來(lái)控制刮水電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 另外， 單片機(jī)通過(guò)采集刮水電動(dòng)機(jī)的回位信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)刮桿的回位控制。

1.2 系統(tǒng)各模塊硬件電路設(shè)計(jì)及其功能

1.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用Freescale半導(dǎo)體公司的MC9S08DZ60單片機(jī)為核心控制器。 MC9S08DZ60采用高性能、低功耗的8位HCS08中央處理器， 具有40 M主頻、60 K的片內(nèi)存儲(chǔ)器、 53個(gè)I／O端口、 24個(gè)中斷引腳、支持兩種超低功耗模式， 同時(shí)支持CAN2.0A／B、LIN 2.0和SAE J2602等多種協(xié)議［4－5］。 該單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、 運(yùn)行速度快、 資源豐富、 開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)， 在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。

MC9S08DZ60的工作電壓范圍為－0.3～5.8 V， 而汽車提供的電壓為12V。 因此， 設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)， 選用穩(wěn)壓集成芯片CJ78L05和AMS1117， 將汽車的12V電壓先轉(zhuǎn)化為5V電壓， 再轉(zhuǎn)化為3.3V電壓。 電源模塊還向系統(tǒng)的其他電路提供12 V、 5 V和3.3 V電源。

1.2.2 開關(guān)信號(hào)輸入模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)停止檔、 高速檔、 低速檔、 間歇檔及自動(dòng)檔等開關(guān)信號(hào)的輸入及對(duì)這些開關(guān)量信號(hào)的處理。

1.2.3 雨量采集與處理模塊

系統(tǒng)使用紅外散射式雨量傳感器采集雨量的信號(hào)， 它安裝在前風(fēng)窗玻璃內(nèi)側(cè)。 如圖2 所示， 雨量傳感器含有一個(gè)LED紅外發(fā)光二極管和一個(gè)紅外接收光電二極管［6－7］。 紅外發(fā)光二極管將紅外光以固定角度 （42°～63°） 投射到風(fēng)窗玻璃上， 經(jīng)由風(fēng)窗玻璃、 棱鏡反射回到紅外接收二極管。

當(dāng)玻璃表面干燥時(shí)， 發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線幾乎是100%地被全反射回來(lái)， 這樣光電二極管可接收到大量的反射光線。 當(dāng)風(fēng)窗玻璃表面有雨滴時(shí)， 入射到風(fēng)窗玻璃上的紅外光線被部分折射掉，接收管接收的光線變少， 雨量越大則接收的光線越少， 與此同時(shí)雨量傳感器將輸出一串脈沖波， 且脈沖波的數(shù)量與雨量的大小成正比， 如表1所示。

表1 傳感器的平均脈沖數(shù)與雨量大小的關(guān)系

自動(dòng)檔時(shí)， 單片機(jī)通過(guò)在給定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖波計(jì)數(shù)， 并根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)判斷雨量的大小。 雨量信號(hào)處理電路如圖3所示。 其中RAIN_1為雨量信號(hào)輸入引腳， 該信號(hào)經(jīng)鉗位二極管、 上拉電阻、濾波電路和非門邏輯電路74HC04處理后， 輸入到單片機(jī)的輸入信號(hào)捕捉引腳（PD4）。

1.2.4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)刮水電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案有3種： 一是通過(guò)改變電樞電壓調(diào)速， 二是改變勵(lì)磁繞組電壓調(diào)速， 三是改變電樞回路的電阻調(diào)速［8］。 本文采用PWM信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)第一種調(diào)速方案。

在PWM信號(hào)作用下， 高電平時(shí)， 電動(dòng)機(jī)通電，其轉(zhuǎn)速增加； 低電平時(shí)， 電動(dòng)機(jī)斷電， 其轉(zhuǎn)速減小。 若按一定規(guī)律改變通斷的時(shí)間， 便可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到控制。 因此， 在PWM調(diào)速系統(tǒng)中， 在電源電壓不變的情況下， 電樞端電壓取決于占空比的大小。 電動(dòng)機(jī)的電樞電壓為

式中： α——占空比， 0≤α≤1； U——電源電壓， U=12 V。

另外， 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

式中： n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； Ua——電樞電壓；Ia——電樞電流； Ra——電樞電阻； Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)； ψ——磁通量。

若忽略電樞電阻壓降， 則由以上兩式可得， 電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速（圖4） 為

式中： nd——電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速； nmax——電動(dòng)機(jī)最大額定轉(zhuǎn)速。

由圖4可知， nd與占空比α并不是完全線性關(guān)系（圖中實(shí)線）， 當(dāng)系統(tǒng)允許時(shí)， 可以將其近似看成線性關(guān)系 （圖中虛線）。 因此也就可以看成電動(dòng)機(jī)電樞電壓Ua與占空比α成正比， 改變占空比的大小即可控制電動(dòng)機(jī)的速度。

由以上可知， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)電樞電壓成比例， 而電動(dòng)機(jī)電樞電壓與控制波形的占空比成正比。 因此， 電動(dòng)機(jī)的速度與占空比成比例， 占空比越大， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)得越快， 當(dāng)占空比α＝1時(shí)， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大。 根據(jù)手動(dòng)檔位信號(hào)或自動(dòng)檔時(shí)采集的雨量信號(hào)， 單片機(jī)輸出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)， 該P(yáng)WM信號(hào)送到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7810K， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刮水電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

1.2.5 回位檢測(cè)模塊

通過(guò)對(duì)刮桿的位置檢測(cè)， 能夠?qū)崿F(xiàn)在停止檔和間歇檔時(shí)， 使刮桿回位到風(fēng)窗玻璃的底部 （復(fù)位位置）。 回位檢測(cè)的位置信號(hào)如圖5所示， 即在蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的凸輪盤上安裝一個(gè)凸輪片［9］， 外部連搭鐵信號(hào)（GND） 和回位輸出信號(hào) （BACK）。 單片機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)回位信號(hào)， 來(lái)判斷刮桿是否歸位。 當(dāng)檢測(cè)到回位信號(hào)時(shí)， 將產(chǎn)生低電平脈沖。

1.2.6 CAN通信模塊

CAN總線是在汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 單片機(jī)MC9S08DZ60支持CAN2.0A／B協(xié)議。 使用TLE6250GV33芯片， 可方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與車內(nèi)其他電控模塊之間的數(shù)據(jù)交換。 另外， 該芯片具有良好的電磁兼容性能， 能夠適應(yīng)汽車上的惡劣環(huán)境， 其電路如圖6所示。

1.2.7 串口通信模塊

單片機(jī)MC9S08DZ60自帶2個(gè)SCI （串行通信接口）， 可支持LIN 2.0協(xié)議和SAE J2602協(xié)議。 使用MAX3232芯片， 可方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC的串行通信。

1.2.8 檔位顯示模塊

采用5個(gè)LED燈指示刮水器的工作模式， 即慢檔、 快檔、 間歇檔、 自動(dòng)檔、 停止檔。

2 智能刮水器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法， 系統(tǒng)程序由主程序模塊和子程序模塊組成， 主程序通過(guò)調(diào)用子程序完成數(shù)據(jù)處理。 系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。 系統(tǒng)開始運(yùn)行后， 采用查詢方式查詢當(dāng)前檔位信號(hào)， 并根據(jù)檢測(cè)到的檔位信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的子程序， 如此循環(huán)往復(fù)。 在停止檔或間歇檔時(shí)， 為保證駕駛員的前方視野不被刮桿檔住， 系統(tǒng)不斷檢測(cè)刮水器回位信號(hào)， 通過(guò)回位子程序使刮桿回位到風(fēng)窗玻璃底部。

自動(dòng)檔子程序流程圖如圖8所示， 通過(guò)利用單片機(jī)的RTC的實(shí)時(shí)中斷功能， 實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。 當(dāng)檢測(cè)到自動(dòng)檔時(shí)， 開始對(duì)雨量輸入引腳PTA6的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 并根據(jù)所計(jì)數(shù)值的大小執(zhí)行相應(yīng)的子程序。 無(wú)雨時(shí)， 輸出占空比為0的PWM信號(hào)控制刮水電動(dòng)機(jī)； 小雨時(shí)， 輸出占空比為50%的PWM信號(hào)； 中雨時(shí)， 輸出占空比為75%的PWM信號(hào)； 大雨時(shí)， 輸出占空比為100%的PWM信號(hào)。 雨量傳感器僅僅是用來(lái)感知有沒有降水發(fā)生，對(duì)降水的強(qiáng)弱及數(shù)量無(wú)嚴(yán)格的要求， 雨量的界定可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定［7］。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Protel99SE軟件， 設(shè)計(jì)并制作了刮水控制器雙面PCB電路板， 如圖9所示。 同時(shí)， 利用單片機(jī)開發(fā)軟件CodeWarrior6.3進(jìn)行了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)研制完成后， 在汽車刮水電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明， 手動(dòng)檔時(shí)， 該控制器可分別實(shí)現(xiàn)刮水器在低速檔、 高速檔和間歇檔工作； 自動(dòng)檔時(shí)， 通過(guò)改變雨量的大小， 刮水器能自動(dòng)跟隨雨量大小而改變刮桿的擺速。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了汽車智能刮水器控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程。 運(yùn)用單片機(jī)MC9S08DZ60輸出的PWM信號(hào)調(diào)節(jié)刮水電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 編程實(shí)現(xiàn)了刮水器的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制， 電路簡(jiǎn)單， 使用靈活。 該系統(tǒng)性能可靠， 控制效果良好， 有效地提高了雨天駕駛的安全性與舒適性， 具有廣闊的應(yīng)用前景。

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