智能雨刷传感器课程设计示例分解

教室日光灯控制系统设计1重庆文理学院电子电气工程学院专业课程设计论文题目：智能汽车雨刷控制系统设计论文作者：朱在沥学号：201108069010专业：电气工程及其自动化中国重庆2013年12月智能雨刷控制系统设计2目录摘要..................................................................30引言.................................................................41设计方案.............................................................51.1信号采集部分...................................................51.2信号处理部分...................................................81.3结构规划部分部分...............................................112参考文献............................................................13教室日光灯控制系统设计3摘要针对现在国家提倡节能的的号召，本文介绍了一种由数字电子技术和模拟电子技术以及传感器原理与应用的的检测系统设计方案。因学校的教室在很多情况下因为没有人而日光灯开启而浪费电的现象，现对于学校的电能节约理念设计一种节能的日光灯控制系统，控制系统中主要应用了数字、模拟电子技术中的众多元器件，且基于传感器技术原理这门课程的原理而设计。主要应用到光敏红外二极管，以及ATMEL80C51单片机芯片，应变式电阻传感器，光敏二极管以及电阻、异步加法、减法计数器等。关键词：ATMEL80C51集成电路芯片；74191异步计数器；光敏传感器；步进电机；雨量传感器。智能雨刷控制系统设计40引言汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具朝着满足人们需求和安全，节能，环保的方向发展。正是出于这种考虑，下雨下雪时，因为雨雪覆盖挡风玻璃遮挡视线从而增加安全隐患极易发生事故。为了满足人们对汽车日益提高的要求，汽车研发及生产机构必然要将越来越多的电子产品应用到汽车上。传统的机械雨刷需要驾驶员手动操作，这会让驾驶员分心更加增加安全隐患，即使有传统机械传动设备，与电子传感器器件相比，也有诸多不便。开发出在汽车行驶中检测到雨滴后雨刷器就自动工作的智能雨刷系统，至少可以将现在的雨刷器减少了3个开关。这样，不仅驾驶员就无需调节雨刷器设置来迅速停止刮片的运动或者的高更好的视角。而且当不需要雨刷工作时也能自动停止工作。教室日光灯控制系统设计5一、设计方案及思路1.1信号采集本数据采集系统主要由外界条件的采集、数据的传输组成（见图1）图1汽车自动雨刷控制系统结构框图1.2元件分析雨量传感器与光电传感器原理相似如图所示，光电传感器是将被测量的变化转换成光的变化，再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，雨量传感器是基于光强变化的原理。、图2雨量传感器实物模拟图图3步进电机内部结构图4雨水传感器内部结构智能雨刷控制系统设计6二﹑雨量传感器工作原理1﹑雨量传感器的基本理论（1）、光学原理光线射在两种介质分界面上，当一部分光线射入另外一种介质时，光线传播方向发生改变，这称为折射。在第二种介质中折射光线和分界面法线n0的夹角称为折射角。入射角i和折射角r有下述关系：Sin(i)/sin(r)=n21式中,n21—第二种介质对第一种介质的相对折射率。光从光密介质（折射率n较大）射入光疏介质（折射率n较小）时，如果入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，光全部反射回原来介质，这种现象叫做全反射。折射角变成90°时的入射角叫做临界角。全反射的条件是，光从光密介质向光疏介质入射，入射角等于大于临界角。设计的传感器就是根据全反射光学原理制成。空气的折射率是1，水的折射率是1.33，玻璃的折射率是1.5。根据式计算得出，光从玻璃入射到空气中的临界角是42°，光从玻璃入射到水中的临界角是63°。（2）、工作原理雨水传感器由红外光发射电路和红外光接收电路组成。如图4所示。图5雨水传感器原理图由红外光发射元件发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42°（玻璃-空气）和63°（玻璃-水）之间。如果在挡风玻璃上有水，一些光会双倍射出，且这会引起红外感光元件接收到的反射光减弱。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。雨量传感器的基本实现电路2﹑雨量传感器的电路设计（1）、红外发射电路红外发射管采用硅光电二极管，它具有暗电流小，噪声低，受温度影响小，价格便宜等优点。红外发射管三个并联，采用脉宽调制驱动，工作在38kHZ的频率下。采用这种方式可以减少发射电路的功耗。脉冲发生器采用555电路构成。如图3所示，经式(1)（2）（3）计算，得出R1、R2、C1值。微调节R2，使脉冲频率为38kHz。由于红外光线肉眼看不见，所以电路中加入LED指示灯来指示红外发射管是否在工作。ip1=0.7(R1+R2)C1（1）教室日光灯控制系统设计7ip2=0.7R2C1(2)i=1/T=1.44/(R2+2R1)C1(3)（2）、红外接收电路红外接收电路通常由光接收二极管、放大电路、带通滤波器、检波电路等组成。放大电路的任务是对光脉冲信号进行线性放大和整形。带通滤波器的任务是进行频率选择，滤除干扰信号。检波电路滤掉载频后检出的原始信号。因而电路比较复杂，体积也比较大。设计的接收电路采用德律风根公司（Vishay）的红外专用集成接收芯片TK1838，将各功能电路封装在一起，以实现接收脉冲编码信号调制的红外光信号，塑料封装可滤除可见光。内部结构如图4所示。1脚为输出，2脚接地，3脚电源接+5V。TK1838只有接收到38kHz的脉冲信号才会作用。它具有微型一体化塑料封装、体积小、可靠性高、内部屏蔽、抗干扰光能力强、5V供电、功耗低、输出信号灵敏、价格便宜等优点。内部集成了放大、滤波、解调及其控制电路，1脚直接输出高低电平。当TK1838接收不到38kHz的脉冲信号时，1脚输出高电平；当接收到38kHz的脉冲信号时，1脚输出低电平。（3）、控制电路图6一般情况下采用2~4个红外发射管，与红外发射管串联的电阻取值要保证红外发射管发出的光强满足本设计的要求；红外发射管的角度要保证红外光在挡风玻璃的外表面形成全反射；R5、R6取值满足输入到单片机的脉冲信号幅值满足要求。当有雨滴落在挡风玻璃的“敏感区域”时，1脚输出一串脉冲波，小雨时，脉冲波的数量少；大雨时，脉冲波的数量多。我们使用的雨刮电动机有低速挡和高速挡，用单片机AT89C2051来检测脉冲波，根据给定时间内脉冲波数量的多少来控制雨刮器工作。三、过程原理控制过程如图：智能雨刷控制系统设计8自动雨刷的控制电路如下图7所示：图7四、软件设计部分系统软件的设计包括主程序的设计、电机转速设置程序设计、各中断服务等程序设计组成。1主程序设计本设计的单片机控制程序采用51单片机汇编语言编写，在编写的过程中，尽量向结构化、模块化的方向编写，整个程序的清单会在后面。本章将对该系统的程序做具体分析。MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H~002BH分别为各中断源的入口地址。所以，编程时应在0000H处写一条跳转指令。当CPU接收到中断请求信号并予以响应后，CPU把当前的PC内容压入堆栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序入口处执行。一般应在相应的中断服务程序入口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址作为中断服务程序的其实地址进行编程。MCS-51系列单片机复位后，除SP为07H，P0~P3口为FFH外，其余给内存单元内容均为00H，所以应对IE、IP进行初始化编程，以开放CPU中断，允许某些中断源中断和设置中断优先级等。系统设计电路原理图如下（图8）图8RST1P302P313XTAL14XTAL25P326P337P348P359GND10P3711P1012P1113P1214P1315P1416P1517P1618P1719VCC20U1AT89C2051GND1REST2ENABLE3OSC4CW/CCW5CLK26CLK17M18M29REFIN10MO11NC12VCC13NC14VMB15B16PGB17NFB18B19A20NFA21PGA22A23VMA24NC25U2TA8435HR110kC110ufC2CAPEC3CAPEY112MHZC43300R222kR30.5R40.5C5104C6100ufVCCVCC+12VVCC1234J1CON4D1RF307D2RF307D3RF307D4RF30712345678J2CON812J3CON2键盘雨滴感应传感器123J4CON3VCC+12V步进电机教室日光灯控制系统设计92信号处理部分前面已经介绍了信号的采集系统，当信号被应变式传感器采集之后传送到单片机内，所以，单片机可以识别出进教室还是出教室。这里用到使用Atmel80C51单片机，用以控制数据的加或者减的计数。处理部分结构框图如图8。图9汽车雨刷自动控制系统设计程序清单；ENBITP3.1CWWBITP3.0RSTBITP1.2CLKBITP3.2MLBITP3.3ORG0000HAJMPMAINORG000BHAJMPTIME0050HORGMAIN:MOVSP,#67HMOVTMOD,#51HMOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HMOVTH1,#0MOVTL1,#0MOV30H,#00MOV31H,#00MOV32H,#00MOV33H,#00MOV40H,#00SETBEASETBET0SETBPT0START:SETBENSETBM1ACALLDIANJISJMPSTARTTIME0:CLREACLRTR1CLRTR0PUSHPSWMOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HMOVA,TH1CJNEA,#1,EXIT1JCGOSJMPNEXT4GO:MOVA,TL1CJNEA,#80,NEXT1NEXT1:JCNEXT2CJNEA,#161,NEXT3NEXT3:JNCNEXT4MOVA,#5SJMPNEXT5NEXT4:MOVA,#1SJMPNEXT5NEXT2:MOVA,#10NEXT5:MOV38H,AMOVTH1,#0MOVTL1,#0POPPSWSETBTR0SETBEASETBTR1RETDIANJI:JNBP3.7,LOOPJBP3.7,DIANJILOOP:SETBEACLRCWWCLEEN;启动电机LCALLDELAY1SSETBENLCALLDELAY1SSETBCWWCLRENLCALLDELAY1SSETBENLCALLWAITSJMPDIANJIWAIT:MOVR4,38HW3:LCALLDELAY1SDJNZR4,W3RETDELAY1S:MOVR7,#4;延时1sL3:MOVR6,#250L2:MOVR5,#250L1:NOPNOPDJNZR5,L1DJNZR6,L2DJNZR7,L3RETEND车窗有覆盖物车窗无覆盖物单片机得信号单片机得信号执行动作命令执行停止命令传感器智能雨刷控制系统设计10五、安装与调试1、电路图的绘制(1).在Protel中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。(2).再按照系统电路图绘制导线，把元件连好线。(3).通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制完成。2、元件的识辩与检测在安装元件前要先认识和检测元件，一些常见元件的认识与检测如下：色环电阻：在此使用的是五个色环标志的电阻