智能雨刷传感器课程设计示例分解

1、教室日光灯控制系统设计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9中 国 重 庆2013 年 12 月目录摘 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

2、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。0 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

3、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。、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

4、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）=n 21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

5、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。由红外光发射元件发出的红外光以全反射角度在挡

6、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。

7、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。i p1=0.7（R 1+R2）C1（ 1）i p2=0.7R 2C1(2)i=1/T=1.44/(R 2+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

8、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

9、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 24 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

10、能雨刷控制系统设计自动雨刷的控制电路如下图 7 所示：102图8#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 0003H002BH 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

11、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，P0P3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U下2 （图TA84 3 5H8）BMCNV CCCNV OM 2M NIF1ERM 1KLC 2KLC CSO WCC/WC12C4330 05CN AMVA AGP AFNAB BFN71 81 91 02 12 22 3

12、2 42 52D4RF30 7J111R10kC1VCCCON4U1J4J2CON8RSTVCCP30P17P31P16XTAL 1P15XTAL 2P14P32P13P33P12P34P11P35P10GNDP371 0u f2147811AT89 C2 05 13418175613121615019CON2雨滴感应传感教室日光灯控制系统设计2 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Atmel 80C51 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。车窗有覆盖物车窗无覆盖物

13、单片机得信号执行动作命令执行停止命令15图9汽车雨刷自动控制系统设计程序清单EN BIT P3.1 CWW BIT P3.0 RST BIT P1.2 CLK BIT P3.2 ML BIT P3.3 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP TIME0 050HORGMAIN: MOV SP,#67H MOV TMOD,#51H MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H MOV TH1,#0MOV TL1,#0 MOV 30H,#00MOV 31H,#00 MOV 32H,#00MOV 33H,#00 MOV 40H,#00SETB EASETB E

14、T0 SETB PT0 START:SETB EN SETB M1ACALL DIANJI SJMP STARTTIME0:CLR EACLR TR1CLR TR0PUSH PSWMOV TH0,#0D8HMOV TL0,#0F0HMOV A,TH1CJNE A,#1,EXIT1JC GOSJMP NEXT4GO:MOV A,TL1CJNE A,#80,NEXT1NEXT1:JC NEXT2CJNE A,#161,NEXT3NEXT3:JNC NEXT4MOV A,#5SJMP NEXT5NEXT4:MOV A,#1SJMP NEXT5NEXT2:MOV A,#10NEXT5:MOV 38H,

15、AMOV TH1,#0MOV TL1,#0POP PSWSETB TR0SETB EASETB TR1RETDIANJI:JNB P3.7,LOOPJB P3.7,DIANJILOOP:SETB EACLR CWWCLE EN ; 启动电机LCALL DELAY1SSETB ENLCALL DELAY1SSETB CWWCLR ENLCALL DELAY1SSETB ENLCALL WAITSJMP DIANJIWAIT:MOV R4,38HW3:LCALL DELAY1SDJNZ R4,W3RETDELAY1S:MOV R7,#4;延时 1sL3:MOV R6,#250L2:MOV R5,#

16、250L1:NOPNOPDJNZ R5,L1DJNZ R6,L2DJNZ R7,L3RETEND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。此类电阻前两环表示有效数字，第三环表示倍率，与前 三环距离较大的第四环表示允许偏差。二极管：在此装置中要用到普通二极管和发光二极管，在普通二极管中有白色环标

17、志 的那头为负极。对于发光二极管一般引脚长的那端为正极，引脚短的那端为负极。电容：电容在这里用到的是瓷片电容和电解电容，其外围上面都有标记，只需检测其 好坏。在利用万用表检测时要注意如果为电解电容红表笔应接正极，黑表笔接负极。对于 2200pF一下的电容用万用表 R×10K或 R×100K测量， 2200pF以上可以用 R× 1K或 R ×100K档测量。档次调整好了和表笔接好后，观察万用表指针是否较大的偏转，然后由 最大的偏转慢慢的减小至最小值 （或零），如果时上述情况则证明该电容有充、 放电的功能， 为好电容。如果发现万用表指针不偏转说明该电容开路。

18、当万用表指针偏转至最大（阻值 为零）说明该电容已击穿。不过，一般对于新电容是不需检测的。 3、元件安装焊接与功能调试3.1 元件安装的基本要求与原则制造电子产品， 可靠性与安全是二个重要因素 , 而零件的安装对于保证产品的安全可靠 是至关重要的。如何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。元件安装 时要保证导通与绝缘的电器性能、保证机械强度、抱着那个传热的要求和安装时接地与屏 蔽要充分利用。为达到产品的可靠与安全，安装时应遵循一些基本的要求与原则。 元件安装的基本要求 保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断， 不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，

19、而且要考虑在振动，长期工作，湿度等自然 条件变化的环境中，都能保证通者恒通，断者恒断。 保证机械强度， 电子产品在使用过程中， 不可避免的需要运输和搬动， 会发生各种 有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为 加速度的瞬间受力使装置受到损害。 保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。 安装时接地与屏蔽要充分利用， 接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰， 二是 消除产品对外办的电碰干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。 安装元件时应注意以下原则 为避免因元器件发热而减弱铜箔对基板的附着力， 并防止元器件的裸露部分同印制 导线短路

20、，安装时元器件应离开面板约1 2mm。 装配时， 应该先安装那些需要机械固定元器件， 在此装置中如稳压管、 中心芯片插 座。 各种元器件的安装 , 应该使它们的标记 （ 用色码或字符标注的数值 , 精度等 ） 朝上面 或易于是辨认的方向 , 并注意标记的读书方向一致 （ 从左到右或从上到下 ） 。 在安装元件时应与焊接同步进行操作。3.2 元器件的焊接焊接是制造电子产品的重要环节之一， 如果没有相应的工艺质量保证 , 如何一个设计精 良的电子装置都难以达设计指示。 对焊点的基本要求 可靠的电气连接， 焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段， 锡焊连接不 是靠压力而是靠焊接过程形成的牢固连

21、接的合金层达到电气连接的目的。 足够的机械强度， 焊接不仅起到电气连接的作用， 同时也是固定元器件， 保证机械 强度连接的手段。 光洁整齐的外观， 良好的焊点要求焊料用量恰到好处， 外表有金属光泽， 没有粒尖， 桥接等现象，并且不伤及导线的绝缘层及相邻元器件。 焊接前的准备 为了提高焊接的质量和速度，避免虚焊等缺点，应该在装配以前对焊接表面进行可焊 性处理镀锡。镀锡实际上就是液态焊锡对被焊金属表面浸润，形成以层既不同于被焊接 金属又不同于焊锡的结合层，由这个结合层将焊锡于待焊金属这两种性能，万分都不相同 材料牢固连接起来。镀锡有以下工艺要求： 待镀表面应该清洁。 温度要足够高， 被焊金属表面的

22、温度， 应该接近焊锡现货时的温度， 才能于焊锡形 成良好的结合层。在这里我们用烙铁接近元器件引脚对其进行回热。 要使用有效的助焊剂， 在焊接电子产品时， 广泛使用酒精松香水作为助焊剂。 这种 助焊剂无腐蚀性，在焊接时支除氧化膜，增强焊锡的流动性，使焊点可靠美观，在制作该 装置种我们也使用酒精松香水作为助焊剂。 焊接操作 在做和焊接前准备工作后就可对元器件进行焊接操作了，在这里用35W的圆斜面外热式烙铁对其进行焊接，在焊接时掌握好的电烙铁温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊 点的接触位置，才可能得到良好的焊点，焊接的操作步骤分为以下五个： 准备施焊，左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态，要求烙铁

23、头保持干净，无焊 渣等氧化物，并载表面镀有一喜忧参半焊锡。 加热焊件， 烙铁头靠在两焊伯的连接处， 加热整个焊件全体， 在对于印制板器件来 说，要注意使烙铁头同时接触焊盘和元器件的引线。 送入焊丝，焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件，注意 不要把焊丝送到烙铁头上。 移开焊丝，当焊丝熔化一定量后，立即向上 45 度方向移开焊丝。 移开烙铁 焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上 45 度方向移开烙铁， 结 束焊接。3.3 系统调试与分析 供电电路是否正常是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试。接上 电源，用交流档测量变压器次级输出电压应为15V，然后用直流档测整流器流滤波后的直流电压在 18V左右；最后测经 7805 稳压后的电源电压， 5V。电源部分进行调试。先将整流、滤波部分元件焊上，然后接上电源变压器，用交流档 测变压器输出电压为 15.7V ，再用直流档测整流滤波后的电压为直流 19.2V 左右，正常， 接上三端稳压后再测其输出电压，为稳定的 5.04V ，这些数据说明电源部全全部工作正常；软件调试与系统试机。经过以上几步