摘要：基于微控制器MC9S08系列单片机，通过红外雨量传感器采集雨量的大小，利用脉宽调制（PWM）技术对刮水电动机进行控制，提出一种集手自动于一体的智能刮水器控制系统设计方案。通过模块化思想进行了系统硬件设计和系统软件设计。实际试验结果表明，
设计的智能刮水器控制系统可以有效实现刮水器手／自动工作模式，可取代传统机械结构的刮水器。

    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。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MC9SO8DZ60单片机为核心控制器。MC9SO8DZ60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/0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。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。

    MC9SO8DZ60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3.3 V电压。电源模块还向系统的其他电路提供12 V; 5V和3.3 V电源。

1.2.2开关信号输人模块
    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人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。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。

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74HCO4处理后，输人到单片机的输人信号捕捉引脚（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。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

                    Ua =αU
    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

              n=（Ua-IaRa）/Ceψ  

    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。

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