解决复杂天气情况下智能视觉雨刮设计（说明书+CAD+三维建模+运动仿真+单片机电路）
摘 要
雨刮器作为现代汽车上不可或缺的一部分，虽然结构小，但在汽车安全驾驶方面却起着及其重要的作用。雨刮器的主要功能主要是将前后挡风玻璃上的雨水、污泥刮刷干净，擦亮汽车的挡风玻璃，使乘用车司机获得的视野更加清晰，保障司机安全行驶，所以驾驶员的驾驶安全性与雨刮器的挂刷效果好坏有着直接的联系。为此，国标中对汽车雨刮器的工作性能制定了严格的标准，本文的工作正是基于此，对雨刮器的结构及电路部分进行了设计。本设计要求进行解决复杂天气情况下智能视觉雨刮结构设计部件尺寸的设计，求解刮扫面积，电机选型，电路分析，利用ADAMS软件进行运动分析，获得运动的轨迹和速度，并用Pro/E绘出三维模型。电路部分运用步进电机代替传统的雨刷电机，通过传感器检测到的雨量大小的信号，把信号输入单片机AT89C2051中通过程序控制步进电机的启动、电机转动速度及正反转时间。设计中运用TA8435H作为步进电机的驱动芯片，其是脉宽调制式斩波驱动方式，这样能克服步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。此设计能免去驾驶员对雨刷的反复操作，提高了驾驶的安全性和舒适性,减少由于驾驶员对雨刷操作带来的交通事故，也大大提高了汽车雨刷运行的可靠度。
关键词：智能视觉雨刮器；间歇电路控制；虚拟设计；Pro/E； AT89C2051单片机
ABSTRACT
As an indispensable part of modern cars, wipers, although small in structure, play an extremely important role in safe driving. The main function of the wiper is to clean the rainwater and sludge on the front and rear windshields, polish the car's windshield, and provide a clearer view for passenger car drivers, ensuring their safe driving. Therefore, the driving safety of the driver is directly related to the effectiveness of the wiper. Therefore, strict standards have been established in the national standard for the working performance of automotive wipers. Based on this, the structure and circuit of the wipers have been designed in this paper. This design requires the design of the dimensions of intelligent visual wiper components for sedans, solving the wiping area, motor selection, circuit analysis, using ADAMS software for motion analysis, obtaining the trajectory and speed of motion, and drawing a 3D model using Pro/E. The circuit part uses a stepper motor to replace the traditional wiper motor. The signal of the amount of rain detected by the sensor is input into the microcontroller AT89C2051, and the start, rotation speed, and forward and reverse time of the stepper motor are controlled through a program. In the design, TA8435H is used as the driving chip of the stepper motor, which is a pulse width modulation chopper driving method. This can overcome the shortcomings of large vibration and noise when the stepper motor operates at low frequencies. This design can eliminate the driver's repeated operation of the windshield wiper, improve driving safety and comfort, reduce traffic accidents caused by the driver's operation of the windshield wiper, and greatly improve the reliability of the car's windshield wiper operation.
Keywords: Intelligent visual wiper; Intermittent circuit control; Virtual design; Pro/E； AT89C2051 Monolithic
目录
第1章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 设计的目的意义 1
1.3 设计的基本内容与解决的主要问题 2
1.3.1 研究的基本内容 2
1.3.2 拟解决的主要问题 2
第2章 解决复杂天气情况下智能视觉雨刮结构设计 3
2.1 智能视觉雨刮器相关参数的选择 3
2.1.1 智能视觉雨刮器尺寸初定 3
2.1.2 曲柄摇杆结构设计 4
2.2 刮水电机的选择及蜗轮蜗杆设计分析 6
2.2.1 雨刮电机性能计算 6
2.2.2 雨刮电机蜗轮蜗杆设计分析 8
2.3 本章小结 11
第3章 ADAMS建模分析 12
3.1 曲柄摇杆机构改进 12
3.2 新模型建立 12
3.3 本章小结 14
第4章 Pro/E模型的建立与装配 15
4.1 零件模型的建立 15
4.2 零件模型的装配 19
4.3 本章小结 21
第5章 模拟仿真 22
5.1 将Pro/E装配模型导入ADAMS中 22
5.2 给Pro/E装配模型施加约束 24
5.3 给Pro/E装配模型施加力和驱动进行仿真 25
5.4 绘制出仿真数据分析图 27
1、低挡仿真数据分析 28
2、高挡仿真数据分析 32
5.5 利用函数控制智能视觉雨刮器进行间歇刮水 37
5.6 智能视觉雨刮器刮扫面积的分析计算 38
5.7 本章小结 39
第6章 控制系统的硬件设计 40
6.1 电源电路的设计与分析 40
6.2 中央控制器 ——AT89C2051 41
6.6.1 AT89C2051的特点 41
6.6.2 AT89C2051的功能描述 42
6.6.3 AT89C2051的管角说明 42
6.3 电机控制电路分析与设计 45
6.7.1 步进电机的基本原理及特点 45
6.7.2步进电机驱动芯片 47
6.7.3步进电与驱动芯片连接电路设计 52
6.4 复位电路的设计 52
6.8.1 单片机复位电路基本原理及特点 52
6.8.1 单片机复位后的状态的分析 53
6.5 时钟电路的设计与工作原理分析 54
6.5.1振荡器特性 54
6.5.2 时钟电路的设计 54
6.5.3 单片机的基本时序单位 55
6.6 检测电路的设计与分析 55
6.6.1雨水传感器工作原理 56
6.12 雨水传感器原理图 57
6.6.2硬件设计与实现 57
第7章 汽车自动雨刷控制系统统软件设计 59
7.1 主程序设计 59
7.1.1主程序的初始化内容 59
7.1.2 代码转换程序 60
7.2 中断服务程序 60
7.6.1中断服务程序的设计 60
7.3检测脉冲及电机运行程序的设计 61
参考文献 63
第1章 绪 论
1.1研究背景
在汽车制造业飞速发展的今天，汽车中已经安装了越来越多的自动控制系统增加主动和被动安全性。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雨刷引起的，所以，一种具有极高可靠性能的汽车自动雨刷控制系统显的非常的重要，汽车自动雨刷控制系统使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了雨天行车的安全性和雨刷的可靠度。国内外许多汽车厂商研制以雨水传感器为基础的汽车自动雨刷控制系统，来代替传统的机械结构的雨刮器，但不是价格昂贵就是系统不完善。现在开发的汽车雨刷控制系统中，将雨滴传感器检出的雨水强度实成时测量值变电信号，根据电信号的大小，自动设定雨刮器工作的时间间隔，控制雨刮器动作。目前市场上的雨水传感器大都是依据以下三种工作原理制成的：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器、利用光强变化的传感器与控制器相连接，控制雨刷电机的工作。第一种和第二种是要把雨水传感器安装在汽车的外面，雨滴直接滴在传感器上，第三种把雨水传感器安装在风挡玻璃驾驶室上，第三种把雨水传感器安装在风挡玻璃驾驶室一侧，通过雨滴滴落在玻璃上引起反射光强的变化感应传感器。
本次设计的汽车自动雨刷控制系统是基于AT89C2051单片机、汽车雨量传感器和雨刷电机并通过软硬件的设计综合实现的。而且本系统中采用步进电机取代传统的雨刷电机（传统雨刷电机为直流电机），目的是运用步进电机控制精度高等特点，使系统更加的稳定可靠。本次设计也综合应用之前学校所学的单片机、微机控制、电路设计、电机拖动等方面的知识，进一步了巩固我们的本专业知识。考虑到设计成本，设计运用的这些材料相对于其他同类产品价格非常底。此次设计中我们采用了单片机系统的微处理器AT89C2051芯片、TA8435H步进电机驱动芯片等硬件，而且它们具有集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点。所以汽车自动雨刷控制系统是个值得推广的一种方法，且具有很好的市场推广价值。
1.2设计的目的意义
本设计的目的，是根据当前的先进设计理论，通过所学知识，并利用Pro/E软件平台，对智能视觉雨刮器做进一步的设计，力求使刮刷面积进一步增大，使得司机在任何时候都有一个清晰的视野，提高汽车行驶安全性。
1.3设计的基本内容与解决的主要问题
1.3.1研究的基本内容
智能视觉雨刮器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。本设计要求进行捷达解决复杂天气情况下智能视觉雨刮结构设计部件尺寸的设计，求解刮扫面积等；要选择电机的型号，分析智能视觉雨刮器的控制电路及间歇电路，分析电机的自动回位装置，确定智能视觉雨刮器的硬件的尺寸等，求解智能视觉雨刮器的刮扫面积，利用ADAMS软件进行运动分析，获得运动的轨迹和速度，并运用Pro/E绘出三维模型。
1.3.2拟解决的主要问题
解决问题：
（1）分析智能视觉雨刮器电子间歇控制电路；
（2）分析智能视觉雨刮器的自动回位装置；
（3）确定智能视觉雨刮器的控制方式；
（4）优化智能视觉雨刮器传动机构；
（5）确定刮刷区域，并计算最大刮刷面积；
（6）实现智能视觉雨刮器的运动仿真；
（7）最终实现三维模型建立(Pro/E)。
解决方法：
（1）分析比较不同车型的控制电路及间歇控制电路，选择其中一种；
（2）分析其他车型的自动回位装置，选择合适的；
（3）比较分析不同智能视觉雨刮器的控制方式，选择一种；
（4）分析比较其他车型的传动机构，选择合适的优化传动机构；
（5）查阅参考资料中求解智能视觉雨刮器的算法；
（6）学习ADAMS软件，实现智能视觉雨刮器的运动仿真；
（7）学习Pro/E软件，建立智能视觉雨刮器的三维模型。
参考文献
[1]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社，2006.04.
[2]陈家瑞．汽车构造（第三版下册）[M].人民交通出版社，2000.1.
[3]周苏东，荣玉，傅克宝，丁祖胜. 农业机械[J] .枣庄技术学院，安徽白湖机械厂，2007(02B):62-62.
[4]汪康洪,屠耀麟.国外汽车电动智能视觉雨刮器性能水平概述[J].上海黄浦农业机械厂，1999.
[5]周希章，周全.如何正确选用电动机[M].北京：机械工业出版社，2004.01.
[6]杨生辉，舒华，王克才. 汽车电器与电子技术[M].北京：国防工业出版社，2004.09.
[7]舒华，姚国平.汽车电器与电子技术[M].北京：人民交通出版社，2006.10.
[8]鲁植雄等．汽车电器与电子系统[M].江苏：科学技术出版社，2005.01.
[9]孙仁云，付百学. 汽车电器与电子技术[M].北京: 机械工业出版社，2006.01.
[10]张小虞等．汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2007.05.
[11]王知行，刘廷荣.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2005.
[12]暴风创新科技.Pro/Engineer野火版 4.0从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2008.06.
[13]李晓辉，夏彩云,吴高阳. Pro /EngineerWildfire3.0中文版完全自学专家指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007.01.
[14]王霄．Pro/E高级设计实例教程[M].北京：化学工业出版社，2007.05.
[15]杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计原理第五版[M].北京:高等教育出版社,2006.05.
[16]臧杰，阎岩.汽车构造[M].北京:机械工业出版社，2005.08.
[17]杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础第五版[M].北京:高等教育出版社，2006.05.
[18]李军，邢俊文，覃文杰.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002.07.
[19]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高[M]. 北京:机械工业出版社，2001.11.
[20]曾鑫. 智能刮水系统的结构与控制[J]．汽车电器，2010.（9）.
[21]熊光楞，李伯虎，柴旭东. 虚拟样机技术[J]. 系统仿真学报，2011.01.
[22]Hsu B.S，Ling S.F. Windshield Wiper System Design[J]．International Journal of Vehicle Design，1990，11(1)：63—78.
[23]Chin Y.K，Kade A，Kovalik J.Graham,D．Electronic windshield wiper system Ⅰ Control and Sensitivity[J].Int.J.OfVehicle Design，1991，12(2)：183—196.
