基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究_圖文

1、哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究姓名：趙巖申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電工理論與新技術(shù)指導(dǎo)教師：王哈力20070301哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究摘要雨刮器是汽車車身的重要部件之一。汽車智能雨刮系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的雨刮器。采用雨滴感應(yīng)式智能雨刮控制系統(tǒng)可以使駕駛員免除手動操作雨刮的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。雨滴傳感器是汽車智能雨刮系統(tǒng)的重要組成部分。本文分析了三種雨滴傳感器的組成原理，基于光強(qiáng)變化的原理研制出了一種新型汽車紅外線雨滴傳感器。該傳感器采用西門子公司生產(chǎn)的紅外發(fā)射管和紅外接收管，組成紅外光發(fā)射電路

2、和紅外光接收電路，并用單片機(jī)處理接收到的信號。把雨滴傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃的駕駛室一側(cè)，當(dāng)下雨時，雨滴傳感器可以分辨出大雨還是小雨。實驗證明，該雨滴傳感器反應(yīng)靈敏，實時性好，性能穩(wěn)定。在汽車智能雨刮系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會對雨刮同步造成影響。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。我們用單片機(jī)來控制整個系統(tǒng)，雨刮器是采用具有高速和低速兩個檔位的雨刮電機(jī)來分別控制兩個雨刮片，當(dāng)?shù)目跈z測到紅外線雨滴傳感器的信號時，即有雨滴落在風(fēng)擋玻璃上，兩個雨刮片就分別左右擺動，當(dāng)小雨時，雨刮器工作在低速擋，當(dāng)大雨時，雨刮器工作在高速擋。由于生產(chǎn)工藝的問題，

3、兩個雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會存在兩個雨刮擺動不同步的問題。這樣，我們就需要用人的經(jīng)驗知識，即模糊控制規(guī)則，來調(diào)整信號的占空比，使兩個雨刮同步擺動。文中給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖和主程序流程圖。本文采用軟件對模糊控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對比兩個仿真結(jié)果。可以看出模糊控制器具有調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小，控制精度高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞汽車雨刮器：雨滴傳感器；模糊控制；單片機(jī)蘭奎鎏登三盔耋三蘭璺圭蘭堡篁三，一哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，；哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期

4、間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽名：姒日期：。年月日哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印

5、、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于保密口，在年解密后適用授權(quán)書。不保密由（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打、）作者簽名：舫導(dǎo)師簽名：日期：年日日期年月日第章緒論汽車刮水器的發(fā)展歷程第一個發(fā)明電動刮水器的是德國博世公司。年，博世將它作為“博世最年幼的產(chǎn)品”加入到博世的產(chǎn)品家族。自那以后，這個嬰兒逐漸成長，從單純的刮片發(fā)展到世紀(jì)初的風(fēng)窗玻璃之星無支架的刮水器，我們給它的商業(yè)名稱是（流線型）。在汽車駕駛史上，對風(fēng)窗玻璃清潔問題的解決開始得比較晚。汽車從只有晴天駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛，對這一問題的解決才剛剛開始。不過在剛開始的時候，并沒有刮片，只有直尺。末代德國皇帝魏海

6、姆的弟弟海里希，一個汽車愛好者為此申請了專利。這想法是通過使用一把能上下滑動的直尺擦去風(fēng)窗玻璃上惱人的雨水。但是這樣駕駛員不得不單手開車，這可有點(diǎn)危險。美國發(fā)明的早期刮水器也有同樣的情況，因為使用真空力。每次發(fā)動機(jī)提速，刮水器的速度就顯得慢了。年，博世就畫出刮水器的草圖。三年后生產(chǎn)出第一支博世刮水器，它的傳動裝置獨(dú)立于發(fā)動機(jī)。從此駕車人的視野終于清晰了。那時這個小幫手的售價為德國馬克，每分鐘清潔次。小電機(jī)使刮水器刮臂運(yùn)動。結(jié)果就是：“今天，即使天氣惡劣，博世刮水器也能保持高速”。后來的發(fā)展也就順理成章：如果您愿意，您可以再裝一個刮水器，不僅能刮去駕駛員這邊窗玻璃上的雨水也能刮去前排乘客那邊的雨

7、水。自那以后，博世生產(chǎn)的上百種刮水器為世界各地的駕車者除去了風(fēng)窗玻璃上的雨水。年來，技術(shù)并沒有停滯不前。博世最年輕的產(chǎn)品誕生年后，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了種不同的博世刮水器。技術(shù)變化最大是在二戰(zhàn)以后，伴隨著大規(guī)模機(jī)械化的出現(xiàn)。風(fēng)窗玻璃洗滌器、間歇開關(guān)、后窗刮水器和可加熱噴水器保證了駕車時的視野清晰與行車安全。伴隨其他一些技術(shù)革新，比如雨滴傳感器、可變位刮水臂、刮水器的運(yùn)行角度能改變因而就能擴(kuò)大刮拭范圍。刮水器成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)?，F(xiàn)在，博世刮水器由博世公司車身電器部負(fù)責(zé)。大部分產(chǎn)品都來自位于比利時的全球最大的工廠，它成立于年。驅(qū)動電機(jī)在德國的生產(chǎn)。博世刮水器是國際性的產(chǎn)品。這種說法尤其適用于無支架的刮水

8、器（流線型）。刮水器的金屬架已消失，一根貫穿整個橡膠的經(jīng)精密工藝加工的金屬彈簧代替了以前的結(jié)構(gòu)，使刮拭力量在風(fēng)窗玻璃上更均勻。刮臂的壓力不用從金屬架夾頭再傳遞到風(fēng)窗玻璃，力量更大，刮拭效果更好。人們擔(dān)憂的車窗玻璃模糊也因此不會發(fā)生。新的刮水器更簡單高效，外表也更漂亮。它只有個元件組成，而不是原先的個元件。因而更平更輕，運(yùn)行得更好，運(yùn)行時不產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)及噪音，即使高速行駛下仍緊貼風(fēng)窗玻璃”。汽車傳感器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢為了滿足人們對汽車日益提高的要求，汽車研發(fā)及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)必然要將越來越多的電子產(chǎn)品引入到汽車上。在汽車電子產(chǎn)品中，傳感器已經(jīng)成為關(guān)鍵的基礎(chǔ)配套產(chǎn)品之一。汽車傳感器（）工業(yè)是一個新興的高速成長中

9、的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。汽車傳感器市場主要受到汽車產(chǎn)量增加、環(huán)境和安全認(rèn)可，以及車輛技術(shù)發(fā)展等因素所驅(qū)動?，F(xiàn)在一輛豪華汽車上應(yīng)用的傳感器已經(jīng)超過了個。因此，伴隨著汽車電子產(chǎn)品市場的增長，汽車傳感器市場也得到了同樣的增長。汽車傳感器的特點(diǎn)傳感器是一種轉(zhuǎn)換器。它的作用是進(jìn)行信號變換，把被測的非電量變換為電量，這種變換包括能量形態(tài)的變換，所以也稱為換能器。汽車傳感器具有以下特點(diǎn)：使用環(huán)境惡劣要使汽車能在極其寒冷以及酷熱地帶都能行駛，傳感器就必須具有非常強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，以適用于溫度、濕度、振動等物理環(huán)境，以及過電壓、電磁波等電氣環(huán)境。精度要求高要求或以下精度。要求可靠性好汽車傳感器的可靠性指標(biāo)是年，使汽車行使

10、萬公里無故障。批量生產(chǎn)性傳感器在確保其性能的基礎(chǔ)上，成本盡可能低，且能通過簡單的調(diào)整就能更換。汽車傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀目前傳感器在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感器對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動等各種信息進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量和控制。表列舉了汽車傳感器的種類和檢測對象。汽車傳感器在汽車上主要用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)，如表所示。應(yīng)用在汽車上的傳感器其工作條件比較惡劣，其基本工作溫度可從變化到，工作在發(fā)動機(jī)表面的傳感器必須承受約的溫度，而尾氣傳感器則必須能夠承受高

11、達(dá)的高溫，另外汽車傳感器還要有良好的抗震能力和耐腐蝕能力，因此汽車用傳感器的技術(shù)指標(biāo)要比一般工業(yè)用傳感器高個數(shù)量級，其中最關(guān)鍵的是測量精度和可靠性。否則，由傳感器帶來的測量誤差將最終導(dǎo)致汽車難以正常工作或產(chǎn)生故障。表汽車用傳感器的種類和檢測對象種類溫度傳感器流量傳感器壓力傳感器位置傳感器速度、加速度傳感器液位傳感器氣體濃度傳感器其他檢測對象發(fā)動機(jī)溫度、冷卻水溫度、吸入氣體溫度、燃油溫度、排氣溫度及車內(nèi)外空氣溫度吸入空氣，燃油流量、排氣再循環(huán)、冷媒流量、二次空氣流量進(jìn)氣管絕對壓力、汽缸內(nèi)壓、大氣壓力、發(fā)動機(jī)油壓、混合氣壓、制動液壓、各種泵壓、胎壓曲軸位置、節(jié)氣門位置、排氣再循環(huán)閥開量、車高、行駛

12、距離、行駛方位發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、輪速、加速度、負(fù)加速度冷卻水、燃油、機(jī)油、電解液、制動液、洗窗器液、化合物、柴油機(jī)排氣煙度爆震、濕度、電流、雨滴、制動磨損片磨損、動力坐椅、轉(zhuǎn)向反射鏡、加速踏板位置汽車傳感器的發(fā)展趨勢車用傳感器是促進(jìn)汽車高檔化、電子化、自動化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國對車用傳感器的研究開發(fā)、提高性價比都非常重視。“沒有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代汽車”的觀點(diǎn)現(xiàn)在已被全世界所公認(rèn)。汽車電子化越發(fā)達(dá)，自動化程度越高，對傳感器依賴性就越大，所以，國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)。汽車現(xiàn)代傳感器總的發(fā)展趨勢是：多功能化、集成化、智能化、微型化。多功能是指一個傳感器能檢測兩個或兩個

13、以上物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)。集成化是指利用制造技術(shù)和半導(dǎo)體特性制作單片式傳感器。智能化傳感器是具有智能功能的高檔傳感器，它具有檢測、信息處理功能、自動進(jìn)行各種誤差補(bǔ)償、精度高、量程覆蓋范圍大、穩(wěn)定性好、輸出信號大、信噪比高、傳輸中抗干擾性能好，可遠(yuǎn)距離輸送信號，有的還帶有自檢功能。微型化是指微機(jī)械加工技術(shù)，除全面繼承氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積等微電子技術(shù)外，還發(fā)展了平面電子工藝技術(shù)、各向異性腐蝕、固相鍵合工藝和機(jī)械分?jǐn)嗉夹g(shù)】【】酬【。表汽車電子控制系統(tǒng)用傳感器電子控制系統(tǒng)類別發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)名稱電予燃油噴射系統(tǒng)電子自動變速控制系統(tǒng)電子控制懸架系統(tǒng)所用的主要傳感器溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、爆震、車速、旋

14、轉(zhuǎn)位移、液位、力矩、氧傳感器等車速、位移、油溫、節(jié)流閥傳感器等車高、車速、航角、方位、加速度、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等車速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、油壓、扭矩傳感器等輪速、壓力、加速度、振動傳感器等慣性加速度、碰撞（前后和側(cè)向）傳感器等接近、紅外熱成像，超聲陣列、距離傳感器等低壓開關(guān)、溫度開關(guān)、壓力、濕度傳感器等溫度、氣壓、風(fēng)量、風(fēng)向、日照、雨量、氣體（、）傳感器等羅盤傳感器、陀螺儀、車速、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等底盤電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)防抱死制動系統(tǒng)安全氣囊系統(tǒng)防撞警告系統(tǒng)車身自動空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境檢測系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文研制汽車雨滴傳感器的意義汽車雨滴傳感器是智能刮水器系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)在，汽

15、車中已經(jīng)安裝了越來越多的傳感器以增加主動和被動安全性，一種具有極高的市場滲透性的傳感器是雨滴傳感器，以增加舒適性和安全性。據(jù)統(tǒng)計全世界雨天行車有的事故是由于駕駛員手動操作雨刷引起的，采用雨滴感應(yīng)式自動雨刷控制系統(tǒng)可以使駕駛員免除手動操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。國內(nèi)外許多汽車廠商研制以雨滴傳感器為基礎(chǔ)的汽車自動雨刷控制系統(tǒng)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的雨刮器。如果汽車有雨滴傳感器，駕駛者就無需調(diào)節(jié)雨刮器設(shè)置來迅速停止刮片的運(yùn)動或者得到更好的視角。當(dāng)在濕路上駕駛時，駕駛者就無需動手來打開雨刮器，所以駕駛者就可以集中精力開車。由于目前市場上的雨滴傳感器價格偏高，我們擬研制一種低成本的光電

16、雨滴傳感器。汽車智能雨刮系統(tǒng)的雨滴傳感器是一種高科技的光電技術(shù)產(chǎn)品，安裝在前擋風(fēng)玻璃后面，利用光學(xué)原理，采用先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，對汽車前擋風(fēng)玻璃上的雨滴進(jìn)行探測判斷，采集數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)計算，準(zhǔn)確判斷后，根據(jù)雨量大小，完全自動地控制雨刮及雨刮快慢【】【】【“。模糊控制技術(shù)在汽車上的應(yīng)用自汽車問世的百年間，汽車的發(fā)展就始終伴以“自動”、“代替人的工作”等字眼，它承載著最新的科學(xué)發(fā)明，不斷地裝備和更新著它的自動化和代替人的工作的功能。汽車工業(yè)在其發(fā)展過程中所日益顯示的對于高新技術(shù)的可容性和電子化趨勢，使得模糊技術(shù)頗受各國汽車公司或廠商的重視，并由此掀起了一股模糊技術(shù)用于汽車的熱潮。因此，要研制智能化

17、的汽車離不開模糊控制技術(shù)。在汽車的制動裝置、變速控制、車身彈性緩沖裝置及巡航控制系統(tǒng)等部件中，已經(jīng)廣泛地使用了模糊技術(shù)。例如日本三菱公司研制的模糊跟蹤系統(tǒng)，能夠檢測前轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角和車速，求得汽車的轉(zhuǎn)彎速度；可以根據(jù)司機(jī)所要求的功率，對胎的承受能力進(jìn)行控制，還能自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的功率，從而保證汽車轉(zhuǎn)彎時不會發(fā)生偏行。日本三菱公司在轎車自動變速器上使用的模糊技術(shù)，大人減少了過去由“電腦”控制自動變速器進(jìn)行精確計算的許多麻煩，使自動變速更具實時性和時效性。美國福特汽車公司應(yīng)用模糊技術(shù)制造出一種新的汽車調(diào)節(jié)器，不但能夠準(zhǔn)確地保持汽車速度，還能夠在與前方汽車距離過近時自動采取制動措施。馬自達(dá)公司生產(chǎn)的模糊

18、邏輯車速控制系統(tǒng)，克服了大多數(shù)車速控制裝置不穩(wěn)定的問題，使其在上下坡時保持恒定速度，同時提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性。年，日本三菱公司轎車的自動變速器使用了模糊控制。從而省去了處理車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷以及橫、縱向加速度等大量數(shù)據(jù)的繁瑣計算，使自動變速器更具實時性和實用性。隨后，本田公司又在轎車的（型）變速器使用了模糊控制，實現(xiàn)了速比的圓滑轉(zhuǎn)換。同樣斯巴魯公司的轎車在采用模糊技術(shù)后，實現(xiàn)了連續(xù)平滑變速。在巡航控制和剎車系統(tǒng)方面，德國的巴伐利亞汽車公司的系列轎車使用了模糊技術(shù)控制的超聲停車器，在倒車時，這個系統(tǒng)自動啟動，當(dāng)車后障礙物（如行人、樹木、汽車等）與汽車距離過近時，它便發(fā)出警告。目前這種系統(tǒng)

19、已在銷往歐洲的車上使用。本文研究的主要內(nèi)容本文研究的內(nèi)容主要由三部分組成：汽車雨滴傳感器是智能雨刮系統(tǒng)的重要組成部分。全面分析雨滴傳感器的組成原理，根據(jù)把雨滴傳感器放在汽車內(nèi)部的需要，研制出一種紅外線雨滴傳感器。把雨滴傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃的駕駛室一側(cè)，當(dāng)下雨時，雨滴傳感器可以分辨出大雨還是小雨，從而使雨刮做高速、低速擺動。有許多非線性因素會對汽車智能雨刮系統(tǒng)造成影響，因此分析了模糊控制理論，并把模糊控制技術(shù)用于本系統(tǒng)。用來控制整個系統(tǒng)，給出硬件設(shè)計電路和主程序流程圖。用仿真模糊控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，用模糊控制器取代傳統(tǒng)的控制器，能明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，控制效果良好。第章汽車雨滴傳感器

20、光電傳感器光電傳感器又稱光傳感器，是利用調(diào)制光實現(xiàn)對物體的檢測，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器，敏感波長在可見光（）附近，包括紅外線（“）和紫外線波長（），如圖所示。光電傳感器由發(fā)射器和接收器組成，通過接收器接收到的光強(qiáng)變化產(chǎn)生檢測輸出實現(xiàn)檢測功能。光輻見射光黃橙紅紫外輻射極遠(yuǎn)可紅外輻射近遠(yuǎn)近紫藍(lán)綠中遠(yuǎn)極遠(yuǎn)圖光輻射波段范圍（肛）（）常見的光電傳感器有光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電耦合器、顏色傳感器、紅外光傳感器、紫外線傳感器、光纖傳感器和圖像傳感器。光電傳感器可用于檢測直接引起光量變化的非電量如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光電量變化的其它非電量，如零件直

21、徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。光電傳感器光源光學(xué)傳感器中使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為非相干光源和相干光源。前者包括白熾燈和發(fā)光二極管；后者包括各種激光器。對光源的選擇及參數(shù)的要求，如亮度、光譜特性、光電轉(zhuǎn)換特性和相干性等，必須根據(jù)具體系統(tǒng)來決定。對光源的基本要求是：有足夠大的功率、足夠的信噪比、并具有質(zhì)量合適的光波到達(dá)光傳感器。本文所用的光源為紅外線發(fā)射二極管，紅外線是不可見光，人眼是覺察不到的。紅外發(fā)射二極管具有體積小、壽命長、功耗小，省電、

22、響應(yīng)速度快、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動電路如圖所示。圖中的三極管作開關(guān)，當(dāng)基極上加有驅(qū)動信號時，三極管飽和導(dǎo)通，紅外發(fā)射管也正向?qū)üぷ?，發(fā)出紅外光（近紅外線波長約）。紅外發(fā)射管的管壓降約，工作電流一般小于。為了適應(yīng)不同的工作電壓，紅外發(fā)射管的回路中常串有電阻作為限流電阻“。圖紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動電路。光伏探測器件管類似，不同之處在于結(jié)裝在管殼頂部，可以直接受到光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，它的符號圖及其在電路中的接法如圖所示。當(dāng)無光照時，其反向電阻很大，電路中有很小的反向飽和漏電流（稱之為暗電流），一般為。，此時相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照時，結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)

23、被束縛的價電子吸收光子能量，產(chǎn)生電子一空穴對，并在結(jié)所形成的電場作用下作定向運(yùn)動而形成光電流。光照度越大，光電流就越大。故光敏二極管不受光照時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照時處于導(dǎo)通狀態(tài)。光電流過負(fù)載電阻時，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成光電功能轉(zhuǎn)換的。光敏二極管的工作原理光敏二極管又稱光電二極管，它與普通二極光敏三極管的工作原理光敏三極管是具有和結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，它在結(jié)構(gòu)上與普通三極管類似，通常只有兩個引出電極（也有三個的）。為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積做得較小，并在基區(qū)邊緣，以避免發(fā)射極引線遮住基區(qū)影響靈敏度。管子的芯片被裝在帶有玻璃透鏡的金

24、屬管殼內(nèi)，當(dāng)光照射時，光線通過透鏡集中照射在芯片的集電結(jié)上。入射光主要被基區(qū)吸收。圖光敏二極管的接法圖光敏三極管的接法將光敏三極管接在圖所示的電路中，在正常情況下，集電結(jié)為受光結(jié)（相當(dāng)于光敏二極管）。集電結(jié)相對于發(fā)射極為正電壓；而基極開路，則集電結(jié)處于反向偏置。無光照射時，由熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子一空穴對），電子從基極進(jìn)入集電極，空穴從集電極移向基極在外電路中有暗電流（正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流）流過，其大小為：。（），女電流。（）式（）中，盧為共射極直流放大系數(shù)；匕為集電極與基極間的反向飽和當(dāng)光照射在光敏面（集電極）上時，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子空穴對增加了少數(shù)載流子

25、的濃度，由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場增強(qiáng)。在內(nèi)電場的作用下，光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位升高，促使發(fā)射區(qū)有大量電子經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大的集電極光電流，即盧己（）哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文式（）中毛為結(jié)產(chǎn)生的光生電流，為光敏三極管的直流放大系數(shù)【】【】。汽車雨滴傳感器的設(shè)計雨滴傳惑器的原理如果開發(fā)出行使中檢測到雨滴后，刮雨器就自動工作在高速或低速狀態(tài)（根據(jù)檢測到雨滴的大?。┑母咝阅艿膫鞲衅鳎辽倏梢詫F(xiàn)在的刮雨器減少個開關(guān)?，F(xiàn)在開發(fā)的雨滴檢測刮雨器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成電信號，根據(jù)電信號的大小，自動設(shè)定刮雨器工作的時間間隔，控制刮雨器動作。在這個系統(tǒng)中雨

26、滴傳感器的作用最重要。下面敘述三種雨滴傳感器。利用壓電振子的傳感器壓電振子利用壓電效應(yīng)將機(jī)械位移（振動）變成電信號。若圖的壓電振子受到雨淋，按照雨滴的強(qiáng)弱和雨量作振動；將雨滴的沖擊能量變換成電壓波形，再輸入到雨刮控制器。該電壓波形的積分值（斜線部分的面積）與某一定值的速度對應(yīng)，這樣就可控制刮雨器運(yùn)動的速度。童筒墨。盟。雨滴！÷：振子振動）無雨時）下雨時圖壓電振子的傳感原理笏勿介要?。呵?、無雨時）電壓波形利用靜電電容的傳感器靜電電容表示因電極之間的物質(zhì)不同（在雨滴傳感器中為“空氣”和“水”）能儲存電荷量的能力。如圖所示。見式（），電極面積（回，電極的間隔（回不變，則靜電容只由介電系數(shù)（

27、）決定。因水和空氣的值不同，隨雨滴的大小而變。利用靜電容的變化，改變振蕩電路的振蕩頻率，從而控制雨刮器的動作。哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文：墮（）、空氣絕緣物雨滴）干燥時生崮）下雨時圖靜電電容的傳感原理利用光量變化的傳感器把半導(dǎo)體發(fā)光元件和感光元件配成一對，從發(fā)光元件發(fā)出的光信號，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光強(qiáng)減弱?？衫霉鈴?qiáng)的衰減信號控制雨刮器的動作。前兩種雨滴傳感器需要放在汽車的外部，而本文所研制的雨滴傳感器需要放在汽車的內(nèi)部，即駕駛室一側(cè)的風(fēng)擋玻璃上。所以采用第三種方法，利用光強(qiáng)變化的來實現(xiàn)的雨滴傳感器【。雨滴傳感器的硬件設(shè)計該雨滴傳感器主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成。實

28、物圖正反面如圖，圖所示，硬件原理圖如圖所示。發(fā)射模塊發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的紅外光輻射通量。由八個紅外發(fā)射管、一個定時器和電阻、電容元件組成。發(fā)射管發(fā)射管采用西門子公司出產(chǎn)的作為光源，實物圖如圖一所示。峰值波長名為，帶寬。它具有高線性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。采用個一組，兩組并聯(lián)的方式，由定時器驅(qū)動，發(fā)出頻率為的紅外光。工作在的頻率下，采用這種方式可以減少發(fā)射電路的功耗。芝堡至竺三鑾蘭三蘭要圭蘭堡蘭蘭圖雨滴傳感器正面實物圖圖雨滴傳感器反面實物圖 一竺壘簍詈三查耋三耋罌圭：竺蘭鑾匝剮隧棼隧椎鷲啦壤窿匝哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖外形圖定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示，它

29、由個阻值相同的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器和、基本觸發(fā)器、放電以及緩沖器組成。定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制觸發(fā)器和放電的狀態(tài)。由圖可知，當(dāng)腳懸空時，比較電源島復(fù)位圖定時器原理圖 鑒璽鎏墨三鑾蘭三：罌圭蘭堡絲鑾器和的比較電壓分別為；和；。定時器功能表如表所示。表定時器功能表輸入輸出，放電管；形見圖。；扛截止導(dǎo)通不變不變由定時器構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖如圖所示，其工作波圖多諧振蕩器電路圖圖多諧振蕩器工作波形接通電源后，電容被充電，上升，當(dāng)上升到妄時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電導(dǎo)通，此時為低電平，電容通過是和丁放電，使下降。當(dāng)吃下降到妄時，觸發(fā)器又被置位，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器放電所需

30、的時間為墾島（）當(dāng)放電結(jié)束時，截止，將通過墨、恐向電容器充電，屹由上升到詈所需的時間為，充（焉）（置是）（）當(dāng)圪上升到÷時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，得到一個周期性的方波，其頻率為。在輸出端就，：。！：蘭！缸（墨）（）本文設(shè)計的發(fā)射模塊就是由定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，通過式（）、（）、（）計算出墨、是和的值，使電路發(fā)出頻率為的脈沖波，從而驅(qū)動紅外發(fā)射管工作在的頻率下”】”。接收模塊接收模塊由一個紅外接收管、帶通濾波器、分頻器、單片機(jī)等組成。接收管紅外接收管是西門子公司生產(chǎn)的，如圖所示。它將接收到的紅外光脈沖信號變成電脈沖信號后送入帶通濾波器。是型硅光電三極管。峰值波長為，具有高線

31、性度、高可靠性等特點(diǎn)。圖外形圖帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。這種濾波器經(jīng)常用于抗干擾的設(shè)備中，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)的有效信號，而消除高頻段及低頻段的干擾和噪聲。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)起來，即可獲得帶通濾波電路。其原理示意圖如圖所示。在圖中，低通濾波器的通帶截止頻率為工，即該低通濾波器只允許五的信號通過；而高通濾波器的通帶截止頻率為斤，即它只允許的信號通過?，F(xiàn)將二者串聯(lián)起來，且五斤，則其通頻帶即是上述二者頻帶的覆蓋部分，即等于五一石，成為一個帶通濾波器。根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器的典型電路見圖。輸入端的電阻和電容組成低通電路，另一個

32、電容和電阻足組成高通電路，二者串 聯(lián)起來接在集成運(yùn)放的同相輸入端。：璽鎏堊三查蘭三蘭罌圭：竺絲三。一五！一阻！一圖帶通濾波器原理示意圖薩圖帶通濾波器的典型電路為了估算方便起見，設(shè)恐，馬，此時可求得帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為小嘲南哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文（）式中互麗；盞紕。屯小魯；擊。由式（）可見，當(dāng)時，電壓放大倍數(shù)達(dá)到最大值，此時如，而當(dāng)頻率廠減小或增大時，都將降低。當(dāng)，或，時，均趨近于零，可見此電路具有“帶通”的特性。通常將石稱為帶通濾波器的中心頻率，屯稱為通帶電壓放大倍數(shù)。通過以上各式計算，選擇電阻、電容，得到我們所需要的頻率，濾掉干擾信號。分頻器是由級主從觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制串行計數(shù)

33、分頻器。輸出端連接、就可以對輸入端腳的信號進(jìn)行、分頻。用分頻器把由帶通濾波器輸出的脈沖信號分頻，滿足輸出脈沖信號是毫秒數(shù)量級。芯片引腳符號的功能如圖所示【】。舷。鞠鰳伽。站聰，國：？媯鉚鏤圖引腳圖哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文單片機(jī)系列單片機(jī)是美國微芯科技股份有限公司（）推出的一種新型的高性能位系列單片微控制器，體現(xiàn)了現(xiàn)代單片微控制器發(fā)展的一種新趨勢，深受用戶歡迎，正逐漸成為單片機(jī)世界的一種新潮流。是（外圍接口控制器）的縮寫。從單片機(jī)的問世到其快速普及，并為業(yè)界廣為采用，最主要的原因是高性能結(jié)構(gòu)、精簡指令集僅多條指令、執(zhí)行速度可達(dá)到，多種硬件中斷方式，及其完整的單片機(jī)系列芯片讓使用者可以根據(jù)不

34、同的需求選擇最合適的單片機(jī)芯片。另外，它具有實用、低價、省電、高速、體積小和驅(qū)動強(qiáng)等特點(diǎn)，目前在國內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用。公司生產(chǎn)的位單片機(jī)系列產(chǎn)品是單片機(jī)中級型產(chǎn)品之一。該系列產(chǎn)品的主要型號是和，該系列產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是有的（閃速）程序存儲器和帶位的（閃速）數(shù)據(jù)存儲器，其擦寫次數(shù)上萬次，數(shù)據(jù)保存時間大于年。所以該系列產(chǎn)品極適合那些可能會經(jīng)常改動程序編程的應(yīng)用對那些學(xué)習(xí)、開發(fā)單片機(jī)的個人或單位，都是一種很好的可重復(fù)多次的實驗芯片。還有它內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器不僅具有掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的功能，更因為它是由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行控制操作的，外部電路無法對其進(jìn)行讀寫，所以它有極高的數(shù)據(jù)保密性，使得在智能卡、密碼鎖、電子防盜系

35、統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。另外，寬工作溫度范圍：商用級，工作級一，汽車級。特別是汽車級產(chǎn)品已大量用于汽車電子，甚至已用于航空儀表上。芯片引腳符號的功能如所示。龍蛙瞰，鍆嗣駱黼圖引腳圖哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文（）口符號單片機(jī)系列封裝引腳最少的是引腳（如和），多的可達(dá)引腳（如），其中，（輸入輸出）口線按單片機(jī)產(chǎn)品型號不同，其口線數(shù)量也不相同。腳封裝的口線是根線，而腳封裝的口線多達(dá)根線。這些口線符號分別按英文字母順序排列編號，簡稱口、口、口、口、口、口，每個口是位的，但不一定占滿位。這些口在封裝引腳圖的標(biāo)注上均在各口之前加有符號。例如口標(biāo)注為、；口為、。上述的各口線都是可以獨(dú)立編程的雙向口線。系

36、列口有，口有，共只引腳。（）引腳的復(fù)用功能和符號單片機(jī)的信號引腳是單片機(jī)外特性的體現(xiàn)，在硬件上用戶只能使用引腳，通過引腳的連接組建單片機(jī)系統(tǒng)。位單片機(jī)系列和，系列單片機(jī)一樣，其引腳除電源（腳、（腳）為單一功能外，其余的信號引腳常是多個功能，即引腳的復(fù)用功能。常見的引腳符號和主要功能如下：（腳）清除（復(fù)位）輸入編程電壓輸入。為低電平時，對芯片復(fù)位。該腳上的電壓不能超過，否則會進(jìn)入測試方法。（腳）振蕩器晶體，外部時鐘輸入端。（腳）振蕩器晶體輸出端，在晶體振蕩方式接晶體，在方式輸出頻率的信號。（腳）計數(shù)器輸入端，或作口的一個端。（腳）中斷輸入端，或作口的一個端。用來接收分頻后的脈沖信號，對脈沖信號進(jìn)

37、行處理：在之內(nèi)，當(dāng)脈沖的個數(shù)小于個的時候，單片機(jī)不記，認(rèn)為是無雨；當(dāng)脈沖個數(shù)大于個而小于個時，單片機(jī)認(rèn)為是小雨，這時單片機(jī)的輸出為個脈沖：當(dāng)大于個而小于個時，單片機(jī)認(rèn)為是大雨，輸出為個脈沖；當(dāng)大于個脈沖，單片機(jī)認(rèn)為是干擾信號，認(rèn)為是無雨【】【脬】。雨滴傳感器的軟件設(shè)計分頻后的脈沖信號能明顯區(qū)分出大雨和小雨，但為了使輸出波形更加清晰、整齊，便于后續(xù)控制雨刮系統(tǒng)的工作，用來處理脈沖信號（”。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示。中斷子程序流程圖如圖所示。圖雨滴傳感器程序流程圖圖中斷子程序流程圖實驗結(jié)果與分析雨滴傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃上駕駛室一側(cè)，在風(fēng)擋玻璃雨滴傳感器的“敏感區(qū)域”模擬自然降雨。我們用雙蹤示波器采

38、集波形，探頭捕捉的信號是經(jīng)分頻器分頻后的波形；探頭捕捉的信號是經(jīng)過單片機(jī)處理后的波形。實驗一小雨情況下波形，如圖所示。實驗二大雨情況下波形，如圖所示。實驗證明，雨滴傳感器反應(yīng)靈敏，輸出信號延時可忽略，實現(xiàn)了雨量實時監(jiān)測。雨滴傳感器性能穩(wěn)定，實驗次數(shù)次，實驗成功率。；骶邢：；??；一圖小雨波形：煳旺；吲；??？；搬岫叫；弘：。??；！：一一，圖大雨波形本章小結(jié)本章首先分析了雨滴傳感器的原理，本文設(shè)計的汽車紅外線雨滴傳感器，根據(jù)光強(qiáng)變化的原理，能夠識別出落在風(fēng)擋玻璃上的雨滴的大小，從而帶動雨刷做高速或低速擺動。在風(fēng)擋玻璃上，模擬自然降雨，用示波器觀察輸出波形，滿足雨滴傳感器的性能要求。第章模糊控制原理模

39、糊控制簡介幾十年來，控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制和仿人智能控制等。在古典控制理論中，應(yīng)用最成功的是比例積分微分（）控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當(dāng)被控對象比較復(fù)雜時，便難以取得滿意的控制效果?，F(xiàn)代控制理論為控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進(jìn)行控制時，需要提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。盡管數(shù)值計算與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為求解模型參數(shù)

40、提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計，而求解這些參數(shù)時又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應(yīng)用。一個控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)鍵在于它能否對被控對象提供精確的控制。當(dāng)研究的控制系統(tǒng)涉及非線性、多變量、時變性等這樣的大系統(tǒng)時，如煤炭生產(chǎn)過程、金屬冶煉、石油化工、工業(yè)鍋爐等，系統(tǒng)的復(fù)雜性與控制技術(shù)的精確性便形成了尖銳的矛盾。由于被控對象和過程的非線性、時變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、隨機(jī)干擾、被控過程的機(jī)理錯綜復(fù)雜等，很難建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只能測得其參數(shù)間的模糊關(guān)系的估計。這就給傳統(tǒng)的古典控制理論及現(xiàn)代控制理論方法的應(yīng)用帶來了很大的困難。

41、對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點(diǎn)，通過對外界事物進(jìn)行識別與判決，使看來不經(jīng)意的模糊手動操作，達(dá)到精確控制的目的。模糊控制理論是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授于年首先提出。他以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級控制策略。自從年英國的首先把模糊語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動機(jī)，在以哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。模糊控制較大規(guī)模的研究是從年開始的。年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。年，在日本，基于模

42、糊控制技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并在實際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。之后，模糊控制在許多國家如美國、西歐、中國、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國際控制理論學(xué)術(shù)界的關(guān)注。年，國際模糊系統(tǒng)學(xué)會成立。年，召開了第一屆國際模糊系統(tǒng)學(xué)會的學(xué)術(shù)交流會，各國相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所，年代起，世界上一些大公司開始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應(yīng)用研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強(qiáng)勁的風(fēng)浪席卷世界各地。到目前為止，模糊控制還沒有統(tǒng)一的定義。但從廣義上可將它定義為：“模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計算機(jī)數(shù)字控制方法”或者定義為“基于模糊集合理論、模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對難以建立數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制方法”。其基本思想是在被控對象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對系統(tǒng)控制的一種方法。模糊控制與傳統(tǒng)的控制