新型紅外雨感器的設計

李旺鵬，李志俊，李慧潔，李 振，李 欣

(武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070)

隨著科技的進步，越來越多的智能設備都需要對天氣進行監(jiān)控，車用雨感器需要智能地判讀雨量大小控制雨刷的動作，保證駕駛員的視野足夠明亮、清晰;自動升降防雨窗簾需要智能地判斷天氣情況控制窗簾的開合，保證房間的干燥、舒適;戶外自動監(jiān)控站需要智能地判斷天氣，并根據天氣的變換開合保護罩，保證內部電路的安全、干燥等。智能雨感器成為越來越多的設備不可缺少的一部分。傳統的雨感器主要采用電極感應降雨狀況，根據兩極之間電容的變化反映天氣的變化，該傳感器電極直接與雨滴接觸，腐蝕較嚴重，傳感器的壽命較短[1－2]。

針對上述情況，筆者設計了一種基于光學原理的新型雨水傳感器，該傳感器不與雨水直接接觸，能夠實時地判斷天氣的變化，通用性強，制作方便，壽命長，成本低廉。

1 紅外雨感器的原理

光從一種透明介質1(如空氣)斜射入另一種透明介質2(如水)時，會發(fā)生折射，傳播方向一般會發(fā)生變化[3－4]。其計算公式為:

式中:n1為介質1的折射率;θ1為入射角;n2為介質2的折射率;γ2為折射角。

光由光密(即光在其中傳播速度較小的)介質射到光疏(即光在其中傳播速度較大的)介質的界面時，如果入射角大于臨界角，會發(fā)生反射，光線會全部被反射回原介質內。

紅外線以θ1垂直射入玻璃，無雨時，紅外線的光路軌跡如圖1(a)所示;下雨時，紅外線的光路軌跡如圖1(b)所示。

圖1 光路軌跡示意圖

紅外線從玻璃射入空氣時，根據式(1)得:

式中:n1，n2分別為空氣和玻璃的折射率;θ1為入射角;γ1為折射角。

紅外線從玻璃射入雨水中時，根據式(1)得:

式中:n2、n3分別為玻璃和雨水的折射率;θ1為入射角;γ2為折射角。

查常用物體折射率表可知空氣的折射率為1.000，普通玻璃的折射率為1.500，水的折射率為1.333。令θ1=90°，根據式(2)和式(3)可以計算，光從玻璃(光密介質)射入空氣(光疏介質)中時，發(fā)生全反射的臨界角為41.81°;光從玻璃射入水中時，發(fā)生全反射的臨界角為62.71°。

無雨時，為了使紅外線從玻璃射入空氣時發(fā)生全反射;有雨時，為了使紅外線從玻璃射入雨水時發(fā)生折射，θ1必須大于42°小于62°。

2 硬件設計與實現

2.1 雨感器的結構及整體電路

該系統主要由微處理器(MCU)、發(fā)射模塊、接收模塊、導光器和顯示模塊等部分組成，系統結構如圖2所示。微處理器通過程序產生38 kHz的脈沖波，驅動紅外發(fā)射管產生紅外線，紅外線通過玻璃產生折射和反射。若下雨，則紅外線折射到空氣中，接收管接收不到紅外線，輸出低電平;若干燥，則發(fā)生全反射現象，接收管接收到38 kHz的信號，輸出高電平。微處理器通過判斷接收管反饋的電平狀況，實時地反映天氣情況[5]。

圖2 雨感器結構圖

雨感器整體電路圖如圖3所示。X4為紅外發(fā)射管接口，微處理器通過定時器產生4路38 kHz的方波，驅動紅外發(fā)射管;X3為紅外接收管接口，微處理器不斷掃描接收管的狀態(tài)，并進行處理;P1.3通過三極管控制繼電器K1動作，如果有雨，則將繼電器合上;如果沒雨，則將繼電器斷開;X5為繼電器外部接口，將天氣情況反饋給其他設備;X6為NOKIA5110顯示接口，實時地顯示天氣的情況[6]。

圖3 雨感器整體電路

2.2 導光器的設計

紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外線是散射光，為了使紅外光線以42°～62°的角度射向玻璃，該系統采用了一個導光模塊，如圖4所示。面板上有4對發(fā)射接收孔，右側為導光孔側視圖，導光孔與面板成固定角度，即為42°～62°的角度。導光孔上端為玻璃或者與玻璃折射率相同的填充物，上端水平確保能夠與擋風玻璃緊密接觸，下端與紅外發(fā)射接收管垂直，確保光線能夠垂直射入玻璃而不改變發(fā)射方向。紅外線通過導光孔引導，垂直射入玻璃內，與面板成固定的角度發(fā)射出去;經過反射后的光線通過導光孔到達接收管，接收管接收固定角度的紅外線。該雨感器用導光模塊取代了傳統的玻璃，避免了與雨水的直接接觸，使用時只需緊緊貼在玻璃表面，簡單、方便、實用。

圖4 導光模塊結構圖

2.3 發(fā)射部分

為了提高系統的靈敏度，擴大覆蓋感應范圍，該系統采用4路紅外發(fā)射管，單路紅外發(fā)射電路圖如圖5(a)所示。微處理器驅動信號從IN1輸入，為了增強紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，該電路采用了一個NPN管進行驅動;為了增加微處理器IO口的驅動能力，該電路使用了一個10 kΩ的電阻上拉。

2.4 接收部分

為了簡化電路，該系統采用一體化接收頭紅外專用集成接收芯片HS0038，與發(fā)射管對應，系統采用了4路紅外接收管，單路接收模塊電路圖如圖5(b)所示。該芯片將光接收二極管、放大電路、帶通濾波器和檢波電路封裝在一起，以接收脈沖編碼信號調制的紅外光信號，塑料封裝可濾除可見光，電路簡單，體積較小。HS0038有3個引腳:l腳輸出，2腳接地，3腳接+5 V電源。芯片內部集成了放大、濾波、解調及其控制電路，1腳直接輸出高低電平。HS0038只有接收到38 kHz的脈沖信號才會輸出高電平。當HS0038接收不到38 kHz的脈沖信號時，1腳輸出高電平;當接收到38 kHz的脈沖信號時，1腳輸出低電平。HS0038通過OUT將信號反饋給微處理器，微處理器根據OUT的電平判斷天氣的變化。

圖5 發(fā)射部分電路圖

2.5 顯示單元

為了節(jié)約成本，該系統選用了穩(wěn)定而廉價的液晶顯示屏 NOKIA5110，84×48的點陣LCD，可以顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和接地在內的信號線僅有9條。該顯示屏支持多種串行通信協議(如AVR單片機的SPI、MCS51的串口模式0等)，傳輸速率高達4 Mb/s，可全速寫入顯示數據，無等待時間。LCD控制器/驅動器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小。采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200 μA以下，且具有掉電模式。

NOKIA5110的接口電路圖如圖6所示，微處理器通過P1口模擬SPI總線協議與NOKIA5110顯示屏進行通信。RST為NOKIA5110復位腳，SCE為芯片使能引腳，R/ˉC為模式選擇數據命令，DIN為串行數據線，SCLK為串行時鐘線 ，BL為背光燈控制引腳，LED高電平啟動背光，該顯示屏采用5 V供電，能夠方便地與微處理器連接。

圖6 NOKIA5110屏幕接口電路圖

3 軟件設計

該系統選擇ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C2051，其片內含2 k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(E2PROM)和128 bytes的隨機數據存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS－51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，它能對許多嵌入式控制應用提供高度靈活和成本低的解決辦法[7－8]。

該系統軟件流程圖如圖7所示，系統上電復位，初始化定時器0和定時器1、顯示器、IO管腳，定時器0輸出固定頻率38 kHz的脈沖波，程序不斷收集接收管的狀態(tài)，并對4路接收管的狀態(tài)進行判斷和綜合處理;若4路接收管中有任意一個輸出為高電平，則為下雨狀態(tài)，將P1.3置高，繼電器閉合;若4路接收管全部為低，且持續(xù)一段時間全部為低，則為天晴狀況，將P1.3置低，繼電器斷開。

圖7 系統軟件流程圖

4 結論

該系統以AT89C2051單片機為控制核心，結合光學原理，利用紅外線反射和折射效應，通過導光模塊感知下雨情況和雨量的大小，應用范圍廣，反應靈敏度高，實用性強，并且成本低廉，具有廣闊的應用前景。使用時，只需輕輕地貼在玻璃表面，不必與雨滴直接接觸，便能實時地反映天氣情況。該系統能夠方便地與其他設備融合，可方便快捷地實現智能控制。

[1] 楊李箭，張美鳳，姚駿.紅外車用雨量傳感器測試裝置的設計[J].儀表技術，2009(10):60－63.

[2] 趙巖，訾鴻.汽車雨滴傳感器的設計[J].佳木斯大學學報:自然科學版，2007，25(6):801 －803.

[3] 趙巖，王哈力，蔣貴龍，等.一種新型紅外線汽車雨水傳感器的設計[J].傳感器世界，2006(8):24－26.

[4] 郭劍鷹.車用雨量傳感器應用[J].汽車電器，2008(11):27－31.

[5] 鮑迪，賈文超，柏丹.車用雨量檢測裝置設計研究[J]. 應用技術，2010(1):86－87.

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[7] 余輝洋，顧興蓮，秦明.一種可用于雨量測量的壓力傳感器[J]. 東南大學學報，2010，40(3):522－526.

[8] 王偉國，姚駿，史驥.汽車紅外雨量傳感器的設計[J].儀表技術，2011(1):65－67.