构建自己的红外挡风玻璃雨传感器

2017年12月21日

该系统可以监测玻璃表面是否有水或冰，然后产生PWM信号来控制电机将液体从玻璃表面擦去。

豪尔赫·马丁内斯

在本文中，我们通过分析一个红外(IR)光源的反射来实现一个雨雪传感器。该项目采用了基于目标玻璃内壁多次反射红外线的成熟技术。它的目标是通过增加LED器件提供的技术优势来提高标准组件的能力，例如在1%的占空比下使用大电流冲击10次脉冲能量来增加功率发射。

应用程序

在检测挡风玻璃上的雨滴时，最常见的做法是通过挡风玻璃内壁感应红外光(图1)．在某些情况下，这些反射可以通过在玻璃上添加其他物理组件来增强。

1.内部反射原理应用于最常见的降雨传感器。¹

当雨滴出现在玻璃的外表面时，光线会发生折射，并带走一部分最初的光线。与原始条件(没有水的存在)相比，这导致了一束衰减的红外光。

为了获得大部分的发光，光束以45度的温度注入玻璃。角。玻璃另一端的接收器也是45度。角。这种技术依赖于当下雨时，玻璃表面会有雨滴在反射路径上的统计概率。随着发射端与接收端之间距离的增大，该检测方法变得更加有效。

此外，随着发射器和接收器之间距离的增加，光通过玻璃时的功率损耗也会增加。为了获得最佳的探测效果，随着距离的增加，要么必须开发出更高效的传感/发光装置，要么必须从当前的红外光源获得更多的功率。

这个应用程序提出了一种方法来充分利用LED。一个恒定的光可以用于测量，但它不是强制性的，因为时间常数不是我们的重点(相反，它是测量光束的强度)。幸运的是，LED制造商提供峰值正向电流²(我_{《外交政策》})或正向浪涌电流^3.(我_FSM)。

GreenPAK设计

用于红外发射器的脉冲发生器

2.GreenPAK设计总体框图。

对于脉冲发生器在框图上进行了GreenPAK的设计(图2)，我们将使用10 μs，占空比为1%。完整周期由:

T最小值= (MaxPulseH/MaxDCycle) = (10µ年代/ 1%)

T最小值= 1女士

导致的最大频率为:

F_max = (1 /T) = 1千赫

因此，高脉冲设置为10 μs与互补低电平，以实现1 ms的总周期。为了产生这个脉冲，我们将使用CNT5/DLY5和CNT2/DLY2。

CNT5/DLY5提供了1 ms的完整周期。它被设置为一个计数器，使用25khz的内部时钟(在OSC中配置)。CNT2提供10-μs的高电平脉冲。

红外LED发射器驱动器

一个基本的配置(图3)是用来驱动红外发光二极管的，它采用了TIP121晶体管，并考虑了汽车的供电条件，其中+ 12v是主要的电压源。

3.红外LED驱动电路。

根据经验，TIP121达灵顿晶体管是这个应用程序的一个很好的选择。这个装置将允许我们用低基电流驱动高电流负载。

因此，R1的计算公式为:

我_F= (V_DD- - - - - -V_F- - - - - -V_{中国极限运动协会}_t）/R1

R1 = (12V- 2V- 2V) / 0.5一个

R1 = 16 Ω

R1的平均功率计算如下:

P_R₁＝我_R₁²×R1×DutyCycle

P_R₁₋₁₆_Ω= 0.5一个²× 16 Ω × 1% = 40兆瓦

为了了解最坏的情况，Q1底端的信号有可能是恒定的直流电平。若有，则R1耗散的功率为:

P_R₁₋₁₅_Ω= 500马²× 16 Ω × 100% = 4W

达灵顿晶体管耗散的功率必须通过热阻参数计算器件的温度来观察(以照顾器件的寿命)。

在25°C，没有额外的散热器:

T_问₁_−amb25＝魁人党1×R_θ晶澳+T_amb

T_问₁_−amb25= 40兆瓦×62.5°C/W+ 25°C

T_问₁_−amb25= 27.5°C

这似乎不是什么大问题。但是，当current driven为100%时:

T_问₁_−amb25= 4W×62.5°C/W+ 25°C

T_问₁_−amb25= 275°C

这意味着在Q1的基础上避免一个恒定的水平是有益的。

一个简单的选择是在底座上有一个串联电容器(图4)．

4.带有去耦电容的红外LED驱动电路，以避免直流电平。

红外感光器

接收器被配置为一个普通的集电极，简单地将输入光脉冲转换成R2中的电压(图5)．R2中的电压降通常以脉冲的形式出现。就我们的目的而言，这些需要转换成dc级别。

5.红外接收电路加上低通滤波器。

最简单的方法是使用RC低通滤波器来过滤信号，截止频率在1 kHz(因此，1 Hz)之前20年，以确保1 kHz的抑制。截止频率计算如下:

F_C= 1/(2 × π钢筋混凝土)]

如果使用100-kΩ电阻:

C= 1/(2 × π × 100kΩ×1赫兹)]

C= 0.795µF

我们可以尝试取1 μF，得到截止频率为:

F_C= 1.59赫兹

压控脉宽调制

为了实现本文的预期目标，我们将参考AN-1056 ADC PWM宏电路设计将直流电平转换为脉宽调制(PWM)信号的应用说明(图6)．

6.阵列来创建一个基于直流电平的PWM信号。

测量

红外光发射器和红外接收器

图7揭示了测试红外光发射器和红外接收器的结果。示波器屏幕捕获的红外LED脉冲(CH1)与R2的电压降直接从红外接收器(CH2)。在图7a中，可以看到R2的电压(CH2)与C1 (CH1)的滤波直流电平之间的关系。

7.屏幕截图显示红外光发射器与红外接收器测试:电压下降在R2: 3 V峰值，2.05 V平均g，和C1: 2.00 V (a)的滤波电压;TK (b);R2的电压降为1.5 V峰值，C1的滤波电压为653 mV (c);R2的电压降为1v峰值，C1的滤波电压为434 mV (d);R2电压降:0v峰值，C1电压164mv (e)。

图8提供显示直流电平vs. PWM的屏幕截图。

8.屏幕截图显示直流电平vs. PWM:占空比99.3% @ 1.95 V (a);占空比77.1% @ 991 mV (b);占空比58.4% @ 788 mV (c);占空比29.1% @ 478 mV (d);占空比2.91% @ 253 mV (e)。

Ice-Sensing应用程序

在这个练习中，我们发现使用到目前为止所描述的技术来感知冰是有点挑战性的。冰的存在引起的折射变化与水的存在引起的折射变化是不同的。然而，这两者都是可以检测到的。

我们建议发射器和接收器浸泡在透明的封装材料中，这样发射和接收的光不会因为材料变化而丢失。这有助于避免意外的衰减，并有助于防止误报，即车内的冷凝会触发雨传感器。

我们可以通过在中心添加障碍物并调整发射器和接收器的角度来解决探测冰的额外挑战。

电路改进

本节讨论如何增强接收器，以应对结冰挡风玻璃带来的挑战。先前的接收机设计如图5所示。采用R3和C1对低通滤波器进行了优化，以实现全水传感。

9.R4的加入是为了避免Q1的高电流损耗。

为了考虑反射角度的变化和封装材料的存在，我们可以改变R2的值。电路的增益与R2的值成正比。在实际应用中，500-kΩ电位器是为电路选择合适值的理想选择。图9显示包含电位器的更新拓扑。

的波形图10显示不同条件下电路的不同行为。

10显示不同条件下电路行为的波形:C1(初始状态)占空比30.7% @ 715 mV (a);占空比31.5% @ 585 mV外加水(b);占空比16.6% @ 585 mV，传感器加冰(c);占空比53.3% @ 644 mV，结冰后有凝露(d)。