CN102346264A - 一种雨量传感器及雨量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种雨量传感器，包括发射模块、接收电路、滤波电路、检波电路、雨滴信号提取电路、放大电路和控制单元。接收电路接收发射模块发出的检测光，并将其转化为混合电压信号，该混合电压信号依次经滤波电路、检波电路、雨滴信号提取电路和放大电路处理最终输出雨滴放大信号至控制单元。控制单元通过单位时间内检测到的雨滴放大信号的电压峰值获得单位雨滴密度，以此判定雨量大小。本发明采用雨滴密度检测方式，因此具有抗干扰能力强的特点，同时由于其采用经典电路，因此各电路容易调试和实现，具有稳定性高且制造成本低的优点。

Description

一种雨量传感器及雨量检测方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种雨量传感器及雨量检测方法。

背景技术

现在，汽车中已经安装了越来越多的传感器以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，采用雨水感应式自动雨刷控制系统使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高雨天行车的安全性，而自动雨刷控制系统则需要以判断准确，不易受干扰的雨量传感器为基础建立。

目前，国内外的雨量传感器设计工程师或者研究者设计出许多种雨量传感器方案，其大都是依据以下三种工作原理制成：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。第一种和第二种要求把雨量传感器安装在汽车外部，通过雨滴直接滴在传感器上来检测雨量大小，第三种是把雨量传感器安装在挡风玻璃驾驶室一侧，利用单片机控制发射模块发出红外光，并通过雨滴滴落在玻璃上引起红外反射光强的变化感应传感器来检测雨量大小，这种光学式雨量传感器的雨量大小判断方案现在大部分是基于幅值检测的，就是挡风玻璃上的雨水越大，雨量传感器发射出去并反射回来的光越少，通过最终输入至单片机的信号幅值判断雨量大小，这种策略存在容易受干扰，判断精度低，软件编写策略复杂，生产不好控制等问题。

基于上述这种雨量检测方案设计的电路装置主要包括接收电路、放大电路、滤波电路和检波电路，在电路设计上都是在用于接收反射光的接收电路后面直接连接放大电路，但是，接收电路在接收红外反射光时，同时会接收到外界的一些光干扰信号，例如，太阳光、汽车前大灯(氙灯)、探照灯等，这些光干扰信号强度很大，直接输入至放大电路，很容易引起放大电路失真，其后信号再进入滤波电路和检波电路，这使得从信号中提取雨量信号产生较大不便，因此很容易使干扰信号最终进入单片机，如果软件策略辨别不出来，就会误判为降雨，导致雨刮误刮。

发明内容

为解决现有技术中，由于雨量传感器容易受干扰、判断精度低，而造成自动雨刷控制系统错判降雨情况以至于雨刮误刮的问题，本发明提供一种抗干扰能力强、制造成本低的雨量传感器。

为解决上述问题，本发明的一种雨量传感器包括发射模块、信号处理模块和控制单元，所述发射模块发出检测光至反射区，检测光经反射形成反射光，所述信号处理模块接收反射光并对其进行处理后输出雨量信号至控制单元，控制单元根据接收到的雨量信号进行雨量大小判定，所述信号处理模块包括，接收电路、滤波电路、检波电路和放大电路，所述接收电路与所述滤波电路连接并用于将光信号转化为脉冲电压信号，所述滤波电路的输出端连接所述检波电路并用于将接收到的信号中的光干扰滤除，所述检波电路用于将接收到的信号中的载波滤除，该雨量传感器还包括雨滴信号提取电路，所述雨滴信号提取电路连接所述检波电路的输出端和所述放大电路的输入端，所述雨滴信号提取电路用于将接收到的信号中的异物干扰滤除，所述放大电路对接收到的信号进行放大并输出雨量信号至与其连接的控制单元。

所述光干扰包括太阳光或汽车氙灯，所述异物干扰包括雨水流动或虫子爬动或灰尘沾污。

所述发射模块包括红外发射管，所述检测光为红外发射管发出的红外光脉冲信号。

所述接收电路包括接地的红外接收管和连接电源的电阻，所述电阻与所述红外接收管串接，所述红外接收管接收到的检测光越强，输出的电压越高。

所述单位雨滴设置为雨滴撞击在反射区后不会散射开的最小雨量单位，一个大雨滴由若干个单位雨滴构成。

所述滤波电路为只允许信号频率位于特定频带内的信号通过的带通滤波电路。

所述特定频带根据检测光和光干扰的频率特性设定。

所述放大电路的参考电压可调，用于调整所述放大电路的放大倍数。

所述反射区为设置于挡风玻璃外侧的玻璃结构。

所述雨滴信号提取电路为通带频率范围为特定设定区间的带通滤波电路。

所述特定设定区间根据异物干扰的频率特性设定。

本发明的一种雨量传感器的雨量检测方法，所述雨量传感器为上述任一一项所述的雨量传感器，所述雨量检测方法包括以下步骤：S1：控制单元控制发射模块发出检测光，接收电路接收检测光并将检测光转化为脉冲电压信号；S2：滤波电路将脉冲电压信号中的光干扰滤除后转化为正弦波信号；S3：检波电路将正弦波信号中的载波滤除用以还原出雨量模拟电压信号；S4：雨滴信号提取电路将雨量模拟电压信号中的异物干扰滤除，用以提取出雨滴撞击信号；S5：雨滴撞击信号经放大电路放大后被输出至控制单元；S6：控制单元根据雨滴撞击信号获得单位时间内落在反射区的雨滴个数，以此判断雨量大小。

步骤S2还包括以下步骤，S21：滤波电路通过设置特定通带频率范围将脉冲电压信号中不属于该特定通带频率范围内的光干扰滤除，S22：滤波电路将滤除光干扰后的脉冲电压信号进行放大同时将其转化为正弦波信号。

步骤S4中，雨滴信号提取电路将雨量模拟电压信号中信号频率位于特定设定区间外的信号滤除。

所述雨滴撞击信号为波状信号，雨滴撞击信号中的每次波动对应反射区内一个单位雨滴，其中，所述单位雨滴为雨滴撞击在反射区后不会散射开的最小雨量单位，一个大雨滴由若干个单位雨滴构成，步骤S6中，所述控制单元通过单位时间内检测到的雨滴撞击信号中的峰值电压个数，获得雨滴密度，所述雨滴密度为单位时间内在反射区内的单位雨滴个数，所述控制单元根据雨滴密度判断雨量大小。

采用了本发明提供的一种雨量传感器后，由于在接收电路的输出端连接滤波电路，因此可避免现有技术中因在接收电路后接放大电路而造成的在阳光、汽车氙灯等红外源足够能量的照射下，外界干扰光源经过放大处理等操作后最终进入单片机，以至于外接的控制单元对雨量大小作出错误判定的情况。另一方面，该雨量传感器在对接收的信号进行滤除干扰并检波后，通过新增的雨滴信号提取电路25将将雨水流动、沙尘粘附、虫子爬动等异物干扰滤除，将最终用于判定雨量大小的雨滴撞击信号提取出来并放大用于雨量分析，并且采用了通过判断单位时间内雨滴落在反射区的个数来检测雨量大小，使得检测的结果更加精确，减少了误差。另外，该雨量传感器检测模块中的各电路都采用经典电路，电路容易调试和实现，稳定性高，加上不复杂的软件策略，就可以轻松实现雨量大小检测。

附图说明

图1是本发明提供的一种雨量传感器一种实施方式的结构框图；

图2是本发明提供的一种雨量传感器的雨量检测方法一种实施方式的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，根据本发明的一种雨量传感器的一种实施方式，包括发射模块1、信号处理模块2和控制单元3。发射模块1包括用于发出红外光脉冲信号的红外发射管12，这里发射模块1可采用现有技术中公知的红外发射电路，因对于红外发射电路的描述目前公知的技术内容已有很多，故这里不作叙述。上述红外发射管12发出14KHZ的红外光脉冲信号至反射区，本实施方式下，反射区为设置于挡风玻璃外侧的玻璃结构，红外光脉冲信号经反射区反射后形成反射光，其中，发射模块1发出的检测光为载波信号，经反射形成的反射光为光干扰信号、雨量信号与载波信号的混合信号。

信号处理模块2包括接收电路22、滤波电路23、检波电路24、雨滴信号提取电路25和放大电路26，接收电路22用于接收自反射区发出的反射光，并将其转化为雨量信号与载波信号混合的脉冲电压信号，接收电路22接收到的反射光越强，转化得到的脉冲电压信号越大。

滤波电路23连接上述接收电路22的输出端并将接收到的脉冲电压信号中的光干扰信号滤除，该滤波电路23为只允许信号频率位于滤波频带内的信号通过的带通滤波电路，本实施方式下，可设定该带通滤波电路的可通过信号频率为14KHZ，可通过信号频率需设置与红外发射管发出的红外光信号的频率相同，由此可顺利将不属于检测光的光干扰信号滤除。脉冲电压信号经过14KHZ的带通滤波电路后，脉冲电压信号中的太阳光、汽车氙灯等一切非14KHZ的光干扰信号被滤除，另外，由于脉冲电压信号经滤波电路处理后会变弱，为了方便后接电路对信号的处理，滤波电路还会对脉冲电压信号进行放大，同时带通滤波电路将脉冲电压信号转化为连续的正弦波信号，该正弦波信号为14KHZ的正弦波载波信号和雨量信号的混合信号。

检波电路24连接滤波电路23的输出端并将接收到的正弦波信号中的载波滤除，用以还原出雨量模拟电压信号，其幅值随降雨大小而变化。在反射区内，有时会因灰尘粘附、虫子爬动或者降雨过程中雨水流过而使得检测到的雨量模拟电压信号中产生一些明显的三角凸凹点，即异物干扰信号，这些三角凸凹点最终会影响对于雨滴数目检测的准确性，因此需要对雨量模拟电压信号进行进一步处理。

该雨量传感器还包括用于滤除上述异物干扰信号的雨滴信号提取电路25，雨滴信号提取电路25与检波电路24连接并接收检波电路24输出的雨量模拟电压信号。雨滴信号提取电路25可采用通带频率范围在雨滴信号提取区间的滤波电路，其中，具体采用的频率参数需要根据反射区内异物干扰的频率特性设置，经实验测得，灰尘粘附，雨水流动和虫子爬动等异物干扰信号属于约30Hz-50Hz以下的很低的频率信号，因此本发明此种实施方式下，雨滴信号提取区间设置为大于30HZ的频率范围，即采用通过频率为30HZ的高通滤波电路，这样上述异物干扰信号即可被雨滴信号提取电路顺利滤除。当然，本发明的雨滴信号提取电路也可采用带通滤波电路，具体的频率参数可根据不同使用情况设定为其他不同数值。雨量模拟电压信号经过雨滴信号提取电路25后，上述异物干扰信号被滤除，由此可从雨量模拟电压信号中提取出雨滴撞击信号，上述控制单元3本领域技术人员可根据需要选择合适型号的单片机，当然也可以选择其它合适的器件来实现控制单元3的功能。实验测得，分离出的雨滴撞击信号为几个毫伏到几十毫伏的三角波信号，为了便于单片机检测，需要对雨滴撞击信号进行放大再输入至上述单片机。

本发明还设有用于对信号进行放大的放大电路26，放大电路26连接上述雨滴信号提取电路25的输出端并接收雨滴撞击信号，雨滴撞击信号经放大电路26放大后形成雨滴放大信号，雨滴放大信号被输出至单片机用于判定雨量大小。本发明中，放大电路26可采用经典电路设计，其中，放大电路26的参考电压设置为可调，用于方便调节放大倍数以使放大电路26的输出信号适用于不同的控制单元3接收。

如图2所示，根据本发明的一种雨量传感器的雨量检测方法，上述一种雨量传感器为图1所示的雨量传感器。本发明的一种雨量传感器的雨量检测方法具体包括以下步骤：

S1：控制单元3控制发射模块发出检测光，接收电路接收检测光并将检测光转化为脉冲电压信号。

S2：滤波电路将脉冲电压信号中的光干扰滤除后转化为正弦波信号。滤波电路通过设置滤波频带将脉冲电压信号中频率不属于该滤波频带的光干扰滤除，本实施方式下，可设定该带通滤波电路的可通过信号频率为14KHZ，可通过信号频率需设置与红外发射管发出的红外光信号的频率相同，由此可顺利将不属于检测光的光干扰信号滤除。脉冲电压信号经过14KHZ的带通滤波电路后，脉冲电压信号中的太阳光、汽车氙灯等一切非14KHZ的光干扰信号被滤除，另外，由于脉冲电压信号经滤波电路23处理后会变弱，为了方便后接电路对信号的处理，滤波电路23还会对脉冲电压信号进行放大，同时带通滤波电路将脉冲电压信号转化为连续的正弦波信号，该正弦波信号为14KHZ的正弦波载波信号和雨量信号的混合信号。

S3：检波电路将正弦波信号中的载波滤除用以还原出雨量模拟电压信号，此时的雨量模拟电压信号为滤除掉光干扰的雨水信号，其包括雨滴撞击到反射区的雨滴撞击信号，雨水流过反射区表面、虫子爬动、灰尘粘附等异物干扰信号。

S4：雨滴信号提取电路将雨量模拟电压信号中的异物干扰信号滤除，用以提取出雨滴撞击信号，雨滴信号提取电路将雨量模拟电压信号中信号频率位于特定设定区间外的信号滤除。雨滴信号提取电路25可采用通带频率范围为特定设定区间的滤波电路，本实施方式，具体可采用采用通过频率为30HZ的高通滤波电路，这样上述异物干扰信号即可被雨滴信号提取电路顺利滤除。当然，本发明的雨滴信号提取电路也可采用带通滤波电路，具体的频率参数可根据不同使用情况设定为其他不同数值。雨量模拟电压信号经过雨滴信号提取电路25后，上述异物干扰信号被滤除，由此可从雨量模拟电压信号中提取出用于控制单元3接收的雨滴撞击信号。

S5：雨滴撞击信号经放大电路放大后被输出至控制单元3，由于经实验测得步骤S4中分离出的雨滴撞击信号为几个毫伏到几十毫伏的三角波信号，为了便于单片机检测，因此需要对雨滴撞击信号进行放大再输入至上述单片机。

S6：控制单元3根据雨滴撞击信号获得单位时间内落在反射区的雨滴个数，以此判断雨量大小。放大电路26输出呈三角波状的雨滴放大信号至单片机，雨滴放大信号中的相邻两波峰之间的信号区域对应反射区内一个单位雨滴，其中，单位雨滴为本发明下设置的反射区内的一个雨量单位，定义为雨滴撞击在反射区后不会散射开的最小雨量单位，在雨量较大时，由于大雨滴撞击到反射区时会散成若干个单位雨滴，因此可将一个大雨滴等同于若干个单位雨滴，上述控制单元3通过单位时间内检测到的雨滴撞击信号中的峰值电压个数，获得雨滴密度，雨滴密度为单位时间内在反射区内的单位雨滴个数，控制单元3根据雨滴密度判断雨量大小。

采用了本发明提供的一种雨量传感器后，由于在接收电路22的输出端连接滤波电路23，因此可避免现有技术中因在接收电路后接放大电路而造成的在阳光、汽车氙灯等红外源足够能量的照射下，外界干扰光源经过放大处理等操作后最终进入单片机，以至于外接的控制单元3对雨量大小作出错误判定的情况。另一方面，该雨量传感器在对接收的信号进行滤除干扰并检波后，通过新增的雨滴信号提取电路25将将雨水流动、沙尘粘附、虫子爬动等异物干扰滤除，将最终用于判定雨量大小的雨滴撞击信号提取出来并放大用于雨量分析，并且采用了通过判断单位时间内雨滴落在反射区的个数来检测雨量大小，使得检测的结果更加精确，减少了误差。另外，该雨量传感器检测模块中的各电路都采用经典电路，电路容易调试和实现，稳定性高，加上不复杂的软件策略，就可以轻松实现雨量大小检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的原理的情况下对此实施例进行多种变化、修改、替换和变形，但都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种雨量传感器，包括发射模块(1)、信号处理模块(2)和控制单元(3)，所述发射模块(1)发出检测光至反射区，检测光经反射形成反射光，所述信号处理模块(2)接收反射光并对其进行处理后输出雨量信号至控制单元(3)，控制单元(3)根据接收到的雨量信号进行雨量大小判定，所述信号处理模块(2)包括，接收电路(22)、滤波电路(23)、检波电路(24)和放大电路(26)，其特征在于：

所述接收电路(22)与所述滤波电路(23)连接并用于将光信号转化为脉冲电压信号，

所述滤波电路(23)的输出端连接所述检波电路(24)并用于将接收到的脉冲电压信号中的光干扰滤除，所述滤波电路(23)将脉冲电压信号转化为正弦波信号；

所述检波电路(24)用于将接收到的正弦波信号中的载波滤除并还原出雨量模拟电压信号；

该雨量传感器还包括雨滴信号提取电路(25)，所述雨滴信号提取电路(25)连接所述检波电路(24)的输出端和所述放大电路(26)的输入端，所述雨滴信号提取电路(25)用于将接收到的雨量模拟电压信号中的异物干扰滤除并提取出雨滴撞击信号；所述放大电路(26)接收雨滴撞击信号并将其放大为雨滴放大信号，所述放大电路(26)输出雨量放大信号至与其连接的控制单元(3)。

2.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述光干扰包括太阳光或汽车氙灯，

所述异物干扰包括雨水流动或虫子爬动或灰尘沾污。

3.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述发射模块(1)包括红外发射管(12)，所述检测光为红外发射管(12)发出的红外光脉冲信号。

4.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述接收电路(22)包括接地的红外接收管(21)和连接电源的电阻，所述电阻与所述红外接收管(21)串接，所述红外接收管(21)接收到的检测光越强，输出的电压越高。

5.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述单位雨滴设置为雨滴撞击在反射区后不会散射开的最小雨量单位，一个大雨滴由若干个单位雨滴组成。

6.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述滤波电路(23)为只允许信号频率位于滤波频带内的信号通过的带通滤波电路(23)。

7.如权利要求6所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述滤波频带根据检测光和光干扰的频率特性设定。

8.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述放大电路(26)的参考电压可调，用于调整所述放大电路(26)的放大倍数。

9.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述反射区为设置于挡风玻璃外侧的玻璃结构。

10.如权利要求1所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述雨滴信号提取电路(25)为通带频率范围在雨滴信号提取区间的带通滤波电路。

11.如权利要求10所述的一种雨量传感器，其特征在于，所述雨滴信号提取区间根据异物干扰的频率特性设定。

12.一种雨量传感器的雨量检测方法，其特征在于，所述雨量传感器为权利要求1-11中任一一项所述的雨量传感器；

所述雨量检测方法包括以下步骤：

S1：控制单元(3)控制发射模块(1)发出检测光，接收电路(22)接收检测光并将检测光转化为脉冲电压信号；

S2：滤波电路(23)将脉冲电压信号中的光干扰滤除后转化为正弦波信号；

S3：检波电路(24)将正弦波信号中的载波滤除用以还原出雨量模拟电压信号；

S4：雨滴信号提取电路(25)将雨量模拟电压信号中的异物干扰滤除，用以提取出雨滴撞击信号；

S5：雨滴撞击信号经放大电路(26)放大为雨滴放大信号后被输出至控制单元(3)；

S6：控制单元(3)根据雨滴放大信号获得单位时间内落在反射区的雨滴个数，以此判断雨量大小。

13.如权利要求12所述的一种雨量传感器的雨量检测方法，其特征在于，步骤S2还包括以下步骤，

S21：滤波电路(23)通过设置滤波频带将脉冲电压信号中频率不属于该滤波频带的光干扰滤除；

S22：滤波电路(23)将滤除光干扰后的脉冲电压信号进行放大同时将其转化为正弦波信号。

14.如权利要求12所述的一种雨量传感器的雨量检测方法，其特征在于，步骤S4中，所述雨滴撞击信号为雨滴撞击到反射区的信号，雨滴信号提取电路(25)将雨量模拟电压信号中信号频率位于特定设定区间外的信号滤除。

15.如权利要求12所述的一种雨量传感器的雨量检测方法，其特征在于，所述雨滴放大信号为波状信号，雨滴放大信号中的相邻两波峰之间的信号区域对应反射区内一个单位雨滴，其中，所述单位雨滴为雨滴撞击在反射区后不会散射开的最小雨量单位，一个大雨滴由若干个单位雨滴构成，

步骤S6中，所述控制单元(3)通过单位时间内检测到的雨滴放大信号中的峰值电压个数，获得雨滴密度，所述雨滴密度为单位时间内在反射区内的单位雨滴个数，所述控制单元(3)根据雨滴密度判断雨量大小。

Images