CN104369715A - 一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器，包括光路模块和电子模块；所述光路模块包括：蓝光发光管，第一发射光路，第一反射光路，全反射镜面，第二发射光路，第二接受光路，蓝光接受器件；所述电子模块包括CPU单片机、LIN总线收发器、电压稳压器、雨量传感器ASIC芯片、蓝光发射电路、蓝光接受电路、相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器、环境温度检测器、环境光检测以及自检诊断电路；本发明中的传感器的使用，使整个汽车中的刮雨系统能根据外界雨量大小调整雨刮电机的动作频次。

Description

一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器

技术领域

本发明涉及一种车用蓝光雨量传感器，具体涉及一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器。

背景技术

随着汽车需求的不断增加，人们对汽车使用的方便性，舒适性以及安全性要求也不断提高。雨量传感器应运而生，但考虑到成本和系统复杂性，在国内汽车业并没有很好的普及。

智能雨刮控制系统包括雨量传感器，车身控制器，雨刮开关，空调系统以及雨刮电机，其中雨量传感器是系统的核心控制单元。雨量传感器暗藏在前风挡玻璃后面，它能根据落在玻璃上雨量的大小来调整雨刷的动作，从而大大减少了驾驶员的烦恼。

现有的雨量传感器解决方案是采用了红外散射的方式，对于驾驶员产品是不可见的，当产品出现故障时，驾驶员是不知道的。

对于高档汽车，挡风玻璃中间层采用防红外线材料，如果选用红外线雨量传感器，则需要预留一部分红外透光区，增加了玻璃的生产成本，从而增加了整车成本。

现代的汽车雨量传感器，主要由雨量感应部件，中央处理器，总线芯片，雨量采样芯片，光学通道支架以及壳体接插件等，其中雨量传感器主要以红外光为主要解决方案，但红外光线有它自身的局限性，属于不可见光，玻璃透光性较差，导致雨量传感器性能的不稳定性以及故障的不可见性，在汽车售后市场引起了不小抱怨。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种集成湿度传感器的车用雨量传感器，可以自动控制雨刮电机和空调系统，以增加使用者行车舒适性和安全性的一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器，所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器包括光路模块和电子模块；

所述光路模块包括：蓝光发光管，第一发射光路，第一反射光路，全反射镜面，第二发射光路，第二接受光路，蓝光接受器件；

其中，蓝光发光管产生蓝色光源，

第一发射光路的把蓝光发光管的发散光通过第一发射光路变成平行光线，并使发射光落在前挡风玻璃的第1感应区域内；

第一接受光路把第一次通过挡风玻璃后发射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在全发射镜面上；

全发射镜面是一种对可见光全发射的镜面，发射光线的落在镜面后，按照第二发射光路的光路全部发射；

第二发射光路把聚焦的光线变成平行光线，并使全发射后光线落在前挡风玻璃的第2感应区域内；

第二接受光路把第二次通过挡风玻璃后反射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在蓝光接受器件上；

蓝光接受器件为一种蓝光光敏接受管，是一种接收蓝光的二极管；

所述电子模块包括CPU单片机、LIN总线收发器、电压稳压器、雨量传感器ASIC芯片、蓝光发射电路、蓝光接受电路、相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器、环境温度检测器、环境光检测以及自检诊断电路；

LIN总线收发器、电压稳压器、雨量传感器ASIC芯片、蓝光发射电路、蓝光接受电路、相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器、环境温度检测器、环境光检测以及自检诊断电路均与CPU单片机电连接；

单片机CPU是主控制器，电压稳压器提供稳定的数字电压，雨量传感器ASIC芯片实现了信号的滤波，放大和采样；蓝光发射电路包括第一发射管电路和第二发射管电路，分别负责光线的发射和控制，对应的蓝光接受电路也同样两部分，第一接受管电路和第二接受管电路，主要负责对应光线的接受工作；在同一时间内，只有一组发射管和接受管工作，一组完成后，然后第二组开始工作，这样交替的工作，可以最大限度的利用单片机的资源，充分的时间算法处理，监测雨量打下和外部干扰的影响，最大限度的防止误动作；

相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器和环境温度检测器均和单片机CPU电连接；

环境光检测包括白天和夜晚模式，对雨量传感器的灵敏度参数实时调整。

在本发明的一个优选实施例子中，所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器安装在车上挡风玻璃内侧。

在本发明的一个优选实施例子中，所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器和车的前挡风玻璃之间设置有硅胶垫。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的集成雾气检测车用蓝光雨量传感器解决方法具有以下优点：本发明中的传感器的使用，使整个汽车中的刮雨系统能根据外界雨量大小调整雨刮电机的动作频次。本发明中的前挡风玻璃上雾气检测方法，能实现了前挡风玻璃自动除霜除湿功能。

附图说明

图1为红外散射式的基本工作原理图之一。

图2为红外散射式的基本工作原理图之二。

图3为红外散射式的基本工作原理图之三。

图4为本发明的系统结构模型示意图。

图5为本发明的单通道光学模块的位置关系的示意图。

图6为本发明中雨量传感器的电子实现的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

目前应用较广的两种主流传感器分别是红外散射式传感器和电容传感器。红外散射式传感器是根据红外光的折射原理实现的。图1为红外散射式的基本工作原理图之一，图2为红外散射式的基本工作原理图之二，图3为红外散射式的基本工作原理图之三。

图1中建立了一个模型，在挡风玻璃1的内侧设置有一光学部件2，在光学部件2的同一侧设置有红外线发射端3和红外线接收端4。

图2中的挡风玻璃1为一干燥的玻璃，此时是一种理想的内部反射的情况，红外线发射端3发射的红外线5全部折射后进入红外线接收端4。

图3中的挡风玻璃1上滴有雨滴，此时红外线发射端3发射的红外线5部分折射后进入红外线接收端4，另外有一部分经过雨滴6的折射穿过挡风玻璃1。

图2和3的在红外线发射端3中有一个红外发光二极管，它发出一束红外光线，这束光穿过前挡风玻璃。当挡风玻璃上没有雨水、处于干燥状态的时候，几乎所有的光都会反射到一个光学传感器上，当下雨的时候，挡风玻璃上会存有雨水，一部分光线就会偏离，这就造成了传感器接收到光的总量的变化，从而检测到了雨水的存在。红外散射式传感器能够接收反射光的面积越大，得到的信息就越详尽，散射式传感器十分精确，甚至有可能准确地判断出落在被感应区域上的雨点数目。

现代的汽车雨量传感器，主要由雨量感应部件，中央处理器，总线芯片，雨量采样芯片，光学通道支架以及壳体接插件等，其中雨量传感器主要以红外光为主要解决方案，但红外光线有它自身的局限性，属于不可见光，玻璃透光性较差，导致雨量传感器性能的不稳定性以及故障不可见性，在汽车售后市场引起了不小抱怨。

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种性能优良的蓝光散射式雨量传感器，该传感器能根据外界雨量大小调整雨刮电机的动作频次；

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种前挡风玻璃上雾气检测方案，计算出的雾气数据通过总线发给空调系统，实现了前挡风玻璃自动除霜除湿功能。

为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供的蓝光散射式雨量传感器，安装在车上挡风玻璃内侧，通过中央后视镜扣盖，主要包含蓝光发送二极管，蓝光接收感应器，光学部件以及ASIC模拟处理芯片等。

本发明蓝光散射式雨量传感器主要由光路设计模块和电子实现两部分组成；为了达到最好的灵敏感应区，采用了双反射的光路设计方案。

本发明中光路设计模块，包括了蓝光发射器件，发射光路1，反射光路1，全反射界面，发射光路2，反射光路2，挡风玻璃匹配胶垫以及蓝光接受器件等部件构成。

图4为本发明的系统结构模型示意图。如图4所示：本发明的中的雨量传感器，同样由发光二极管，接受二极管，光学部件9以及包含其他电子元器件的电路板8组成，较传统红外雨量传感器，最大区别本发明中发光二极管采用蓝色发光二极管202，接受二极管采用蓝色接收传感器以及完全不同的光路设计，其中光路设计，本发明采用的双反射解决方案，发光二极管发出蓝色光线，经过光路1，光路2，光路3和光路4，最后发射回蓝光接收二极管即蓝色接收传感器。

本发明中光路设计模块主要包括两光学通道，第一通道和第二通道，由于采用双反射解决方案，每通道的感应面积增加，对传感器的性能和可靠性都有提高。

图5为本发明的单通道光学模块的位置关系的示意图。如图5所示，蓝光发光管202主要用于蓝色光源的产生，为雨量传感器的正常工作提供蓝色基准光源，蓝色光源强度的大小，可以通过系统软件自动调整，保证雨量传感器工作的稳定性。

第一发射光路204的把蓝光发光管202的发散光通过第一发射光路204变成平行光线，并使发射光落在前挡风玻璃1的第1感应区域内300；

第一接受光路205的作用是把第一次通过挡风玻璃后发射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在全发射界面上。

全发射镜面208是一种对可见光全发射的镜面，发射光线的落在镜面后，按照第二发射光路206的光路全部发射。

第二发射光路206把聚焦的光线变成平行光线，并使全发射后光线落在前挡风玻璃1的第2感应区域内400。

第二接受光路207的作用是把第二次通过挡风玻璃后反射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在蓝光接受器件上。

蓝光光敏接受管203是一种专用的蓝光接受二极管，为了更好的接受蓝光，即光敏接收管只对发光管发出的波段敏感接收，通常选用和发射器件相匹配的光谱频率器件。

挡风玻璃匹配硅胶垫7主要是使挡风玻璃1和传感器之间更好的捏合匹配以及稳定性，一定安装压力积压后，二者之间的空气被排出，胶垫的变形程度基本稳定。

图6为本发明中雨量传感器的电子实现的结构框图。如图6所示：本发明中电子部分包含了CPU单片机，LIN总线收发器，电压稳压器，雨量传感器ASIC芯片，蓝光发射电路，蓝光接受电路，相对湿度传感器，前挡风玻璃温度检测，环境温度检测，环境光检测以及自检诊断电路等。

单片机CPU是传感器的大脑，负责信号的收集与复杂运算处理，计算的结果，通过LIN总线收发器发送给整车网络，实现雨刮和空调的自动控制；

电压稳压器可以提供稳定的数字电压，保证CPU等稳定可靠工作。

雨量传感器ASIC芯片为专用芯片，主要实现了信号的滤波，放大，采样等工作。

光线发射电路包括第一发射管电路和第二发射管电路，分别负责光线的发射和控制，对应的蓝光接受电路也同样两部分，第一接受管电路和第二接受管电路，主要负责对应光线的接受工作；在同一时间内，只有一组发射管和接受管工作，一组完成后，然后第二组开始工作，这样交替的工作，可以最大限度的利用单片机的资源，充分的时间算法处理，监测雨量打下和外部干扰的影响，最大限度的防治误动作。

相对湿度传感器，前挡风玻璃温度检测和环境温度检测实现了雾气检测的功能。

环境光检测主要用于区分白天和夜晚模式，对雨量传感器的灵敏度参数实时调整，为了达到相同的效果，夜晚时需要增加雨量检测灵敏度。

汽车行业中对诊断和故障要求很高，自检诊断电路尤为重要，当传感器某一元器件或者电路故障时，传感器会进入故障模式，并通过总线把故障信息发送给整车网络。主要包括发射电路，接受电路，信号放大处理ASIC芯片，温度检测已经总线电路故障等。

本发明还可以实现雾气监测，下面是具体的说明：

相对湿度传感器，前挡风玻璃温度和环境温度实现了雾气检测的功能。

相对湿度传感器采用SENSIRON芯片SHT21，与单片机之间I²C总线，可以保证把空气中的相对湿度值实时发送给单片机。

另外，挡风玻璃温度检测要求较为特殊，为了得到真实可靠的挡风玻璃温度值，此温度传感器必须和玻璃完全接触，把NTC温度电阻焊结在软PCB上面，软PCB由ABS塑料支架支撑，金属弹簧放在ABS支架的下面，安装在挡风玻璃上时，可以通过弹簧的弹力保证温度传感器和挡风玻璃完全接触。

环境温度检测主要目的是测量空气的温度值，为了得到真实值，我们把湿度监测部分电路的机械壳体做成了渔网型，这样读取的温度值基本接近空气的温度值。

知道相对湿度以及实际气温时，空气的露点温度(空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和即凝结形成水滴时的温度)可以透过以下公式求得近似值：

$T_d=\frac{\mathrm{b\γ}(T,\mathrm{RH})}{a-\mathrm{\γ}(T,\mathrm{RH})}$

当中的γ则是：

$\mathrm{\γ}(T,\mathrm{RH})=\frac{\mathrm{aT}}{b+T}+\ln (\mathrm{RH}/100)$

温度T和露点温度T_d单位为摄氏度、相对湿度RH为百分比，ln则代表自然对数。常数a和b分别是：

a＝17.27

b＝237.7℃

此公式是基于Magnus-Tetens近似法(Magnus-Tetens Approximation)，当中把饱和水汽压视为温度的函数。此方法仅在以下范围时有效：

0℃<T<60℃

1％<RH<100％

0℃<T_d<50℃

露点温度值Td和挡风玻璃表面的温度值Tw比较，可以计算预测出玻璃表面的凝结雾气情况。

露点温度值Td大于等于挡风玻璃表面的温度值Tw时，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水，易在挡风玻璃上形成水雾。

露点温度值Td小于挡风玻璃表面的温度值Tw时，空气中所含的气态水则不会在挡风玻璃上凝结成水雾。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器，其特征在于：所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器包括光路模块和电子模块；

所述光路模块包括：蓝光发光管，第一发射光路，第一反射光路，全反射镜面，第二发射光路，第二接受光路，蓝光接受器件；

其中，蓝光发光管产生蓝色光源，

第一发射光路的把蓝光发光管的发散光通过第一发射光路变成平行光线，并使发射光落在前挡风玻璃的第1感应区域内；

第一接受光路把第一次通过挡风玻璃后发射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在全发射镜面上；

全发射镜面是一种对可见光全发射的镜面，发射光线的落在镜面后，按照第二发射光路的光路全部发射；

第二发射光路把聚焦的光线变成平行光线，并使全发射后光线落在前挡风玻璃的第2感应区域内；

第二接受光路把第二次通过挡风玻璃后反射回的光线，由平行光源变成聚焦光源，并落在蓝光接受器件上；

蓝光接受器件为一种蓝光光敏接受管，是一种接收蓝光的二极管；

所述电子模块包括CPU单片机、LIN总线收发器、电压稳压器、雨量传感器ASIC芯片、蓝光发射电路、蓝光接受电路、相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器、环境温度检测器、环境光检测以及自检诊断电路；

LIN总线收发器、电压稳压器、雨量传感器ASIC芯片、蓝光发射电路、蓝光接受电路、相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器、环境温度检测器、环境光检测以及自检诊断电路均与CPU单片机电连接；

单片机CPU是主控制器，电压稳压器提供稳定的数字电压，雨量传感器ASIC芯片实现了信号的滤波，放大和采样；蓝光发射电路包括第一发射管电路和第二发射管电路，分别负责光线的发射和控制，对应的蓝光接受电路也同样两部分，第一接受管电路和第二接受管电路，主要负责对应光线的接受工作；在同一时间内，只有一组发射管和接受管工作，一组完成后，然后第二组开始工作，这样交替的工作，可以最大限度的利用单片机的资源，充分的时间算法处理，监测雨量打下和外部干扰的影响，最大限度的防止误动作；

相对湿度传感器、前挡风玻璃温度检测器和环境温度检测器均和单片机CPU电连接；

环境光检测包括白天和夜晚模式，对雨量传感器的灵敏度参数实时调整。

2.根据权利要求1所述的集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器，其特征在于：所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器安装在车上挡风玻璃内侧。

3.根据权利要求1或2所述的集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器，其特征在于：所述集成雾气检测和雨量检测的车用蓝光雨量传感器和车的前挡风玻璃之间设置有硅胶垫。