李旺鹏，李志俊，李慧洁，李 振，李 欣

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

随着科技的进步，越来越多的智能设备都需要对天气进行监控，车用雨感器需要智能地判读雨量大小控制雨刷的动作，保证驾驶员的视野足够明亮、清晰;自动升降防雨窗帘需要智能地判断天气情况控制窗帘的开合，保证房间的干燥、舒适;户外自动监控站需要智能地判断天气，并根据天气的变换开合保护罩，保证内部电路的安全、干燥等。智能雨感器成为越来越多的设备不可缺少的一部分。传统的雨感器主要采用电极感应降雨状况，根据两极之间电容的变化反映天气的变化，该传感器电极直接与雨滴接触，腐蚀较严重，传感器的寿命较短[1－2]。

针对上述情况，笔者设计了一种基于光学原理的新型雨水传感器，该传感器不与雨水直接接触，能够实时地判断天气的变化，通用性强，制作方便，寿命长，成本低廉。

1 红外雨感器的原理

光从一种透明介质1(如空气)斜射入另一种透明介质2(如水)时，会发生折射，传播方向一般会发生变化[3－4]。其计算公式为:

式中:n1为介质1的折射率;θ1为入射角;n2为介质2的折射率;γ2为折射角。

光由光密(即光在其中传播速度较小的)介质射到光疏(即光在其中传播速度较大的)介质的界面时，如果入射角大于临界角，会发生反射，光线会全部被反射回原介质内。

红外线以θ1垂直射入玻璃，无雨时，红外线的光路轨迹如图1(a)所示;下雨时，红外线的光路轨迹如图1(b)所示。

图1 光路轨迹示意图

红外线从玻璃射入空气时，根据式(1)得:

式中:n1，n2分别为空气和玻璃的折射率;θ1为入射角;γ1为折射角。

红外线从玻璃射入雨水中时，根据式(1)得:

式中:n2、n3分别为玻璃和雨水的折射率;θ1为入射角;γ2为折射角。

查常用物体折射率表可知空气的折射率为1.000，普通玻璃的折射率为1.500，水的折射率为1.333。令θ1=90°，根据式(2)和式(3)可以计算，光从玻璃(光密介质)射入空气(光疏介质)中时，发生全反射的临界角为41.81°;光从玻璃射入水中时，发生全反射的临界角为62.71°。

无雨时，为了使红外线从玻璃射入空气时发生全反射;有雨时，为了使红外线从玻璃射入雨水时发生折射，θ1必须大于42°小于62°。

2 硬件设计与实现

2.1 雨感器的结构及整体电路

该系统主要由微处理器(MCU)、发射模块、接收模块、导光器和显示模块等部分组成，系统结构如图2所示。微处理器通过程序产生38 kHz的脉冲波，驱动红外发射管产生红外线，红外线通过玻璃产生折射和反射。若下雨，则红外线折射到空气中，接收管接收不到红外线，输出低电平;若干燥，则发生全反射现象，接收管接收到38 kHz的信号，输出高电平。微处理器通过判断接收管反馈的电平状况，实时地反映天气情况[5]。

图2 雨感器结构图

雨感器整体电路图如图3所示。X4为红外发射管接口，微处理器通过定时器产生4路38 kHz的方波，驱动红外发射管;X3为红外接收管接口，微处理器不断扫描接收管的状态，并进行处理;P1.3通过三极管控制继电器K1动作，如果有雨，则将继电器合上;如果没雨，则将继电器断开;X5为继电器外部接口，将天气情况反馈给其他设备;X6为NOKIA5110显示接口，实时地显示天气的情况[6]。

图3 雨感器整体电路

2.2 导光器的设计

红外发射管发射出的红外线是散射光，为了使红外光线以42°～62°的角度射向玻璃，该系统采用了一个导光模块，如图4所示。面板上有4对发射接收孔，右侧为导光孔侧视图，导光孔与面板成固定角度，即为42°～62°的角度。导光孔上端为玻璃或者与玻璃折射率相同的填充物，上端水平确保能够与挡风玻璃紧密接触，下端与红外发射接收管垂直，确保光线能够垂直射入玻璃而不改变发射方向。红外线通过导光孔引导，垂直射入玻璃内，与面板成固定的角度发射出去;经过反射后的光线通过导光孔到达接收管，接收管接收固定角度的红外线。该雨感器用导光模块取代了传统的玻璃，避免了与雨水的直接接触，使用时只需紧紧贴在玻璃表面，简单、方便、实用。

图4 导光模块结构图

2.3 发射部分

为了提高系统的灵敏度，扩大覆盖感应范围，该系统采用4路红外发射管，单路红外发射电路图如图5(a)所示。微处理器驱动信号从IN1输入，为了增强红外发射管的发射功率，该电路采用了一个NPN管进行驱动;为了增加微处理器IO口的驱动能力，该电路使用了一个10 kΩ的电阻上拉。

2.4 接收部分

为了简化电路，该系统采用一体化接收头红外专用集成接收芯片HS0038，与发射管对应，系统采用了4路红外接收管，单路接收模块电路图如图5(b)所示。该芯片将光接收二极管、放大电路、带通滤波器和检波电路封装在一起，以接收脉冲编码信号调制的红外光信号，塑料封装可滤除可见光，电路简单，体积较小。HS0038有3个引脚:l脚输出，2脚接地，3脚接+5 V电源。芯片内部集成了放大、滤波、解调及其控制电路，1脚直接输出高低电平。HS0038只有接收到38 kHz的脉冲信号才会输出高电平。当HS0038接收不到38 kHz的脉冲信号时，1脚输出高电平;当接收到38 kHz的脉冲信号时，1脚输出低电平。HS0038通过OUT将信号反馈给微处理器，微处理器根据OUT的电平判断天气的变化。

图5 发射部分电路图

2.5 显示单元

为了节约成本，该系统选用了稳定而廉价的液晶显示屏 NOKIA5110，84×48的点阵LCD，可以显示4行汉字，用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和接地在内的信号线仅有9条。该显示屏支持多种串行通信协议(如AVR单片机的SPI、MCS51的串口模式0等)，传输速率高达4 Mb/s，可全速写入显示数据，无等待时间。LCD控制器/驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200 μA以下，且具有掉电模式。

NOKIA5110的接口电路图如图6所示，微处理器通过P1口模拟SPI总线协议与NOKIA5110显示屏进行通信。RST为NOKIA5110复位脚，SCE为芯片使能引脚，R/¯C为模式选择数据命令，DIN为串行数据线，SCLK为串行时钟线 ，BL为背光灯控制引脚，LED高电平启动背光，该显示屏采用5 V供电，能够方便地与微处理器连接。

图6 NOKIA5110屏幕接口电路图

3 软件设计

该系统选择ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C2051，其片内含2 k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(E2PROM)和128 bytes的随机数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS－51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，它能对许多嵌入式控制应用提供高度灵活和成本低的解决办法[7－8]。

该系统软件流程图如图7所示，系统上电复位，初始化定时器0和定时器1、显示器、IO管脚，定时器0输出固定频率38 kHz的脉冲波，程序不断收集接收管的状态，并对4路接收管的状态进行判断和综合处理;若4路接收管中有任意一个输出为高电平，则为下雨状态，将P1.3置高，继电器闭合;若4路接收管全部为低，且持续一段时间全部为低，则为天晴状况，将P1.3置低，继电器断开。

图7 系统软件流程图

4 结论

该系统以AT89C2051单片机为控制核心，结合光学原理，利用红外线反射和折射效应，通过导光模块感知下雨情况和雨量的大小，应用范围广，反应灵敏度高，实用性强，并且成本低廉，具有广阔的应用前景。使用时，只需轻轻地贴在玻璃表面，不必与雨滴直接接触，便能实时地反映天气情况。该系统能够方便地与其他设备融合，可方便快捷地实现智能控制。

[1] 杨李箭，张美凤，姚骏.红外车用雨量传感器测试装置的设计[J].仪表技术，2009(10):60－63.

[2] 赵岩，訾鸿.汽车雨滴传感器的设计[J].佳木斯大学学报:自然科学版，2007，25(6):801 －803.

[3] 赵岩，王哈力，蒋贵龙，等.一种新型红外线汽车雨水传感器的设计[J].传感器世界，2006(8):24－26.

[4] 郭剑鹰.车用雨量传感器应用[J].汽车电器，2008(11):27－31.

[5] 鲍迪，贾文超，柏丹.车用雨量检测装置设计研究[J]. 应用技术，2010(1):86－87.

[6] 孙晓冰，王德生，刘海波，等.红外全反射式雨量传感器设计研究[J].仪表技术与传感器，2010(9):96－98.

[7] 余辉洋，顾兴莲，秦明.一种可用于雨量测量的压力传感器[J]. 东南大学学报，2010，40(3):522－526.

[8] 王伟国，姚骏，史骥.汽车红外雨量传感器的设计[J].仪表技术，2011(1):65－67.