论文部分内容阅读
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-9988
摘 要：当外界气温骤降时，因没有及时更换防冻玻璃水而导致其冻住失效的情况屡屡发生，给车主带来了困扰、不便，甚至是经济损失。本文介绍了一种汽车玻璃水智能防冻与排出装置，包括温度传感器、超声波距离传感器、蜂鸣器、玻璃水排出管路以及控制的单片机。该装置通过对外界温度进行判别，在车主所用玻璃水凝点以上5℃时，即蜂鸣提醒车主更换防冻玻璃水，同时单片机控制电机排出有玻璃水，在超声波模块检测玻璃水排尽后，电机停止工作。该装置可实现玻璃水防冻预警并及时排出，解决了寒冷环境下未及时更换防冻玻璃水而引起的行车安全与经济损失问题，提高了驾驶舒适度，具有积极意义。
关键词：玻璃水防冻 智能排出 电磁阀控制 警告装置
中图分类号：U472 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0099-04
Design of Intelligent Anti-Freezing and Discharge Device for Automobile Glass Water
WANG Hongmei* LI Haiyang ZHANG Wenlong
（School of Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang province， 150040 China）
Abstract： When the outside air temperature drops suddenly， the freezing failure often occurs because the antifreeze glass water is not replaced in time， which brings troubles， inconvenience and even economic losses to the car owners. This paper introduces an intelligent anti-freezing and discharging device for automobile glass water， which includes a temperature sensor， an ultrasonic distance sensor， a buzzer， a glass water discharging pipeline and a single chip microcomputer for control. According to the device， the external temperature is judged， and when the freezing point of the glass used by the vehicle owner is above 5℃， the vehicle owner is reminded to replace the antifreeze glass water by beeping; meanwhile， the single chip controls the motor to discharge the existing glass water， and the motor stops working after the ultrasonic module detects that the glass water is exhausted. The device can realize anti-freezing warning of glass water and discharge it in time， which solves the problems of driving safety and economic loss caused by not replacing anti-freezing glass water in time in cold environment， improves driving comfort and has positive significance.
Key Words： Glass water antifreeze; Intelligent discharge; Solenoid valve control; Warning device
汽車玻璃水在车主正常行驶中起着极其重要的作用，包括以下几个方面：
（1）汽车玻璃水由多种表面活性剂及添加剂复配而成，具有润湿、渗透、增溶等功能，从而起到清洗去污的作用。
（2）能显著降低液体的冰点，从而起到防冻的作用，能很快溶解冰霜。
（3）防止形成雾滴，保证风挡玻璃清澈透明，视野清晰。
（4）能消除玻璃表面的电荷，具有抗静电性能。
（5）可以起润滑作用，减少雨刷器与玻璃之间的摩擦，防止产生划痕。
除此之外，还可以彻底去除光滑表面的尘垢、污渍，一擦即亮，无需过水、不留水痕、持久光洁，不损伤物品表面。具有防尘、防雾、防冻功能，不易附尘。喷些玻璃水，可以给开车者提供清楚的视野，使得挡风玻璃处于很好的状态，但是冬季，由于车主未及时更换防冻玻璃水而影响汽车正常行驶的现象已屡见不鲜，更有些车主为了经济效益在玻璃水中兑水的行为，更是可能在严重损害自身的生命健康。其原因主要包括下如两点。 第一，玻璃水上冻使得玻璃水体积增大，易引起水壶和水管爆裂，這时如果车主不停地拉动喷水杆试图使用玻璃水的话，就很容易造成喷水电机被烧坏。
第二，在冻住的同时，碰上雨雪天气，就会影响行车安全。
目前针对汽车玻璃水被冻住后的解决办法有以下两点。
第一，晒太阳：利用太阳的温度对玻璃水进行解冻。
第二，发动汽车原地热车，让发动机预热一会，可以起到辅助解冻的作用。
可以看出这两个方法对车主的时间消耗很大，因此我们设计了一套装置能够在玻璃水冻住之前自动排除以避免更大的损失。
1 装置的设置原理
1.1 实现原理
汽车智能玻璃水排出装置由玻璃水储液罐、车用喷水电机、2个两位二通电磁阀、转接口、输液导管、蜂鸣器、DS18B20温度传感器、超声波模块、3个5V继电器、若干导线、5V和12V电源组成。
工作准备：5V电源为单片机、DS18B20温度传感器、超声波传感器、3个继电器提供电源，其中两个继电器为常开（NC）状态，一个作为喷水电机的控制开关，一个作为玻璃水排出电磁阀的电路开关，另一个继电器为常闭（NO）状态，用于关闭玻璃水正常使用的电路开关;12V电源为两个电磁阀和喷水电机提供电源，一个电磁阀为控制玻璃水防冻排出的水路开关，另一个为玻璃水正常排出的水路开关;温度传感器和UNO用于比较所测温度和所设温度（玻璃水凝点以上5℃），超声波模块和UNO用于判断玻璃水是否完全排出。
工作过程：主要分为水路和电路两部分，当检测的温度高于所设玻璃水凝点温度以上5℃同时玻璃水水位较高时，Arduino通过引脚控制三个继电器导通电路，同时防冻水路的电磁阀导通，正常使用水路的电磁阀关闭，喷水电机工作，驱动玻璃水从储液罐中吸出经防冻水路排出，当玻璃水即将排尽后，装置停止工作。此时，加入防冻玻璃水，将玻璃水排出装置电源关闭，喷水电机系统可以正常使用。
1.2 传感器方案及硬件搭建
选定Arduino UNO单片机为控制核心，采用DS18B20温度传感器模块对玻璃水的温度进行测量，将温度传感器检测的水温信号与单片机内预先设定的玻璃水的温度进行比较，当传感器监测信号达到单片机控制阈值时，单片机驱动蜂鸣器[4]，以提醒车主及时排出现有玻璃水;同时，单片机驱动喷水电机将玻璃水从储液罐中吸出，经由旁路导管将玻璃水喷出。最后，当超声波模块检测到玻璃水近似喷尽时，单片机发出信号，控制喷水电机停止工作[3]。控制原理图见图1。
1.2.1 超声波传感器
超声波传感器可以检测出液面的高低，为后面的单片机智能控制决策提供参考。超声波传感器的原理如图2所示。
超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好等特点[3]，在距离测量方面有很好的应用。根据液面检测系统的性能指标，本文选用HCSR04型压电式超声波传感器，利用压电晶体谐振来工作，结构简单、造价低。超声波传感器的实物图如图3所示。
1.2.2 温度传感器
DS18B20温度传感器的主要功能是完成二进制温敏信号的传导，其传导模式是串行传导。测温范围为-55～125℃，测温精度为0.5℃[5]。该传感器可以在低速测控环境中使用，具有较高的抗干扰能力，且成本低;具有CRC校验功能;可靠性高，其精度为-0.5～0.5℃范围内，基本符合本次任务的需求。因此采用DS18B20作为温度测量传感器。
1.3 软件设计
程序实现框图如图4所示。
2 实验过程及结果
2.1 装置搭建及软件调试
根据需要购置了一个水壶和喷水电机，将水壶和喷水电机作为整个实验装置的模拟平台，将单片机与喷水电机相连接，将DS18B20温度传感器置于水壶的液面以下，将超声波模块置于液面以上以监测液罐内液面的变化。然后将单片机和蜂鸣器放置在合适位置处，实物装置图见图5，在确认所有仪器准确安装后开始调试软件。
2.2 实验过程
在装置硬件安装完成和软件调试成功后，开始监测实验，确定DS18B20温度传感器和超声波模块的具体参数。
2.3 实验结果
如表1所示，根据所测的温度传感器在玻璃水冰点的温度信号和超声波模块在玻璃水监测的液位信号，对单片机的控制信号做出设定。常见夏季玻璃水的冰点最低为-2℃，其余大多为0℃，所以设置单片机控制喷水电机的工作温度为0℃。设置超声波模块距离液面的距离为20cm。
经试验验证，单片机能够在温度传感器和超声波模块满足条件时自动地控制继电器闭合，使得喷水电机自动排出玻璃水，避免玻璃水在储液罐内结冰。
3 结语
该控制装置以单片机的控制系统为核心，以传感器的信号为输入，以对电机的控制和对蜂鸣器的控制为输出，可以及时地提醒车主更换防冻玻璃水，同时可以将原来的玻璃水自动排出。
装置原理简单，外加设备少，容易与汽车控制核心ECU进行集成[6]。所选温度传感器和超声波灵敏度较高，误差小。
控制装置有利于提升车主的用车体验，同时避免了因更换喷水电机而造成的不必要的经济损失和节省了车主宝贵的时间，具有积极意义。
参考文献
[1] 季志坚.选对玻璃水，为爱车护航——2016年上海市车用玻璃水产品质量监督抽查公告解读[J].上海质量，2017（2）：71-74.
[2] 徐兰.基于单片机的智能温度检测控制系统设计[J].电子测试，2020（6）：27-29，26.
[3] 苏秋美，刘亚荣.超声波防撞测速及避障仪设计及实现[J].科技创新与应用，2020（29）：83-85.
[4] 郑玲玲，张金，刘芳，等.基于LabVIEW和Arduino的温湿度采集系统设计[J].中国科技信息，2021（6）：81-83.
[5] 王肖龙.太阳能-热泵热水系统控制策略研究与应用[D].杭州：杭州电子科技大学，2020.
[6] 晏宇.基于单片机的无线温度监控系统的设计与制作[D].南昌：南昌大学，2018.
摘 要：当外界气温骤降时，因没有及时更换防冻玻璃水而导致其冻住失效的情况屡屡发生，给车主带来了困扰、不便，甚至是经济损失。本文介绍了一种汽车玻璃水智能防冻与排出装置，包括温度传感器、超声波距离传感器、蜂鸣器、玻璃水排出管路以及控制的单片机。该装置通过对外界温度进行判别，在车主所用玻璃水凝点以上5℃时，即蜂鸣提醒车主更换防冻玻璃水，同时单片机控制电机排出有玻璃水，在超声波模块检测玻璃水排尽后，电机停止工作。该装置可实现玻璃水防冻预警并及时排出，解决了寒冷环境下未及时更换防冻玻璃水而引起的行车安全与经济损失问题，提高了驾驶舒适度，具有积极意义。
关键词：玻璃水防冻 智能排出 电磁阀控制 警告装置
中图分类号：U472 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0099-04
Design of Intelligent Anti-Freezing and Discharge Device for Automobile Glass Water
WANG Hongmei* LI Haiyang ZHANG Wenlong
（School of Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang province， 150040 China）
Abstract： When the outside air temperature drops suddenly， the freezing failure often occurs because the antifreeze glass water is not replaced in time， which brings troubles， inconvenience and even economic losses to the car owners. This paper introduces an intelligent anti-freezing and discharging device for automobile glass water， which includes a temperature sensor， an ultrasonic distance sensor， a buzzer， a glass water discharging pipeline and a single chip microcomputer for control. According to the device， the external temperature is judged， and when the freezing point of the glass used by the vehicle owner is above 5℃， the vehicle owner is reminded to replace the antifreeze glass water by beeping; meanwhile， the single chip controls the motor to discharge the existing glass water， and the motor stops working after the ultrasonic module detects that the glass water is exhausted. The device can realize anti-freezing warning of glass water and discharge it in time， which solves the problems of driving safety and economic loss caused by not replacing anti-freezing glass water in time in cold environment， improves driving comfort and has positive significance.
Key Words： Glass water antifreeze; Intelligent discharge; Solenoid valve control; Warning device
汽車玻璃水在车主正常行驶中起着极其重要的作用，包括以下几个方面：
（1）汽车玻璃水由多种表面活性剂及添加剂复配而成，具有润湿、渗透、增溶等功能，从而起到清洗去污的作用。
（2）能显著降低液体的冰点，从而起到防冻的作用，能很快溶解冰霜。
（3）防止形成雾滴，保证风挡玻璃清澈透明，视野清晰。
（4）能消除玻璃表面的电荷，具有抗静电性能。
（5）可以起润滑作用，减少雨刷器与玻璃之间的摩擦，防止产生划痕。
除此之外，还可以彻底去除光滑表面的尘垢、污渍，一擦即亮，无需过水、不留水痕、持久光洁，不损伤物品表面。具有防尘、防雾、防冻功能，不易附尘。喷些玻璃水，可以给开车者提供清楚的视野，使得挡风玻璃处于很好的状态，但是冬季，由于车主未及时更换防冻玻璃水而影响汽车正常行驶的现象已屡见不鲜，更有些车主为了经济效益在玻璃水中兑水的行为，更是可能在严重损害自身的生命健康。其原因主要包括下如两点。 第一，玻璃水上冻使得玻璃水体积增大，易引起水壶和水管爆裂，這时如果车主不停地拉动喷水杆试图使用玻璃水的话，就很容易造成喷水电机被烧坏。
第二，在冻住的同时，碰上雨雪天气，就会影响行车安全。
目前针对汽车玻璃水被冻住后的解决办法有以下两点。
第一，晒太阳：利用太阳的温度对玻璃水进行解冻。
第二，发动汽车原地热车，让发动机预热一会，可以起到辅助解冻的作用。
可以看出这两个方法对车主的时间消耗很大，因此我们设计了一套装置能够在玻璃水冻住之前自动排除以避免更大的损失。
1 装置的设置原理
1.1 实现原理
汽车智能玻璃水排出装置由玻璃水储液罐、车用喷水电机、2个两位二通电磁阀、转接口、输液导管、蜂鸣器、DS18B20温度传感器、超声波模块、3个5V继电器、若干导线、5V和12V电源组成。
工作准备：5V电源为单片机、DS18B20温度传感器、超声波传感器、3个继电器提供电源，其中两个继电器为常开（NC）状态，一个作为喷水电机的控制开关，一个作为玻璃水排出电磁阀的电路开关，另一个继电器为常闭（NO）状态，用于关闭玻璃水正常使用的电路开关;12V电源为两个电磁阀和喷水电机提供电源，一个电磁阀为控制玻璃水防冻排出的水路开关，另一个为玻璃水正常排出的水路开关;温度传感器和UNO用于比较所测温度和所设温度（玻璃水凝点以上5℃），超声波模块和UNO用于判断玻璃水是否完全排出。
工作过程：主要分为水路和电路两部分，当检测的温度高于所设玻璃水凝点温度以上5℃同时玻璃水水位较高时，Arduino通过引脚控制三个继电器导通电路，同时防冻水路的电磁阀导通，正常使用水路的电磁阀关闭，喷水电机工作，驱动玻璃水从储液罐中吸出经防冻水路排出，当玻璃水即将排尽后，装置停止工作。此时，加入防冻玻璃水，将玻璃水排出装置电源关闭，喷水电机系统可以正常使用。
1.2 传感器方案及硬件搭建
选定Arduino UNO单片机为控制核心，采用DS18B20温度传感器模块对玻璃水的温度进行测量，将温度传感器检测的水温信号与单片机内预先设定的玻璃水的温度进行比较，当传感器监测信号达到单片机控制阈值时，单片机驱动蜂鸣器[4]，以提醒车主及时排出现有玻璃水;同时，单片机驱动喷水电机将玻璃水从储液罐中吸出，经由旁路导管将玻璃水喷出。最后，当超声波模块检测到玻璃水近似喷尽时，单片机发出信号，控制喷水电机停止工作[3]。控制原理图见图1。
1.2.1 超声波传感器
超声波传感器可以检测出液面的高低，为后面的单片机智能控制决策提供参考。超声波传感器的原理如图2所示。
超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好等特点[3]，在距离测量方面有很好的应用。根据液面检测系统的性能指标，本文选用HCSR04型压电式超声波传感器，利用压电晶体谐振来工作，结构简单、造价低。超声波传感器的实物图如图3所示。
1.2.2 温度传感器
DS18B20温度传感器的主要功能是完成二进制温敏信号的传导，其传导模式是串行传导。测温范围为-55～125℃，测温精度为0.5℃[5]。该传感器可以在低速测控环境中使用，具有较高的抗干扰能力，且成本低;具有CRC校验功能;可靠性高，其精度为-0.5～0.5℃范围内，基本符合本次任务的需求。因此采用DS18B20作为温度测量传感器。
1.3 软件设计
程序实现框图如图4所示。
2 实验过程及结果
2.1 装置搭建及软件调试
根据需要购置了一个水壶和喷水电机，将水壶和喷水电机作为整个实验装置的模拟平台，将单片机与喷水电机相连接，将DS18B20温度传感器置于水壶的液面以下，将超声波模块置于液面以上以监测液罐内液面的变化。然后将单片机和蜂鸣器放置在合适位置处，实物装置图见图5，在确认所有仪器准确安装后开始调试软件。
2.2 实验过程
在装置硬件安装完成和软件调试成功后，开始监测实验，确定DS18B20温度传感器和超声波模块的具体参数。
2.3 实验结果
如表1所示，根据所测的温度传感器在玻璃水冰点的温度信号和超声波模块在玻璃水监测的液位信号，对单片机的控制信号做出设定。常见夏季玻璃水的冰点最低为-2℃，其余大多为0℃，所以设置单片机控制喷水电机的工作温度为0℃。设置超声波模块距离液面的距离为20cm。
经试验验证，单片机能够在温度传感器和超声波模块满足条件时自动地控制继电器闭合，使得喷水电机自动排出玻璃水，避免玻璃水在储液罐内结冰。
3 结语
该控制装置以单片机的控制系统为核心，以传感器的信号为输入，以对电机的控制和对蜂鸣器的控制为输出，可以及时地提醒车主更换防冻玻璃水，同时可以将原来的玻璃水自动排出。
装置原理简单，外加设备少，容易与汽车控制核心ECU进行集成[6]。所选温度传感器和超声波灵敏度较高，误差小。
控制装置有利于提升车主的用车体验，同时避免了因更换喷水电机而造成的不必要的经济损失和节省了车主宝贵的时间，具有积极意义。
参考文献
[1] 季志坚.选对玻璃水，为爱车护航——2016年上海市车用玻璃水产品质量监督抽查公告解读[J].上海质量，2017（2）：71-74.
[2] 徐兰.基于单片机的智能温度检测控制系统设计[J].电子测试，2020（6）：27-29，26.
[3] 苏秋美，刘亚荣.超声波防撞测速及避障仪设计及实现[J].科技创新与应用，2020（29）：83-85.
[4] 郑玲玲，张金，刘芳，等.基于LabVIEW和Arduino的温湿度采集系统设计[J].中国科技信息，2021（6）：81-83.
[5] 王肖龙.太阳能-热泵热水系统控制策略研究与应用[D].杭州：杭州电子科技大学，2020.
[6] 晏宇.基于单片机的无线温度监控系统的设计与制作[D].南昌：南昌大学，2018.