汽車玻璃水智能防凍和排出裝置設計

王紅梅 李海洋 張問龍

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-9988

摘? 要：當外界氣溫驟降時，因沒有及時更換防凍玻璃水而導致其凍住失效的情況屢屢發生，給車主帶來了困擾、不便，甚至是經濟損失。本文介紹了一種汽車玻璃水智能防凍與排出裝置，包括溫度傳感器、超聲波距離傳感器、蜂鳴器、玻璃水排出管路以及控制的單片機。該裝置通過對外界溫度進行判別，在車主所用玻璃水凝點以上5℃時，即蜂鳴提醒車主更換防凍玻璃水，同時單片機控制電機排出有玻璃水，在超聲波模塊檢測玻璃水排盡后，電機停止工作。該裝置可實現玻璃水防凍預警并及時排出，解決了寒冷環境下未及時更換防凍玻璃水而引起的行車安全與經濟損失問題，提高了駕駛舒適度，具有積極意義。

關鍵詞：玻璃水防凍? 智能排出? 電磁閥控制? 警告裝置

中圖分類號：U472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

汽車玻璃水在車主正常行駛中起著極其重要的作用，包括以下幾個方面：

（1）汽車玻璃水由多種表面活性劑及添加劑復配而成，具有潤濕、滲透、增溶等功能，從而起到清洗去污的作用。

（2）能顯著降低液體的冰點，從而起到防凍的作用，能很快溶解冰霜。

（3）防止形成霧滴，保證風擋玻璃清澈透明，視野清晰。

（4）能消除玻璃表面的電荷，具有抗靜電性能。

（5）可以起潤滑作用，減少雨刷器與玻璃之間的摩擦，防止產生劃痕。

除此之外，還可以徹底去除光滑表面的塵垢、污漬，一擦即亮，無需過水、不留水痕、持久光潔，不損傷物品表面。具有防塵、防霧、防凍功能，不易附塵。噴些玻璃水，可以給開車者提供清楚的視野，使得擋風玻璃處于很好的狀態，但是冬季，由于車主未及時更換防凍玻璃水而影響汽車正常行駛的現象已屢見不鮮，更有些車主為了經濟效益在玻璃水中兌水的行為，更是可能在嚴重損害自身的生命健康。其原因主要包括下如兩點。

第一，玻璃水上凍使得玻璃水體積增大，易引起水壺和水管爆裂，這時如果車主不停地拉動噴水桿試圖使用玻璃水的話，就很容易造成噴水電機被燒壞。

第二，在凍住的同時，碰上雨雪天氣，就會影響行車安全。

目前針對汽車玻璃水被凍住后的解決辦法有以下兩點。

第一，曬太陽：利用太陽的溫度對玻璃水進行解凍。

第二，發動汽車原地熱車，讓發動機預熱一會，可以起到輔助解凍的作用。

可以看出這兩個方法對車主的時間消耗很大，因此我們設計了一套裝置能夠在玻璃水凍住之前自動排除以避免更大的損失。

1? 裝置的設置原理

1.1 實現原理

汽車智能玻璃水排出裝置由玻璃水儲液罐、車用噴水電機、2個兩位二通電磁閥、轉接口、輸液導管、蜂鳴器、DS18B20溫度傳感器、超聲波模塊、3個5V繼電器、若干導線、5V和12V電源組成。

工作準備：5V電源為單片機、DS18B20溫度傳感器、超聲波傳感器、3個繼電器提供電源，其中兩個繼電器為常開（NC）狀態，一個作為噴水電機的控制開關，一個作為玻璃水排出電磁閥的電路開關，另一個繼電器為常閉（NO）狀態，用于關閉玻璃水正常使用的電路開關;12V電源為兩個電磁閥和噴水電機提供電源，一個電磁閥為控制玻璃水防凍排出的水路開關，另一個為玻璃水正常排出的水路開關;溫度傳感器和UNO用于比較所測溫度和所設溫度（玻璃水凝點以上5℃），超聲波模塊和UNO用于判斷玻璃水是否完全排出。

工作過程：主要分為水路和電路兩部分，當檢測的溫度高于所設玻璃水凝點溫度以上5℃同時玻璃水水位較高時，Arduino通過引腳控制三個繼電器導通電路，同時防凍水路的電磁閥導通，正常使用水路的電磁閥關閉，噴水電機工作，驅動玻璃水從儲液罐中吸出經防凍水路排出，當玻璃水即將排盡后，裝置停止工作。此時，加入防凍玻璃水，將玻璃水排出裝置電源關閉，噴水電機系統可以正常使用。

1.2 傳感器方案及硬件搭建

選定Arduino UNO單片機為控制核心，采用DS18B20溫度傳感器模塊對玻璃水的溫度進行測量，將溫度傳感器檢測的水溫信號與單片機內預先設定的玻璃水的溫度進行比較，當傳感器監測信號達到單片機控制閾值時，單片機驅動蜂鳴器[4]，以提醒車主及時排出現有玻璃水;同時，單片機驅動噴水電機將玻璃水從儲液罐中吸出，經由旁路導管將玻璃水噴出。最后，當超聲波模塊檢測到玻璃水近似噴盡時，單片機發出信號，控制噴水電機停止工作[3]。控制原理圖見圖1。

1.2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器可以檢測出液面的高低，為后面的單片機智能控制決策提供參考。超聲波傳感器的原理如圖2所示。

超聲波具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好等特點[3]，在距離測量方面有很好的應用。根據液面檢測系統的性能指標，本文選用HCSR04型壓電式超聲波傳感器，利用壓電晶體諧振來工作，結構簡單、造價低。超聲波傳感器的實物圖如圖3所示。

1.2.2 溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器的主要功能是完成二進制溫敏信號的傳導，其傳導模式是串行傳導。測溫范圍為-55～125℃，測溫精度為0.5℃[5]。該傳感器可以在低速測控環境中使用，具有較高的抗干擾能力，且成本低;具有CRC校驗功能;可靠性高，其精度為-0.5～0.5℃范圍內，基本符合本次任務的需求。因此采用DS18B20作為溫度測量傳感器。

1.3 軟件設計

程序實現框圖如圖4所示。

2? 實驗過程及結果

2.1 裝置搭建及軟件調試

根據需要購置了一個水壺和噴水電機，將水壺和噴水電機作為整個實驗裝置的模擬平臺，將單片機與噴水電機相連接，將DS18B20溫度傳感器置于水壺的液面以下，將超聲波模塊置于液面以上以監測液罐內液面的變化。然后將單片機和蜂鳴器放置在合適位置處，實物裝置圖見圖5，在確認所有儀器準確安裝后開始調試軟件。

2.2 實驗過程

在裝置硬件安裝完成和軟件調試成功后，開始監測實驗，確定DS18B20溫度傳感器和超聲波模塊的具體參數。

2.3 實驗結果

如表1所示，根據所測的溫度傳感器在玻璃水冰點的溫度信號和超聲波模塊在玻璃水監測的液位信號，對單片機的控制信號做出設定。常見夏季玻璃水的冰點最低為-2℃，其余大多為0℃，所以設置單片機控制噴水電機的工作溫度為0℃。設置超聲波模塊距離液面的距離為20cm。

經試驗驗證，單片機能夠在溫度傳感器和超聲波模塊滿足條件時自動地控制繼電器閉合，使得噴水電機自動排出玻璃水，避免玻璃水在儲液罐內結冰。

3? 結語

該控制裝置以單片機的控制系統為核心，以傳感器的信號為輸入，以對電機的控制和對蜂鳴器的控制為輸出，可以及時地提醒車主更換防凍玻璃水，同時可以將原來的玻璃水自動排出。

裝置原理簡單，外加設備少，容易與汽車控制核心ECU進行集成[6]。所選溫度傳感器和超聲波靈敏度較高，誤差小。

控制裝置有利于提升車主的用車體驗，同時避免了因更換噴水電機而造成的不必要的經濟損失和節省了車主寶貴的時間，具有積極意義。

參考文獻

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[3] 蘇秋美，劉亞榮.超聲波防撞測速及避障儀設計及實現[J].科技創新與應用，2020（29）：83-85.

[4] 鄭玲玲，張金，劉芳，等.基于LabVIEW和Arduino的溫濕度采集系統設計[J].中國科技信息，2021（6）：81-83.

[5] 王肖龍.太陽能-熱泵熱水系統控制策略研究與應用[D].杭州：杭州電子科技大學，2020.

[6] 晏宇.基于單片機的無線溫度監控系統的設計與制作[D].南昌：南昌大學，2018.