汽车远光灯设计和实现.doc

汽车远光灯设计和实现摘 要 汽车远光灯智能控制系统主要由远光灯光强检测部分、汽车环境光强检测并自动调光部分、时钟检测智能开启灯光部分、液晶显示远光灯亮灭情况部分、主动按键自由控制部分组成。整个系统以模拟电路为主，配合数字电路控制，系统主要通过AT89C52单片机进行控制，利用光敏电阻进行可见光光强检测。通过论证，本系统可以实现汽车的灯光亮度调节和远近光灯的转换。 关键字：远光灯AT89C52 光强检测 光亮度调节 目录 摘要 1 1.引言 1 1.1课题研究背景 1 1.2 汽车车灯智能控制系统的国内外发展现状 1 1.3 汽车智能照明系统 2 1.4 课题研究的目的及意义 2 1.5 汽车车灯智能控制系统中的关键问题 3 2.系统方案 4 3.功能指标 4 3.1.功能 4 4.实现原理 4 4.1系统硬件主要组成部分 4 4.1.1系统控制模块 4 4.1.2超声波测量距离模块 5 4.1.3光感应模块 5 4.1.4液晶显示模块 6 4.1.5按键模块 7 4.1.6系统复位模块 8 5.硬件框图 8 6.软件流程 10 6.1系统软件流程图 10 6.2 PCB软件制图 11 6.3 系统调试 11 7.系统测试方案 11 8.附录 12 8.1含源代码和程序清单 12 8.2扩展应用系统电路图 18 9.总结 19 参考文献 21 1.引言 1.1课题研究背景 根据中华人民共和国道路交通安全法实施条例第五十九条的规定，机动车在夜间通过急弯、坡路、拱桥、人行横道或者没有交通信号灯控制的路口时，应当交替使用远近光灯示意，而司机手动交替会影响车辆的安全行驶，容易引发交通事故。此外，夜间行驶的车辆相会时，很多驾驶员由于疏忽或者缺乏会车常识而不进行远近光灯的切换，导致交通事故的发生。目前，已有许多类似的自动切换方案，比如车载雷达系统对目标信息的实时采集，通过MCU微处理器进行数据信息的处理实现切换，数据处理比较准确，但是雷达容易受到天气状况的影响以及缺少对静止物体的测试可能造成对行人的误判，此外，由于雷达性能的问题，系统的反应时间有较长的延迟，灵敏度有待提高；基于红外技术的切换系统可以保证在特殊情况下手动装置的优先，系统的稳定性比较好，但在上坡时不能接收到信号，并且要求相遇的两车均安装发射与接收器，且红外的有效距离在150250m，可能会造成过早的切换或者被障碍物切断信号的接收与发送；基于单片机的光强检测系统的灯光切换系统，时间延迟比较短，但是无法智能判断人行道、十字路口等路况；还有基于图像处理、智能路况识别、机器视觉等实现的远近灯光控制方案，通过对路口、路况、道路照明情况等进行智能判断，实现自动切换，但上述方法过多的依赖外部条件，如交通标志图像清晰、视野开阔等，限制了系统功能的发挥。 为了解决上述设计方案的不足，本文设计了一套新的智能切换系统。本系统可以实现坡道检测、自动对人行横道及十字路口进行判定，并根据检测和判定结果实现远近光灯的智能切换，从而为驾驶员保驾护航。 1.2汽车车灯智能控制系统的国内外发展现状 汽车刚诞生时是没有车灯的，为了方便汽车在夜间行驶，人们开始汽车前面挂上用手提灯来照明，但这种办法不方便，也不安全。为了满足这方面的需求，在19世纪80年代汽车制造商将电用在了汽车的前灯和尾灯，就这样汽车车灯的雏形就此诞生。随着电池供电技术和汽车灯具制造技术的不断发展，对汽车车灯的控制也逐渐完善，能很好的满足在行车过程中基本照明和信号提示等实际情况。但在21世纪初，绝大多数汽车的照明控制还是以手动为主，为适应现代市场需求，各大汽车制造商纷 纷开始将电子控制技术和汽车照明相结合，研发汽车智能照明控制系统。汽车智能照明系统在汽车电子方面的极大突破，在很大程度上避免了汽车在夜间行驶过程中的安全隐患，同时也提升了驾驶人员在行驶过程中的舒适性。欧美和日本等汽车制造大国在20世纪60年代就开始汽车智能照明系统方面研发，在80年代中期，他们就完成了智能照明系统的开发，将它应用在汽车上并开始量产实在20世纪末，由于开发成本较高，这项技术主要应用于高档汽车和专用汽车，中低档汽车主要还是使用传统的手动照明系统。经过十几年的发展，汽车智能照明系统和电子控制技术日渐成熟，其开发成本大幅度降低，中低档汽车也安装了智能照明系统。 在对汽车车灯智能控制系统研究的过程中国外那些实力雄厚的汽车制造商对其研究是比较早的，在二十世纪八十年代，国外的一些汽车生产商就完成了汽车的车灯智能控制系统的研究。经过十年左右时间的验证，在九十年代初，汽车的车灯智能车灯控制系统进入批量生产时期，由此在当时这一技术被成功应用并且成为豪华轿车的主要噱头。随着技术的发展，在九十年代末期，汽车的车灯智能控制系统这种技术开始在中级轿车正式应用。这种技术一直研发至今并融入了更人性化和更智能的新技术。发展到今天，这种技术已经达到了相当高的普及和应用水平。 因为我国汽车工业的起步相对较晚，发展进度不是很快，因此国内在汽车的车灯智能控制系统方面的研发技术相对较为落后一些。因为其造价相对较高，准确性以及适时控制等问题，所以这个技术仍处于研究时期。但是随着我国工业的进步和技术的发展，目前车灯的智能控制这种技术的研究也已经取得了令人欢欣的结果。 1.3汽车智能照明系统 汽车智能照明系统是指那些以车内数据网络的传感器为基础，在特定环境下由人或者由车辆智能照明系统决定哪一种照明方式才是最理想的照明方式。智能照明系统主要是车辆通过对方向盘转动的角度信号、刹车信号、车速信号等的信号信息采集来对照明系统进行控制，极大减少了传统汽车照明系统中无法调节照明角度，驾驶员不能及时对车灯照明做出控制的问题。从而为驾驶员提供了更加智能和有效的照明，同时也为人类的人身安全和财物安全提供了非常可靠的技术保障。 1.4课题研究的目的及意义 安全，作为当今世界汽车发展的三大课题之一，永远是汽车至高无上的主题， 也 是人们行车的永恒的主题。众所周知，驾驶视野的好坏直接影响行车的安全。驾驶员有关的交通信息有80%以上是通过视觉获得的，包括道路表面形状、方向、 交通信号及交通标志的内容、本车所处的交通环境以及行驶方向上的车流状态等。以上信息在白天较容易通过视觉等获得，但在没有光线的夜晚，尤其是在恶劣环境下，相对就比较困难。 一个好的照明系统应该满足的条件是:能够为驾驶者提供前方路段内足够的景象信息，以便驾驶者有时间做出反应来避免危险;驾驶者获取信息时不感到非常疲劳;使驶者能够获得有关交通环境和道路条件下的景象信息;既不造成其它车道使用者的麻烦，也不会导致判断失误。 汽车前照灯自动调光系统正是基于此而研制的，它不像传统的前照灯系统一 样，只能工作在一种模式，即只能在一种固定的模型下工作，它能够根据车辆行驶的速度、道路的情况以及外界环境的状况自动的改变车灯的工作模式，产生适合当前驾驶环境的光束模型，为驾驶员自动提供更宽更合理的视野范围，提高驾驶员的行车安全。 汽车前照灯自动调光系统的能够在夜间和恶劣环境等条件下为驾驶员自动的提供适合的灯光照射模式，为驾驶员提供更合理的视野范围，对驾驶员的行车安全，尤其是在我们国家汽车保有量迅猛增加、机动车驾驶员数量又如此之多、交通事故位居世界前列的这样的一个国情下，自适应车灯照明控制系统的应用就显得尤为重要，提高行车安全，保障人民的生命财产以及我国的交通事业的发展具有重要的意义。 1.5 汽车车灯智能控制系统中的关键问题 汽车在日常行驶的过程中，为了简化驾驶员的操作，使汽车在行驶中更加方便和安全，现在许多汽车上都装有车灯智能控制系统。然而对于不同的生产厂家和不同型号的汽车有不同的结构，这使得在研发智能汽车车灯控制系统时很难有一个统一的标准。而且又因为智能车灯控制系统目前的研究还不是太成熟，所以汽车车灯智能系统中主要有以下关键问题： 1）车灯自动开启并矫正精度问题。 2）系统的抗干扰能力。 3）车灯智能控制的散热问题。 本设计采用ATC89C52作为的MCU的控制中枢，该控制系统开发成本低、系统功耗低、信号处理能力强，性价比更为出色。系统以计算机技术为主并以其他手段作为辅助，使该系统能够实现精准控制并且系统的抗干扰能力强，使其更符合汽车未来智能化控制的发展趋势。 2.系统方案 本设计硬件电路分为系统控制部分、远光灯和近光灯光强检测部分、汽车环境光强检测并自动调光部分、时钟检测智能开启灯光部分、液晶显示远近光灯亮灭情况部分、自动按键自由控制部分六大部分。 系统采用AT89C52进行全局控制,汽车环境光强检测并自动调光部分采用光敏电阻与BTS629A所组成的外围电路来检测灯光与自动调光，无需单片机控制；远光灯和近光灯光强检测部分采用了光敏电阻与比较器根据“0”、“1”电平来判别远光灯和近光灯；时钟检测智能开启灯光部分采用了DS1307实时时钟芯片，使单片机能够实时根据规定白天和黑夜的两个时间段分别控制，实时操作；自动按键自由控制部分，具备人性化操作，无论在那个时间、那种情况，司机都可以自由的操作车灯；液晶显示部分则采用LCD1602来提醒司机当前车灯的情况。 3.功能指标 3.1.功能 系统通过AT89C52单片机进行全局控制，利用光敏电阻进行可靠的可见光光强检测，很好地实现了汽车的灯光亮度调节和远近光灯的转换，也可以通过键盘实现车灯的自动控制和手动控制的切换，同时灯也可以根据时间来开启和关闭，液晶显示当前灯的开启情况。 4.实现原理 4.1系统硬件主要组成部分 4.1.1系统控制模块 本模块采用了AT89C52便宜的51内核单片机，晶振为11.0592MHz，其中外围电路包括复位电路。STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核， 但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其具体特点如下: 1) 8K字节程序存储空间； 2) 512字节数据存储空间； 3) 内带4K字节EEPROM存储空间; 4) 可直接使用串口下载 AT89C52芯片的引脚图片如图1所示 图1 AT89C52引脚 4.1.2超声波测量距离模块 该系统中，使用的超声波测距模块是HC-SR04，这个测距模块可以测试的距离范围是2cm到400cm距离的非接触式距离感应测试5。HC-SR04测距模块的测距精度可高达3mm。 其工作原理是： 1) 该模块使用TRIG进行距离测试。 2) 这个超声波模块可以自己自动向前发送超声波信号，如果碰到障碍物还会自行接收反射回来的信号，并分析信号，最终通过一系列的计算得出车辆与障碍物之间的距离。 3) 如果在信号发射后始终没有超声波信号的返回，则该系统会自行检查是不是超声波系统出现了问题，在检测的时候会向驾驶员放出鸣响提示。如果超声波系统没有问题，则鸣响提示消失，驾驶员可以安心驾驶。如果自行检测后，发现超声波系统存在问题则系统会一直鸣响进行提示，建议驾驶员赶快进行维修处理。注：声音的传播速度为340m/s 4.1.3光感应模块 在夜晚行车时，当出现辆车迎面相遇的情况下，车辆偏离主轴位置后，照射角度会发生变化变化，照明亮度还会下降，探测环境光线较弱，所以远光传感器的选取着重的是其在微弱光线下的灵敏度和线性度，加之各种车灯的发射光谱均处于可见光范围，故本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。本系统的感光模块是由光敏电阻组成的。光敏电阻其实就是用具有半导体功能的光电传感器制作成的一种电阻。该器件随着入射光照强度弱，电阻阻值减小，入射光照强度高，电阻阻值就会相应的增大7。其电路图如图2所示。 图2 光感应模块和A/D转换模块电路 4.1.4液晶显示模块 1602显示器的主要工作原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。由于显示器上有字符间隔和行间隔的存在，所以1602是不能显示图形。这个1602显示器的含义是指显示器每一行能够显示出16个字符，能够显示两行。 其特性如下： 1）1602显示屏接+5V电压，对比度可调。 2）显示屏内含复位电路。 3）可以显示各种命令的控制。如：清屏操作等功能。 1602LCD显示屏有16个接口脚，这16个接口脚的功能如下： 第1接口：这个接口是负极。 第2接口：这个接口是正极。 第3接口：这个接口是液晶亮度调节的接口。在进行显示器调节的时候需要注意这个接口接的电源是正还是负，如果这个接口接的是正极则液晶的亮度对比是最小的。如果接的是负极则液晶的亮度对比是最大的。所以在这个模块中要加一个电阻进行电位调节，来使液晶的亮度对比达到理想的效果。 第4接口：该引脚是寄存器选择信号端。 第5接口：R/W为读/写信号线。 第6接口：这个引脚是是否使用屏幕的接口，下降沿触发。第714接口：这几个引脚是信息传输接口，来进行数据的传输。 第1516接口：空脚。其电路图如图3所示。 图3 LCD显示电路 4.1.5按键模块 该模块由3个简单的按键构成，其中一号按键是开启远光灯，二号按键是开启近光灯，三号按键是自由模块，由远近光灯检测模块来判断是开启远光灯还是近光灯。方便司机随时操作车灯。 这三个按键分别是S2、S3、S4并分别接在单片机的P3.5、P3.6、P3.7引脚。通过按键电路可以设置系统的距离和光线参数，从而找到是系统更符合日常使用的一种控制方式。其中，S2是参数减键，S3是参数加键，S4是参数选择键。 图4按键电路 4.1.6系统复位模块 在任何系统的设计过程中，都需要设计复位动作，以便是系统的设计更具有灵活性。所以在车灯智能控制系统中，也须对系统进行复位模块的设计。复位是单片机的初始化操作。MCU在上电启动时，一般都需要先进行复位动作。这个复位动作的作用是使MCU和其他芯片处于同一环境下，并从这个同一环境统一进行动作，这让系统有更高的精确性。所以复位是MCU的一个不可缺少的设计。由于MCU自身却不能自己进行复位的操作，所以必须设计相应的外部电路才能实现MCU的复位。RST是单片机复位动作的使能脚，该引脚出现高电平才能有效复位。所以本设计的单片机复位方式是手动进行复位，即按下复位键S1后，电容进行放电此时RST端为高电平；松开S1后，电容进行充电，然后慢慢的到RST引脚变为低电平。图5为复位模块电路图，其中复位线接单片机 图5 系统复位电路 5.硬件框图 本系统以单片机为基础，通过模拟出汽车行驶过程中的各个状态来实现灯光的显示并在LCD显示屏上显示出模拟信息。MCU根据传感器输入的信号进行处理判断，进而做出命令控制车灯的亮灭。同时，车辆在行驶前或者在行驶过程中，本系统通过检测车灯的供电线路的反馈电流来判断车灯是否处于故障状态。图6为本系统的工作原理图 远近光灯检测模块 CPU AT89C52 系统控制 自动调光模块 按键模块 液晶显示 远近光灯 时钟模块 图6 硬件组成方案 车灯的智能控制开关放在远光灯的控制器中，自远光灯开启时就自动启动了智能车灯自动控制系统。这个智能车灯控制系统当检测到对面的车开启灯光时并且灯光被光检测输入电路感应到，然后向MCU发送有效的高电平。此时MCU根据检测到的有效信号来开启调光控制输出电路这个模块，来将远光灯切换为近光灯。否则单片机继续检测输入信号。具体模拟显示如下： 1）车辆自动根据外界的实际情况来控制车灯的开启或关闭状态。比如：当车辆进入隧道、地下停车场等光照强度不够的环境下或在夜间行车时。由于会影响驾驶员的正常驾驶，所以这时车辆会自动打开前照灯。当车辆在白天等光照强度足够的环境下行车时，这时车辆会自动关闭前照灯。 2）在夜间行车时，此时前照灯会自动打开。系统可以根据前方障碍物的距离来自动切换前照灯的远近光状态。比如：在夜间会车时，系统自动将前照灯的照明状态切换成近光照明模式，会车结束后自动将前照灯恢复原来的光照状态。 6.软件流程 6.1系统软件流程图 汽车车灯的智能控制系统设计在汽车的日常使用行驶中起着主动安全的作用，基于这些安全问题的考虑，所以对车灯智能控制系统的研究是非常重要的。对于汽车驾驶者来说，一个智能的、可靠的车灯控制系统可以给驾驶者提供一个足够准确的路况信息，让驾驶者在夜间行驶时不用过度担心路面状况。即使在夜间行车时出现危险情况，也能够让驾驶者有充足的时间做出反应动作，使财产及人身安全的损害降到最低。并且汽车车灯智能控制系统的研究还可以为我国的汽车行业的发展提供强有力的技术支撑，在加快汽车行业发展方面有重大意义。系统流程图，如图7。 图7 系统流程图 6.2 PCB软件制图 在本系统设计中，需要在电脑上运用proteus软件进行PCB板的绘制，从而在模拟各个模块在PCB板上的布局规划，最终以PCB图为标准进行实物的焊接制作。图8为本系统的PCB规划图。 图8 系统PCB图 6.3系统调试 1）各元器件的使用。比如：各个元器件的物理接线口是否连接正确。 2）软件程序的检查。检查各个模块的电路图是否正确无误、检查原理图是否出现错误、检测流程图是否正确、最后利用Keil软件来检查程序是否正确。 3）运行调试。在检查哥哥模块都没有问题后，然后把程序输入到实物中进行电调试。 7.系统测试方案 系统分为远光灯和近光灯光强检测部分、汽车环境光强检测并自动调光部分、时钟检测智能开启灯光部分、液晶显示远近光灯亮灭情况部分、主动按键自由控制部分。首先是进行单个模块的测试，然后再将所有的模块结合软件一起测试。由于本系统的时钟模块和液晶模块，平常接触较多，相对比较熟悉，所以就只测试了远光灯和近光灯光强检测部分和汽车环境光强检测并自动调光部分。 测试设备：示波器，万用表、稳压直流电源、手电筒、电脑和编程器 测试数据： 测试分析： 由调试的数据可以知道，车灯根据外界环境的变化，当在晚上的时间里，单片机会根据车的状态自动开灯，在外界光强暗时，车灯功率大，当外界功光强强时，车灯功率小，此时达到一个节能的效果。 实现功能： 晚上汽车会车时，根据系统远光灯和近光灯光强检测部分检测对面汽车远近光的开启情况，来自动切换自己车灯的远近光灯，以此减少交通事故。同时汽车还会根据汽车环境光强检测并自动调光部分检测到的环境光强来调节自身车灯的光强，以大到节能的目的。 特色：通过远近光灯的切换，可以减少司机由于光照过强，而引起的交通事故，达到 了安全的效果。汽车环境光强检测并自动调光部分可以自动调节汽车的灯的亮度，减少了汽车的灯泡的功率消耗，从而实现了节能，环保的理念。 8.附录 8.1含源代码和程序清单 #include reg51.h #include intrins.h /*定义LCD1602控制字*/ #define LCD_SYS_MODE 0X38 /8位数据总线,2行显示,5*7点阵 #define LCD_NO_FLASH 0X0c /开显示,光标不显示,光标不闪烁 #define LCD_SH 0X14 /光标左移 #define LCD_NO_SHIFT 0X06 /AC加1,光标移动,内容不移动 #define LCD_CLEAR_SCREEN 0X01 /清屏 #define LCD_GO_HOME 0X02 /AC=0，光标，画面回HPME /输入方式设置 #define LCD_AC_AUTO_INCREASEMENT 0X06 /数据读写操作后，AC自动增一 #define LCD_AC_AUTO_DECREASEMENT 0x04 / 减一 #define LCD_MOVE_ENABLE 0X05 /数据读写操作后，画面平移 #define LCD_MOVE_DISABLE 0X04 / 不动 /设置显示，光标及闪烁开关 #define LCD_DISPLAY_ON 0X0C /显示开 #define LCD_DISPLAY_OFF 0X08 /显示关 #define LCD_CURSOR_ON 0X0A /光标显示 #define LCD_CURSOR_OFF 0X08 /光标不显示 #define LCD_CURSOR_BLINK_ON 0X09 /光标闪烁 #define LCD_CURSOR_BLINK_OFF 0XO8 /光标不闪烁 /光标，画面移动，不影响DDRAM #define LCD_LEFT_MOVE 0X18 /LCD显示左移一位 #define LCD_RIGHT_MOVE 0X1C /LCD显示右移一位 #define LCD_CURSOR_LEFT_MOVE 0X10 /光标左移一位 #define LCD_CURSOR_RIGHT_MOVE 0X14 / 右 /工作方式设置 #define LCD_DISPLAY_DOUBLE_LINE 0x38 /两行显示 #define LCD_DISPLAY_SIGLE_LINE 0X30 /一行显示 /*LCD1602地址相关*/ #define LINE1_HEAD 0x80 / 第一行DDRAM起始地址 #define LINE2_HEAD 0xc0 / 第二行DDRAM起始地址 #define LINE1 0 /第一行 #define LINE2 1 /第二行 #define LINE_LENGTH 16 /每行的最大字符长度 /*LCD1602接线引脚定义* *可根据实际电路改变*/ #define LCDIO P0 /定义P2口与LCD1602的数据口相接 sbit LCD_RS=P2; sbit LCD_RW=P2; sbit LCD_EN=P2; sbit P3_2=P3; sbit P1_2=P1; sbit P1_3=P1; sbit P2_2=P2; sbit P1_4=P1; sbit P2_3=P2; /*另外相关的定义*/ #define DELAYTIME 100 / #define HIGH 1 #define LOW 0 #define TURE 1 #define FALSE 0 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /*以下是函数的申明部分*/ void LCD_init(void); /LCD1602初始化 void LCD_send_command(uchar command); / void LCD_send_data(uchar dat); void LCD_write_string(uchar x,uchar y,char *Data); void LCD_delay(void); void LCD_write_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat); void LCD_set_position(unsigned char x); void Display1(void); /*结束*/ /*DS1307开始*/ #define Wait1us _nop_; #define Wait2us _nop_;_nop_; #define Wait4us Wait2us;Wait2us; #define Wait8us Wait4us;Wait4us; #define Wait10us Wait8us;Wait2us; #define WRITEDS1307 0xD0 #define READDS1307 0xD1 sbit SDA=P2; /DS1307 Serial-Data Input pin 5 sbit SCL=P2