安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院　朱　騫　李改有

?

一種智能的汽車前照燈系統(tǒng)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院朱騫李改有

LED（發(fā)光二級管，Light-Emitting Diodes）前照燈是新能源汽車中的重要元件，關(guān)系到汽車的行駛安全。本文針對傳統(tǒng)前照燈的照明盲點(diǎn)，研究了一種智能的LED汽車前照燈系統(tǒng)。STM32單片機(jī)接收環(huán)境光采集模塊傳送來的信號，將方向盤轉(zhuǎn)角、車速、雨水、車身傾斜角等信號，通過CAN總線傳回STM32單片機(jī)，單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行處理，對當(dāng)時的車外環(huán)境以及車本身的情況進(jìn)行判斷，再由單片機(jī)把執(zhí)行信號經(jīng)CAN總線傳給各個執(zhí)行單元，來達(dá)到對車燈的亮度和角度的改變。本文重點(diǎn)研究前照燈的硬件電路部分和軟件部分。

LED前照燈；CAN總線；STM32單片機(jī)；硬件電路；軟件

0　引言

隨著智能、節(jié)能汽車的發(fā)展，以及道路行駛安全性的經(jīng)深入人心，對汽車前照燈的智能化要求也越來越高［1-2］。經(jīng)過這么多年的的發(fā)展，汽車前照燈系統(tǒng)有了很大的進(jìn)步。前照燈主要是由遠(yuǎn)光燈和近光燈構(gòu)成，對于近光燈的設(shè)計更為重要，近光燈的照射距離一般為30-40m，在車遇上路面不平或轉(zhuǎn)彎或橋梁或窄路或交叉路口等復(fù)雜情況時應(yīng)減速慢行，這時候就應(yīng)該開啟近光燈，普通近光燈對于道路情況和外界環(huán)境沒有采集信息和判斷，所以近光燈的照射范圍會出現(xiàn)盲區(qū)，容易導(dǎo)致一些意外的事件發(fā)生，也無法保證安全制動距離，降低了汽車的安全性能［3-6］。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計的汽車前照燈系統(tǒng)包括STM32單片機(jī)控制模塊、CAN總線通訊模塊、LED驅(qū)動模塊、外部環(huán)境光采集模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路五個模塊組成。

圖1 整體系統(tǒng)方框圖

圖1所示是整體系統(tǒng)方框圖，如圖所示，上位機(jī)通過控制MCU單片機(jī)采集傳感器的信息，經(jīng)過CAN總線模塊將傳感器的信息傳遞到MCU，再由MCU進(jìn)行分析，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)前照燈的角度，使之達(dá)到最優(yōu)的照明效果。

2　硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包括MCU單片機(jī)的基本工作電路、CAN總線模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、LED驅(qū)動電路四個部分。

圖2所示是系統(tǒng)主要硬件原理圖，如圖所示，本系統(tǒng)MCU主控芯片采用的是STM32F103ZET6芯片［7］，具有16路PWM輸出，且含有多路AD檢測接口，精度和數(shù)量都能夠滿足對多個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以及對多個傳感器的檢測。

驅(qū)動IC電路產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，本文選用安森美公司AMIS-30522作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動IC，分別用來驅(qū)動水平調(diào)整電機(jī)以及俯仰角度調(diào)整電機(jī)。

LED驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片選取凌特公司生產(chǎn)的LT3474。它是一種降壓型LED驅(qū)動器，適合驅(qū)動大電流LED，并且對PWM調(diào)光的響應(yīng)非?？臁１驹O(shè)計用一個LT3474驅(qū)動一組LED。

圖2　系統(tǒng)主要硬件原理圖

CAN總線模塊采用芯片TJA1050作為總線接口，這款芯片是Philips半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，是CAN控制器和物理總線之間的接口。它主要應(yīng)用在車載高速通信上，速度可達(dá)1Mbit/s。在引腳和功能上，TJA1050是PCA82C250/251高速CAN收發(fā)器的后繼產(chǎn)品。并且它們的引腳相互兼容。TJA1050有非常好的電磁兼容（EMC）性能，且在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能，提供低功耗管理、支持遠(yuǎn)程喚醒。

3　傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

圖3所示是傳感器的連接拓?fù)鋱D，如圖所示，傳感器主要包括紅外測距傳感器、環(huán)境光采集傳感器、左右輪速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)向傳感器、車身高度傳感器等。

紅外測距傳感器主要適用于測出車前端與障礙物的距離，利用這個數(shù)據(jù)來切換近光燈和遠(yuǎn)光燈，達(dá)到自動切換功能，減少人為的操作的失誤。環(huán)境光采集傳感器主要是采集周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，把采集的數(shù)據(jù)傳到MCU進(jìn)行分析，并控制LED驅(qū)動來改變燈光的強(qiáng)弱。左右輪速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)向傳感器、車身高度傳感器這三個傳感器主要是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)來判斷車子在轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向和車身的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)前照燈的方向。

部分傳感器通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳到MCU，能夠快速的獲得數(shù)據(jù)信息并及時處理，提高了效率。

圖3　傳感器連接拓?fù)鋱D

4　步進(jìn)電機(jī)的控制

圖4是電機(jī)驅(qū)動原理框圖，如圖所示，車燈是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的。在垂直于車燈水平照射方向的平面上，是水平和垂直移動方式，能夠更好的滿足車燈所需的角度，并且燈光的利用率更高。

步進(jìn)電機(jī)的工作原理：傳感器采集的汽車位置和轉(zhuǎn)向，通過MCU的分析，調(diào)節(jié)車燈的角度，若車燈的角度只有水平方向或垂直方向上能夠調(diào)節(jié)，則會限制車燈的轉(zhuǎn)動角度，有些地方就會出現(xiàn)盲區(qū)，采用水平和垂直方向驅(qū)動的結(jié)合，減小盲區(qū)，提高前照燈的有效照射范圍。

圖4　電機(jī)驅(qū)動原理框圖

5　軟件設(shè)計

圖5是前照燈系統(tǒng)執(zhí)行流程框圖，如圖所示，具體的執(zhí)行原理如下：汽車在行駛時，打開前照燈，采集汽車本身及其周圍環(huán)境信息，首先對汽車前方障礙物進(jìn)行判斷，若前方40m以內(nèi)有障礙物，則只需打開近光燈，若前方40m以內(nèi)無障礙物，則打開遠(yuǎn)光燈；下一步是對采集的環(huán)境光照度與設(shè)定的光照度等級進(jìn)行對比，確定車燈所需的最低光照度，通過LED功率驅(qū)動來調(diào)節(jié)車燈的亮度；下一步是通過分析汽車的高度、速度和轉(zhuǎn)向來判斷路況和轉(zhuǎn)向信息，進(jìn)行計算，得出步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，準(zhǔn)確地將車燈調(diào)到對應(yīng)的角度，使車燈的角度適合當(dāng)時的路況，減小行駛時的道路盲區(qū)，避免交通事故的發(fā)生。

圖5　前照燈系統(tǒng)執(zhí)行流程框圖

6　結(jié)束語

本文提出了一種智能的汽車前照燈系統(tǒng)設(shè)計方案，能夠滿足不同道路環(huán)境下的照明要求，減少了汽車行駛中的道路盲區(qū)，經(jīng)過多次的測試和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對燈光的利用率有很大的提高。但是由于很多工作在實(shí)驗(yàn)室中完成，沒有進(jìn)行整體性的實(shí)驗(yàn)，所以無法獲得一些比較準(zhǔn)確和真實(shí)的數(shù)據(jù)，因此需要在真實(shí)環(huán)境下，將整個系統(tǒng)安裝在汽內(nèi)進(jìn)行測試，來進(jìn)一步的完善該系統(tǒng)。

［1］卜偉理.自適應(yīng)前照明系統(tǒng)（AFS）簡介及發(fā)展趨勢［J］.光源與照明，2009（2）:22-24.

［2］束華明，高明煜，王園園.基于單片機(jī)控制的汽車前照燈自適應(yīng)系統(tǒng)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2008（S2）:318-320.

［3］吳仍茂，屠大維，黃志華等.一種LED汽車前照近光燈配光設(shè)計方案［J］.光子學(xué)報，2009，38（11）:2904-2908.

［4］黃仁忠.汽車自適應(yīng)照明系統(tǒng)開發(fā)［D］.大連理工大學(xué)，2009:25-38.

［5］肖紅，王洪配.基于單片機(jī)控制的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2011，8（上）:125-129.

［6］衛(wèi)修明，張曉玲.隨動轉(zhuǎn)向汽車前大燈定位控制研究［J］.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報，2009，24（4）:23-27.

［7］意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司.STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊［S］.V10_1，2010.

朱騫，男，安徽阜陽人，碩士研究生，講師，主要從事LED光學(xué)設(shè)計與汽車前照燈研究。

The system of intelligent vehicle front lamps

ZHU Qian，LI Gaiyou
（Department of physics，Anhui Normal University，Wuhu 241000，Anhui，China）

LED（Light-Emitting Diodes）lighting is an important component in the new energy vehicles，which is related to the driving safety of the automobile.Aiming at the Lighting blindness of the traditional headlight，this paper studies the Intelligent LED automobile headlight system.STM32 MCU receiving environment light acquisition module is transmitted to the signal，the steering wheel angle and vehicle speed，rain，body tilt angle signal，through the CAN bus returned STM32 microcontroller，microcontroller on the received signal processing，to judge when the environment outside the car and the car itself，and then by the MCU to perform signal via the CAN bus transmission to each execution unit，to reach the lamp brightness and angle change.This paper focuses on the hardware circuit and software of the headlight.

LED headlight；CAN bus；STM32 microcontroller；hardware；software

2014年度安徽師范大學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目。