王楠，蘆錦煥，黃秋霞

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江臺(tái)州318000）

基于加速度的汽車(chē)剎車(chē)燈控制器設(shè)計(jì)

王楠，蘆錦煥，黃秋霞

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江臺(tái)州318000）

為了使汽車(chē)剎車(chē)燈給后車(chē)提供剎車(chē)深度的信息，根據(jù)最新實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選裝緊急制動(dòng)指示裝置要求，采用單片機(jī)+加速度傳感器的模式，設(shè)計(jì)了一種基于減速程度的剎車(chē)燈控制器。將減速度分為緊急剎車(chē)，中度剎車(chē)和輕度剎車(chē)3種狀態(tài)，并給出不同頻率的閃爍燈光，提醒后車(chē)注意。控制器直接串接于原車(chē)剎車(chē)燈的驅(qū)動(dòng)線中，安裝方便、可靠，它對(duì)避免汽車(chē)被追尾有較大的實(shí)用價(jià)值。

汽車(chē)安全；剎車(chē)燈；加速度；閃爍

在我國(guó)高速公路事故中，追尾碰撞數(shù)據(jù)約占了三分之一，在德國(guó)約占17%，美國(guó)占到了31%［1］。在國(guó)內(nèi)，隨著汽車(chē)保有量的大幅提升，新手越來(lái)越多，追尾事故更是層出不窮。追尾的原因，一方面是新手對(duì)制動(dòng)距離把控不準(zhǔn)，另一方面，由于制動(dòng)燈信號(hào)沒(méi)有區(qū)別，后車(chē)誤把前車(chē)的急剎車(chē)當(dāng)成普通減速而沒(méi)有及時(shí)采取“同步剎車(chē)”［2-4］。所以前車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)通過(guò)某種方式及時(shí)提醒后車(chē)駕駛員，為后車(chē)提供更多的減速剎車(chē)時(shí)間將有效減少事故的發(fā)生。研究表明，使用閃爍燈光與傳統(tǒng)制動(dòng)燈相比，司機(jī)的反應(yīng)能夠縮短0.2秒。在80 km/h的速度下，制動(dòng)距離能縮短約4.4m，100 km/h時(shí)可縮短5.5m。這4～5m的距離，不僅能有效預(yù)防追尾事故的發(fā)生，讓交通更加順暢，還減少了許多不必要的損失。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2014年底汽車(chē)保有量達(dá)1.54億輛，其中私家車(chē)達(dá)1.05億輛，比2013年增加19.89%，接下去幾年的產(chǎn)銷(xiāo)量總體上會(huì)保持目前的趨勢(shì)。國(guó)家工信部裝備工業(yè)司副司長(zhǎng)王富昌預(yù)測(cè)，到2020年，全國(guó)汽車(chē)保有量將超過(guò)2億輛。然而市場(chǎng)上配備了緊急制動(dòng)信號(hào)識(shí)別裝置的車(chē)輛還比較少，因此研發(fā)推廣此控制器有廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1　設(shè)計(jì)方案

剎車(chē)燈控制能夠在司機(jī)踩下剎車(chē)后實(shí)時(shí)判斷車(chē)輛減速程度，當(dāng)減速度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，控制器驅(qū)動(dòng)LED剎車(chē)燈以快速、中速或者長(zhǎng)亮方式點(diǎn)亮，從而及時(shí)提醒后車(chē)司機(jī)采取相應(yīng)措施。雖然這樣的技術(shù)要求可以通過(guò)修改汽車(chē)電子集成系統(tǒng)（ECU）來(lái)實(shí)現(xiàn)，但人們對(duì)汽車(chē)電子的可靠性和安全性要求非常高，ECU系統(tǒng)更是要求百分之一百的可靠，所以汽車(chē)ECU廠家在設(shè)計(jì)中寧愿舍棄一些創(chuàng)新功能而不會(huì)輕易改版，在汽車(chē)改裝中，技術(shù)人員更是不會(huì)觸及ECU系統(tǒng)。為此，本汽車(chē)智能剎車(chē)燈設(shè)計(jì)完全脫開(kāi)原車(chē)ECU系統(tǒng)，從安裝方便，安全可靠的角度出發(fā)，減速程度信號(hào)由安裝于控制器內(nèi)的加速度傳感器獲得，剎車(chē)信號(hào)來(lái)自于原車(chē)的剎車(chē)燈電源線?？刂破鬟B接示意圖如圖1。

圖1　控制器連接示意圖

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中特別注意的地方有：1）經(jīng)過(guò)改裝的剎車(chē)燈首次點(diǎn)亮不能比改裝前有延遲；2）控制器輸出電阻要盡量小，即不能明顯影響原剎車(chē)燈的亮度；3）汽車(chē)電源（剎車(chē)燈電源）電壓波動(dòng)較大，還會(huì)有高頻脈沖干擾，控制器要有較好的EMC性能［5］。

2　硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，控制器串接于原剎車(chē)燈電源線路中，控制器的電源來(lái)自原車(chē)剎車(chē)燈的電源，只有當(dāng)剎車(chē)踩下時(shí)，剎車(chē)燈得電，控制器隨之工作，控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2［6］。

圖2　控制器結(jié)構(gòu)框圖

微控制器選用美國(guó)MICROCHIP（微星）公司系列單片機(jī)PIC12F1822，微星單片機(jī)是全球穩(wěn)定性、抗干擾性最好的單片機(jī)之一，雖然價(jià)格偏高，但用在汽車(chē)電子上還是首選。PIC12F1822采用最新nanoWatt XLP技術(shù)生產(chǎn)的超低功耗小型單片機(jī)，SOP8封裝，在1.8V工作電壓時(shí)待機(jī)電流低至20 nA，它內(nèi)部帶有可編程的精確振蕩器，PWM模塊和IIC通信模塊。

加速度傳感器選用美國(guó)ANALOG公司生產(chǎn)的ADXL345，該傳感器是一款小而薄的超低功耗高分辨率3軸加速度計(jì)，測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)IIC方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，傳感器與單片機(jī)的連接方式如圖3所示。

控制器串接于原車(chē)的剎車(chē)燈電源線上，一旦剎車(chē)燈電源線得電，剎車(chē)燈馬上亮起，不能有延遲。因此，在設(shè)計(jì)輸出的控制電路中，要考慮單片機(jī)在上電瞬間，未進(jìn)行初始化前，剎車(chē)燈要處于亮的狀態(tài)。具體電路如圖4。RA5為PIC單片機(jī)的輸出引腳，該引腳在復(fù)位階段和初始化前為輸入狀態(tài)，即高阻狀態(tài)，對(duì)電路不產(chǎn)生影響，此時(shí)，NMOS管控制腳為高電平，MOS管導(dǎo)通，剎車(chē)燈點(diǎn)亮，首次點(diǎn)亮速度無(wú)任何延時(shí)。NMOS管選用LR7843，該MOS管平均電流達(dá)11 A，導(dǎo)通電阻3.3mΩ，對(duì)剎車(chē)燈的亮度無(wú)影響。

圖3ADXL345與單片機(jī)的連接圖

圖4　剎車(chē)燈輸出控制圖

單片機(jī)PIC12F1822的工作電壓為1.8～5.5V，加速度傳感器ADXL345為2.0～3.6V，為了匹配兩個(gè)器件的工作電壓，控制電路電源經(jīng)過(guò)多級(jí)保護(hù)后使用AMS1117作為穩(wěn)壓器件，輸出電壓固定為3.3V。具體電路如圖5所示。

圖5　電源變換電路

控制器可以單獨(dú)控制高位剎車(chē)燈，也可以稍加改造，控制所有的剎車(chē)燈，同時(shí)還可以引入車(chē)速信號(hào)，使之完全符合《汽車(chē)及掛車(chē)外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定》的要求。

3　軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程采用MPLAB軟件，可使用C語(yǔ)言編譯器，程序主流程圖見(jiàn)圖6。初始化過(guò)程主要是設(shè)置端口以及I2C模塊等。讀取加速度值是單片機(jī)與加速度ADXL345按照I2C通訊協(xié)議獲取3軸加速度值，需要注意的是受到車(chē)輛振動(dòng)，控制器安裝角度等因素影響，加速度可能在X、Y、Z 3個(gè)方向均會(huì)出現(xiàn)偏離值，在判斷時(shí)需要進(jìn)行修正。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況，當(dāng)減速度達(dá)到6m/s2及以上時(shí)，認(rèn)為是緊急制動(dòng)，4m/s2至6m/s2為中度剎車(chē)，4m/s2以下為輕度剎車(chē)。緊急制動(dòng)時(shí)高位剎車(chē)燈以4 Hz頻率閃爍，中度剎車(chē)時(shí)2.5 Hz閃爍，輕度剎車(chē)時(shí)燈常亮，與傳統(tǒng)剎車(chē)燈模式相同。當(dāng)車(chē)輛踩住剎車(chē)靜止10s以上，高位剎車(chē)燈仿照“呼吸燈”模式輸出頻率約為1 Hz的漸明漸暗燈光，如車(chē)輛處于等待紅綠燈狀態(tài)時(shí)，對(duì)后車(chē)司機(jī)情緒有一定舒緩作用。

4　生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

汽車(chē)環(huán)境相對(duì)惡劣，經(jīng)常處于高低溫、潮濕、灰塵等環(huán)境，控制器使用鋁外殼，鋁殼由電路板外殼專(zhuān)用型材切割而成，型材內(nèi)有卡槽，電路板可直接卡入鋁型材卡槽。電路板上所有器件采用貼片封裝，使用全自動(dòng)貼片機(jī)可以一次性貼裝到位，焊接后的電路板經(jīng)過(guò)高溫老化后進(jìn)行檢驗(yàn)，模擬高速減速方式比較困難，在實(shí)際檢驗(yàn)中，只需通電10s后，觀察是否有“呼吸燈”輸出即可。由于ADXL345元件采用14腳基板柵格陣列封裝（CC-14-1），引腳在元件底部且間距只有0.25 mm，受到加工工藝影響，部分電路板會(huì)有虛焊或元件偏移的問(wèn)題，此類(lèi)電路板通常用熱風(fēng)槍將ADXL345擺正重新焊接即可。為了增強(qiáng)防水性和散熱性，電路板安裝到鋁殼后，用硅膠灌封。為了安裝方便，鋁外殼貼上3M雙面膠，用戶只需將原車(chē)的高位剎車(chē)燈電源線斷開(kāi)，串入控制器，并將控制器水平粘貼在汽車(chē)內(nèi)即可。

圖6　主流程圖

5　結(jié)論

文中根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一款由單片機(jī)和加速度傳感器為核心的剎車(chē)燈控制器，給出了具體的電路圖和軟件設(shè)計(jì)主流程圖，對(duì)設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述。安裝該剎車(chē)燈控制器后，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)剎車(chē)燈會(huì)自動(dòng)快速閃爍，使后車(chē)駕駛員很容易區(qū)分普通剎車(chē)和緊急剎車(chē)，并采取相應(yīng)的避讓措施，從而最大限度地降低追尾事故的發(fā)生。

［1］韓天龍.汽車(chē)智能化防追尾碰撞系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012（3）:146-147，150.

［2］盧珞先，吳恒.基于ATmega8L的智能LED緊急剎車(chē)燈的設(shè)計(jì)［J］.國(guó)外電子元器件，2008（4）:69-71.

［3］袁剛強(qiáng)，鄧世建，吳玉康.基于AVR的新型防汽車(chē)追尾安全裝置設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009（10）:61-62，65.

［4］陳鑫，龔曉峰，楊斌，等.一種三級(jí)智能預(yù)警剎車(chē)控制及其顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012（11）:3054-3056.

［5］何宇虹.LED車(chē)燈電磁騷擾驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及整改探討［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（26）:32-33.

［6］王楠.一種車(chē)輛緊急制動(dòng)信號(hào)燈:中國(guó)，2014207590876［P］.2015-05-06.

Design of the vehicle brake light controller based on acceleration

WANG Nan，LU Jin-huan，HUANG Qiu-xia
（Taizhou Vocational&Technical College，Taizhou 318000，China）

In order to provide brake depth to the rear vehicles，according to the requirement of national standards for emergency braking device which implemented latest，we design a brake light controller based on the vehicle deceleration degree using the MCU+acceleration sensor model which classifies the speed into three statuses-emergency braking，medium braking and light braking，and it gives different frequencies of flashing lights to alert the rear vehicles.The controller connect to the original car driving line of brake lights directly，it's reliable，easy to install，and it creates significant and practical values on avoiding rear-end collision.

vehicle safety；brake light；acceleration；flashing

TN98

A

1674－6236（2016）17-0171-02

2015-08-29稿件編號(hào)：201508166

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014R460002）；臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2013DKC02）

王楠（1983—），女，浙江臺(tái)州人，碩士，講師。研究方向：嵌入式控制。