德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 趙寒 朱恒偉

汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 趙寒 朱恒偉

智能LED前照燈照明系統(tǒng)的出現(xiàn)，推動(dòng)了我國汽車照明系統(tǒng)的發(fā)展，在設(shè)計(jì)過程中，主要是通過不同部位的傳感器積極對(duì)路況信號(hào)進(jìn)行采集，通過分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車燈開關(guān)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)車燈的智能左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。文章主要針對(duì)汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，明確了各個(gè)部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

ATC89C51CC01單片機(jī)；前照燈；傳感器；42BYG015步進(jìn)電機(jī)；模糊控制規(guī)則

傳統(tǒng)的車燈在應(yīng)用過程中，基本上都是通過手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，車燈亮度調(diào)節(jié)種類較為單一，照明視線的距離較短，并且不能跟隨車外環(huán)境的變化對(duì)車燈的亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)彎過程中容易出現(xiàn)盲區(qū)，嚴(yán)重影響了駕駛員的自身安全。智能LED前照燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效緩解上述問題，實(shí)現(xiàn)車燈控制系統(tǒng)的智能化，保證了駕駛員的安全。

1 汽車LED組合燈控制系統(tǒng)分析

1.1 LED組合燈控制系統(tǒng)的工作原理分析

LED組合燈控制系統(tǒng)在工作過程中，主要采用的是自身存在控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線接口的單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)車燈的傳感器接入電路、各個(gè)部分開關(guān)量接入電路、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、步進(jìn)電機(jī)以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)故障報(bào)警電路裝置、整個(gè)系統(tǒng)的電源等部分控制，同時(shí)，上述內(nèi)容也是整個(gè)系統(tǒng)的外圍硬件電路?？刂葡到y(tǒng)能夠利用收發(fā)器與車輛控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的交互控制，具體的工作流如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

1.2 系統(tǒng)的基本功能分析

此系統(tǒng)主要通過對(duì)汽車前照燈的開關(guān)進(jìn)行智能控制，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車遠(yuǎn)近光等的自動(dòng)調(diào)整，前照燈能夠隨著汽車轉(zhuǎn)彎而變化，可以實(shí)現(xiàn)延遲關(guān)閉、故障報(bào)警以及車輛中控交互等功能。

2 LED智能車燈系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器在設(shè)計(jì)過程中選擇使用內(nèi)部集成CAN控制器的ATC89C51CC01單片機(jī)，此單片機(jī)自身帶有CAN控制器，并且內(nèi)部可以提供32K字節(jié)的Flash Memory、2K字節(jié)的Bootloader、2K字節(jié)的EEPROM以及1.2K字節(jié)的RAM。主控制器的內(nèi)部還自帶10位A/D轉(zhuǎn)換以及PWM發(fā)生器的其他功能，并且擁有34個(gè)輸入以及輸出的（I/O）管腳，最大化的時(shí)鐘頻率維持在40MHz。

2.2 傳感器的設(shè)計(jì)分析

2.2.1 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

圖2 光敏傳感器的信號(hào)處理調(diào)節(jié)電路

光敏傳感器的信號(hào)處理調(diào)節(jié)電路如圖2所示，通過對(duì)放大器LM324以及比較器LM339的利用能夠及時(shí)地對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和比較。在比較工作完成后，可以通過對(duì)單片機(jī)I/O接口P1. 0以及P1.1的利用，將電信號(hào)接收到單片機(jī)中對(duì)其進(jìn)行分析處理。對(duì)調(diào)節(jié)電位器Rf的阻值及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)端門限電壓的設(shè)置，并且在電壓比較器中融入一些正反饋，從而構(gòu)成滯回比較器，能夠有效地提高比較器的抗干擾能力，從而避免電壓在輸出過程中或者閾值點(diǎn)出現(xiàn)的反復(fù)跳變。

2.2.2 車速檢測(cè)模塊

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，采用霍爾車速傳感器，霍爾車速傳感器安裝于汽車變速軸輸出軸上方，并且在頂端還要靠近存在齒輪的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中，線圈上產(chǎn)生一定的交流信號(hào)，霍爾車速傳感器能夠?qū)⒔涣餍盘?hào)及時(shí)地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后再將電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，最后通過相應(yīng)的計(jì)算，獲得周期內(nèi)部所積累的脈沖數(shù)，通過對(duì)下面公式的利用，能夠計(jì)算出車輛的速度。

在上述公式中，N表示在固定時(shí)間內(nèi)傳感器所形成的脈沖數(shù)；R表示車輪半徑；T表示脈沖的采樣周期；Z表示信號(hào)齒輪的齒數(shù)；i表示主傳動(dòng)比。

2.2.3 方向盤轉(zhuǎn)角檢測(cè)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，通過光電編碼器的應(yīng)用原理可知，如果方向盤的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生變化，光電編碼器就會(huì)產(chǎn)生和角度值呈現(xiàn)正比的A、B兩不同的數(shù)字脈沖，兩者之間的相位差為90°，方向盤正轉(zhuǎn)，A超過B90°，反之則，B超過A90°。設(shè)計(jì)工作人員通過對(duì)脈沖數(shù)值的計(jì)算，就能夠獲取方向盤轉(zhuǎn)角的數(shù)值。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用光電編碼器ZSP3806，其分辨率為360個(gè)脈沖圈，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行確定以后才能開始計(jì)數(shù)。

2.2.4 電流檢測(cè)工作模塊設(shè)計(jì)

此模塊工作人員在設(shè)計(jì)過程中，主要采用ACS712系列霍爾元件電流傳感器作為核心部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力電流變化的測(cè)量，該器件為5V單電源操作，其輸出的靈敏度為185mV/A，能夠?qū)Α?A的電流進(jìn)行測(cè)量。還能夠輸出和檢測(cè)電流呈現(xiàn)正比例的電壓。傳感器在運(yùn)行過程中電流的變化主要通過P0.0接口將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中，然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)分析判斷，如果線路電流出現(xiàn)的波動(dòng)大于等于±10%時(shí)，則單片機(jī)P2.7的輸出高電平，蜂鳴器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)和車門檢測(cè)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)I/O接口的檢測(cè)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和車門的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。在圖3中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和車門狀態(tài)都是開關(guān)量，都是采用RC濾波器以及PC827光電隔離后，通過I/O接口P3.0以及P3.1直接輸入到單片機(jī)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和車門狀態(tài)檢測(cè)電路

2.4 繼電器設(shè)計(jì)

繼電器主要是對(duì)汽車前照燈的開關(guān)以及遠(yuǎn)近光燈的自動(dòng)切換進(jìn)行控制。光電耦合器和三極管主要是對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行隔離、放大，從而保證繼電器的正常運(yùn)行。另外，在設(shè)計(jì)過程中，還會(huì)在系統(tǒng)中并入一個(gè)續(xù)流二極管，以有效地防止繼電器在釋放過程中線圈兩端產(chǎn)生大量的反向感應(yīng)，能夠?qū)θ龢O管進(jìn)行有效的保護(hù)。設(shè)計(jì)環(huán)境是在晚上讓前照燈的遠(yuǎn)光電路持續(xù)運(yùn)行，在會(huì)車時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)近光進(jìn)行切換，會(huì)車結(jié)束以后，遠(yuǎn)光燈繼續(xù)工作。

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

所謂的步進(jìn)電機(jī)主要是將電脈沖信號(hào)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要采用四相六線混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的具體型號(hào)為42BYG015，步距角為0.9°或者1.8°，系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)在控制工作開展過程中，主要采用雙四拍的方式進(jìn)行控制，在接通電源的順序?yàn)锳B→BC→CD→DA→AB時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向?yàn)檎较?。接通電源的順序?yàn)锽A→AD→DC→CB→BA時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向?yàn)榉捶较颉４讼到y(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的控制器為步進(jìn)電機(jī)專業(yè)的控制器，其型號(hào)為L(zhǎng)297和雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，還能保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

2.6 CAN控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，通過單片機(jī)CAN總線接口和CAN收發(fā)器能夠有效實(shí)現(xiàn)車輛中控交互功能，CAN總線在信號(hào)輸出過程中，最大的傳輸率1M/s，收發(fā)器選擇采用CTM8251T，能夠有效地將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)化為CAN總線的差分電平，同時(shí)還能及時(shí)地對(duì)2500V直流電壓有效隔離。

2.7 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

汽車在運(yùn)行中使用的蓄電池輸出電壓為+12V，電源通過三端穩(wěn)壓管LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓，在穩(wěn)壓工作以后，電壓維持在+5V，能夠保證單片機(jī)控制電路的正常使用。

3 LED智能車燈系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員對(duì)該功能C語言進(jìn)行程序編寫，程序全部實(shí)現(xiàn)模塊化，因此，依據(jù)系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能可以將其分為：核心程序模塊、前照燈自動(dòng)開關(guān)自動(dòng)控制模塊、會(huì)車智能變光子模塊、前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)子程序模塊等。整個(gè)系統(tǒng)在接通電源初始化過程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)系統(tǒng)中所用到的各個(gè)變量進(jìn)行定義，并且還要及時(shí)地將系統(tǒng)的內(nèi)存進(jìn)行清除，設(shè)置相應(yīng)的計(jì)數(shù)器初始值。系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠積極地對(duì)各個(gè)程序進(jìn)行有效的掃描以及監(jiān)測(cè)，保證系統(tǒng)各個(gè)模塊功能都能實(shí)現(xiàn)，電流傳感器在電流檢測(cè)過程中，如果電流的變化值≤10%，此時(shí)將汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，前照燈開關(guān)控制子程序模塊、會(huì)車智能變光子模塊、前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)子程序模塊就能夠正常運(yùn)行。如果汽車在夜間，并且發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止運(yùn)行，汽車的車門打開，前照燈延遲關(guān)閉子程序模塊就能夠正常運(yùn)行，將汽車的延時(shí)照明功能打開，10s以后，延遲結(jié)束自動(dòng)關(guān)閉，前照燈關(guān)閉，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

4 總結(jié)

綜上所述，積極對(duì)LED前照燈智能控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要意義，打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的弊端，實(shí)現(xiàn)了汽車遠(yuǎn)近光的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，并且LED前照燈智能控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]孟昭軍,李月,周振超等.汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào),2014,16(4):1-3.

[2]郭全民,楊惠,王健等.汽車LED前照燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,(5):365-372.