楊永鑫，馮川

(濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600)

0 引言

現(xiàn)代汽車中，電器設(shè)備成本已占到整車成本的30%以上。據(jù)統(tǒng)計，汽車上70%的革新來自汽車電子技術(shù)及產(chǎn)品[1]。智能照明系統(tǒng)作為汽車電器設(shè)備重要的組成部分，關(guān)乎車輛夜間行駛的安全性。對于汽車類專業(yè)學(xué)生而言，掌握智能照明系統(tǒng)組成和工作原理非常重要。開發(fā)的汽車智能照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車燈的近遠(yuǎn)光切換、輔助車燈開閉和轉(zhuǎn)向燈閃爍等功能，對幫助學(xué)生理解汽車照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制過程具有積極的作用。

1 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)工作過程如圖1所示：由安裝在車輛時速表的光電開關(guān)獲取當(dāng)前實時車速，根據(jù)裝備在方向盤方向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)角傳感器檢測汽車轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向角度，使用紅外測距傳感器和光敏電阻來共同測量車輛前方障礙物及會車情況；單片機(jī)接收并處理以上信號，對車輛的行駛速度、所處路況和光線環(huán)境的變化進(jìn)行判斷，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)近遠(yuǎn)光切換、輔助車燈開閉及轉(zhuǎn)向燈閃爍等功能，實現(xiàn)汽車照明系統(tǒng)的智能化控制。此外，通過檢測照明系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)的反饋信號判斷系統(tǒng)是否處于正常的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)錯誤，及時提醒駕駛員進(jìn)行處理。

圖1 汽車智能照明系統(tǒng)工作過程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

汽車智能照明系統(tǒng)硬件電路主要由微處理器、電源穩(wěn)壓模塊、前照燈驅(qū)動模塊和信號采集模塊等組成。

2.1 微處理器

微處理器選用Freescale公司推出的增強(qiáng)型16位單片機(jī)MC9S12XS128作為主控芯片，該單片機(jī)采用CPU12X V2內(nèi)核，可運行40 MHz總線頻率。片內(nèi)集成以下資源[2]：

存儲器：128 kB Flash,2 kB EEPROM,8 kB RAM;

A/D：16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可選8位、10位和12位精度；

PWM：8位8通道或16位4通道PWM；

通信：包含2個異步串行通信接口和3個1Mb/s的CAN總線接口；

CRG時鐘：具有鎖相環(huán)、看門狗和實時中斷。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

系統(tǒng)中單片機(jī)和各模塊電路工作電路均為5 V，車載蓄電池和交流發(fā)電機(jī)所提供電壓為12 V左右，因此需設(shè)計專門的電壓轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)降壓穩(wěn)壓功能。

考慮到電源供電電壓具有一定波動性，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定供電，選用LM2940作為此智能照明系統(tǒng)電源模塊的穩(wěn)壓芯片，以此實現(xiàn)系統(tǒng)供電電壓的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

LM2940穩(wěn)壓芯片具有以下參數(shù)特點[3]：輸出電流為1 A；輸出電壓為5 V；最大輸入電壓為26 V；具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)等功能，完全能夠滿足系統(tǒng)的工作需求。電源穩(wěn)壓模塊電路如圖2所示。

圖2 電源穩(wěn)壓模塊電路

2.3 驅(qū)動模塊

智能照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)向燈的閃爍由閃光器電路驅(qū)動實現(xiàn)。閃光器多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，即其沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只存在兩種暫時穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電路處于某一暫時穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時間可自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫時穩(wěn)態(tài)，兩個暫時穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換輸出一系列矩形波[4]。

此系統(tǒng)選用555定時器設(shè)計的閃光電路如圖3所示。

圖3 閃光器驅(qū)動電路

接通電源后，如此時輸出為高電平，則電容C1充電，充電回路由電源VCC經(jīng)R1、RP1和C1到地。電容C1兩端的電壓按指數(shù)規(guī)律增長，當(dāng)達(dá)到2/3電源電壓，即TH和TL端電平大于2/3VCC時，輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。若電源接通后為低電平輸出，則電容C1放電，放電回路經(jīng)C1、RP1、555芯片7引腳到地形成回路，C1端電壓按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到1/3電源電壓，即TH和TL端電壓小于1/3VCC時，輸出電壓翻轉(zhuǎn)為高電平，電容C1再次充電。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。系統(tǒng)主要參數(shù)為

輸出高電平時間T1=(R1+RP1)×C×ln2

輸出低電平時間T2=RP1×C×ln2

振蕩周期T=(R1+2×RP1)×C×ln2

由以上分析可得，調(diào)節(jié)可變電阻RP1即可改變輸出振蕩信號的頻率，驅(qū)動信號從引腳3輸出一個高低電平，控制D1和D2兩個前照燈的閃爍。當(dāng)輸出信號為高電平時，D2燈亮，D1燈不亮；當(dāng)輸出信號為低電平時，D2燈不亮，D1燈亮。可實現(xiàn)雙燈閃爍的效果，且閃爍的速度可調(diào)。

2.4 信號采集模塊

2.4.1 光強(qiáng)檢測電路

此系統(tǒng)通過光照強(qiáng)度傳感器檢測車輛前方的光線情況，判斷是否有會車發(fā)生，并驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成近遠(yuǎn)光切換操作。

光強(qiáng)檢測電路主要包含光敏電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)兩部分。光敏電阻可根據(jù)車輛所處環(huán)境光照強(qiáng)度的變化改變自身阻值，并通過檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓變化。車輛前方光照強(qiáng)度越強(qiáng)，電阻值變化越大，轉(zhuǎn)換后的電壓值也越大。該電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信號，傳遞給單片機(jī)以作處理。光強(qiáng)檢測電路如圖4所示。

圖4 光照檢測電路

2.4.2 車速信號采集電路

車速表上安裝的光電開關(guān)完成車速信號的采集。光電開關(guān)由作為光源的發(fā)光二極管和作為受光器的光敏二極管組成，信號盤裝在兩二極管中間，由發(fā)動機(jī)提供動力使其轉(zhuǎn)動，信號盤轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。發(fā)光二極管作為輸入端，供電工作后發(fā)射光信號，此信號通過信號盤上的光孔被光敏二極管接收。

當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)到光孔處，光線信號通過光孔，光敏二極管接收到光信號，電阻值變低，輸出電壓值升高。轉(zhuǎn)到遮光處時，光線信號被遮擋，無法被光敏二極管接收，此時光敏二極管電阻值升高，輸出電壓值降低。綜上所述，光電開關(guān)輸出的是一個變頻率的方波信號，其頻率由車速決定。車速信號轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 車速信號轉(zhuǎn)換電路

2.4.3 紅外測距電路

紅外測距電路主要由發(fā)射電路和接收電路兩部分組成。工作時由發(fā)射電路的紅外放光管發(fā)射紅外光波，光波遇到被測物體反射回來，由接收電路中的光敏接收管吸收，根據(jù)所吸取光波強(qiáng)弱程度判斷被測物體與傳感器的實際距離。

(1)紅外測距發(fā)射電路

紅外測距發(fā)射電路如圖6所示，由控制電路開閉的三極管和放大電路組成。單片機(jī)接收到紅外測距傳感器控制引腳Vin的信號后，驅(qū)動發(fā)射電路三極管導(dǎo)通，信號經(jīng)放大后傳送到與放大電路集電極連接的紅外發(fā)光二極管，完成紅外光波的發(fā)射。

圖6 紅外測距發(fā)射電路

(2)紅外測距接收電路

紅外測距接收電路如圖7所示，由光敏接收管和兩級放大電路組成。光敏接收管TPS708吸收經(jīng)被測物體反射回的紅外光后，可根據(jù)光線強(qiáng)度產(chǎn)生對應(yīng)大小的電流信號，該信號經(jīng)兩級放大器放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號。此信號輸入至單片機(jī)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化計算即可得出測量物體距傳感器的實際距離。

圖7 紅外測距接收電路

2.4.4 方向盤轉(zhuǎn)角采集電路

智能照明系統(tǒng)以方向盤轉(zhuǎn)角信號判斷車輛轉(zhuǎn)動時的偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)方向，以此控制轉(zhuǎn)向燈的開閉。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝在方向盤轉(zhuǎn)軸上，由中間的大齒輪和兩側(cè)的2個小齒輪組成。大齒輪跟隨方向盤轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，帶動兩側(cè)的小齒輪運動。由于兩小齒輪的齒數(shù)相差特定值，因此其轉(zhuǎn)動的角度會發(fā)生差異，并產(chǎn)生不同相位的兩個轉(zhuǎn)角信號[5]。單片機(jī)可根據(jù)兩個小齒輪輸出的相位關(guān)系，計算得到方向轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角值。

方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路如圖8所示，傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過低通濾波處理，隨后被接入電壓跟隨器，提高輸入阻抗，最終信號傳送至單片機(jī)進(jìn)行計算處理。

圖8 方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 燈光模式控制

微處理器根據(jù)車速及光照強(qiáng)度傳感器信號判斷車輛所處的路況環(huán)境，控制前照燈及輔助燈光的開閉模式。當(dāng)車速傳感器返回當(dāng)前速度小于60 km/h時，單片機(jī)輸出高電平，控制輔助車燈繼電器通電，接通兩側(cè)輔助燈光電源，以拓展照明寬度滿足當(dāng)前行駛需要。當(dāng)車速傳感器返回當(dāng)前速度大于60 km/h時，單片機(jī)輸出低電平，與輔助車燈相接的繼電器斷電，切斷兩側(cè)輔助燈光電源。根據(jù)光照強(qiáng)度傳感器輸出信號檢測會車狀態(tài)，無會車時，默認(rèn)遠(yuǎn)光燈開啟，增加照明強(qiáng)度，滿足行駛需要。

3.2 近遠(yuǎn)光自動切換功能

微處理器根據(jù)紅外測距傳感器和光照強(qiáng)度傳感器返回的信號，判斷當(dāng)前是否出現(xiàn)會車情況。在汽車行駛過程中，若紅外測距傳感器返回前方特定距離內(nèi)出現(xiàn)被測物體信號且光照強(qiáng)度傳感器同時返回前方具有特定光強(qiáng)信號時，即存在會車可能[6]。單片機(jī)控制與近光燈供電端相連的繼電器接通，切換至近光燈狀態(tài)。若兩傳感器輸出信號發(fā)生變化，即表示會車過程結(jié)束，單片機(jī)控制與遠(yuǎn)光燈供電端相連的繼電器接通，切換為遠(yuǎn)光燈狀態(tài)。

4 系統(tǒng)工作情況

汽車智能照明系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 實物模型

圖10與圖11分別表示系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)光及近光照明時的情況?？芍褐悄苷彰飨到y(tǒng)可穩(wěn)定實現(xiàn)近遠(yuǎn)光的單獨控制，并準(zhǔn)確完成兩者的自由切換。

圖10 實物模型遠(yuǎn)光照明

圖11 實物模型近光照明

圖12—圖14表示系統(tǒng)兩側(cè)輔助車燈單獨及同時開啟時的情況?？芍寒?dāng)汽車在轉(zhuǎn)向過程中，智能照明系統(tǒng)可單獨實現(xiàn)左、右任一側(cè)輔助燈光開啟，以使駕駛員獲得更好的行車視線。此外，當(dāng)前方視野復(fù)雜時，系統(tǒng)還可控制兩側(cè)輔助燈光同時開啟，以增強(qiáng)照明效果。

圖12 左側(cè)輔助燈光開啟 圖13 右側(cè)輔助燈光開啟 圖14 雙側(cè)輔助燈光開啟

5 總結(jié)

基于MC9S12XS128單片機(jī)設(shè)計的汽車智能照明系統(tǒng)可根據(jù)光線強(qiáng)度、車速、距離及方向盤轉(zhuǎn)角等傳感器信號，判斷當(dāng)前車輛的行駛狀態(tài)，選擇合適的照明模式，實現(xiàn)近遠(yuǎn)光自動切換、輔助車燈開啟及轉(zhuǎn)向燈閃爍燈功能。實驗結(jié)果表明，該智能照明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性及可靠性。