張美琪，趙蘭

汽車制動(dòng)燈控制器設(shè)計(jì)與仿真

張美琪1，趙蘭2

（1.鹽城工學(xué)院 汽車學(xué)院，江蘇 鹽城 224000；2. 鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

本控制器以STC89C51RC微控制器核心，采用Proteus和Keil C51進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)、C51編程，開發(fā)了一款高性價(jià)比的新能源汽車制動(dòng)燈控制器，并在Proetus環(huán)境中進(jìn)行了軟、硬件聯(lián)合仿真、測(cè)試與驗(yàn)證。

制動(dòng)燈；STC89C51RC；Proetus；Keil C51

前言

隨著微控制器技術(shù)及其開發(fā)軟件和方式的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大地拓展，尤其是在汽車電子領(lǐng)域，目前已經(jīng)很難找到?jīng)]有電控單元（其核心為微控制器）的車輛了。隨著電子技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，其價(jià)值份額也在不斷提高。在自動(dòng)化、智能化較高的車型中，汽車電子技術(shù)占比更高，如純電動(dòng)汽車電子產(chǎn)品占比已高達(dá) 65%[1]。本設(shè)計(jì)為微控制器技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

現(xiàn)代汽車一般由微處理器監(jiān)控汽車運(yùn)行狀態(tài)。制動(dòng)燈又稱為剎車燈一般安裝在車輛的尾部，是車輛剎車時(shí)亮起的紅色信號(hào)指示燈。其作用是提醒后面的車輛和行人本車要減速或停車，請(qǐng)及時(shí)做好準(zhǔn)備，以避免發(fā)生危險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)以我國(guó)宏晶科技的STC89C51RC微控制器為核心，采用Proteus 8無縫鏈接Keil C51的編譯器進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和C51編程調(diào)試，完成了制動(dòng)燈控制器開發(fā)，并在Proetus 8仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了軟、硬件聯(lián)合仿真測(cè)試和驗(yàn)證。當(dāng)汽車制動(dòng)踏板被踩下制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)開關(guān)閉合，制動(dòng)燈被點(diǎn)亮。隨著微控制器技術(shù)及其開發(fā)軟件和方式的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大地拓展，尤其是在汽車電子領(lǐng)域，目前已經(jīng)很難找到?jīng)]有電控單元（其核心為微控制器）的車輛了[2]。隨著電子技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，其價(jià)值份額也在不斷提高。在自動(dòng)化、智能化較高的車型中，汽車電子技術(shù)占比更高，如純電動(dòng)汽車電子產(chǎn)品占比已高達(dá) 65%。本設(shè)計(jì)為微控制器技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

由于汽車電源直接提供12V直流低壓電源，因此，電源只需要將12V轉(zhuǎn)換為+5V即可，由于微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的工作電流較小，因此，在此采用輸出額定電流為0.5A的78M05進(jìn)行12V/5V的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換。

汽車電源既有發(fā)電機(jī)輸出的交流電、還有蓄電池提供的直流電，因此電源干擾相對(duì)較大，因此電源設(shè)計(jì)要采用濾波技術(shù)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將采用雙面板設(shè)計(jì)，進(jìn)行大面積敷銅屏蔽措施。

汽車制動(dòng)燈控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 汽車制動(dòng)燈控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 微控制器選型

本項(xiàng)目為微控制器應(yīng)系統(tǒng)中的測(cè)控系統(tǒng)類，對(duì)微控制器的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器沒有太大的要求，且輸入/輸出數(shù)量較少，故選用標(biāo)準(zhǔn)的4KB 程序存儲(chǔ)器8051微控制器。

對(duì)比Atmel公司的AT89C51、NXP公司的P89C51X2、SST公司的SST89E52RC、Nuvoton公司的W78E052D和STCmicro公司的STC89C51RC，從性價(jià)比、貨源充分程度、開發(fā)成本等方面考慮，最終選用STCmicro 公司集成在系統(tǒng)編程（In System Programming ISP）功能的STC89C51RC DIP封裝的微控制器。

1.2 輸入/輸出驅(qū)動(dòng)

輸入為制動(dòng)開關(guān)，為了簡(jiǎn)化硬件電路，可以直接與STC89 C51RC的具有上拉電阻的I/O引腳相連，在此選用P1.0引腳。輸出需要驅(qū)動(dòng)汽車尾部左、右制動(dòng)燈，從節(jié)能、長(zhǎng)壽和性價(jià)比方面考慮，轉(zhuǎn)向燈采用新型LED型，其額定功率通常為15W/12V，其額定電流為1.25A，驅(qū)動(dòng)電路取不小于2倍的裕量，故驅(qū)動(dòng)電流大于2.5A，選用線圈電壓為12V，每路驅(qū)動(dòng)電流為3A的兩路小型控制繼電器，其線圈驅(qū)動(dòng)電流通常不大于20mA。單片機(jī)引腳無法直接驅(qū)動(dòng)，在此采用高增益的PC817D光電耦合器進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)，在此選用8051四個(gè)I/O端口中驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的P0口的P0.0引腳。

1.3 可靠性措施

汽車電源既有發(fā)電機(jī)輸出的交流電、還有蓄電池提供的直流電，因此電源干擾相對(duì)較大，因此電源設(shè)計(jì)要采用濾波技術(shù)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將采用雙面板設(shè)計(jì)，進(jìn)行大面積敷銅屏蔽措施。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源

輸入采用LC濾波和高頻去耦合電容濾除高頻干擾，穩(wěn)壓采用線性穩(wěn)壓集成電路 78M05，輸出采用高頻去耦合電容濾波。

2.2 STC89C51RC基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C51RC的基本系統(tǒng)由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。時(shí)鐘電路采用24MHz晶振，以發(fā)揮這款微控制器的速度性能，使其軟件運(yùn)行速度可以達(dá)到Intel公司一開始推出的標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器最高速度的24倍。復(fù)位電路采用簡(jiǎn)單的上電復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)，完全可以滿足這款微控制器的需要。

2.3 輸入和輸出通道隔離驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)

制動(dòng)開關(guān)連接到 STC89C51RC 中具有上拉電阻的P1.0引腳上。輸出控制選用STC89C51RC中驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)的開漏P0口的P0.0引腳，通過高增益光電耦合器PC817D直接驅(qū)動(dòng)線圈電流為15~20mA的小型控制繼電器。在Proteus 8中設(shè)計(jì)完成并編譯通過的整個(gè)系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，軟件功能主要有：系統(tǒng)初始化、制動(dòng)開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和制動(dòng)燈控制。根據(jù)系統(tǒng)功能分析和汽車制動(dòng)燈的工作流程[3]，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

由于單片機(jī)復(fù)位后4個(gè)通用I/O口默認(rèn)為輸入狀態(tài)，SP值為07H。為了避免堆棧操作導(dǎo)致通用寄存器和位尋址區(qū)數(shù)據(jù)遭到破壞，應(yīng)對(duì)SP的初值進(jìn)行設(shè)置，在此設(shè)置為50H；P1.0已是輸入狀態(tài)且鎖存器已寫入1，P1.0輸出為高電平，即制動(dòng)燈滅，因此P1.0和P0.0既可以配置，也可以不做處理。

4 硬件仿真與軟/硬件聯(lián)合調(diào)試

完成軟件設(shè)計(jì)后，根據(jù)程序流程圖，直接在Proteus 8中編寫C51程序并即時(shí)調(diào)試，通過后，直接進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真和測(cè)試：當(dāng)制動(dòng)踏板沒有踩下，即制動(dòng)開關(guān)沒有閉合時(shí)，制動(dòng)燈不亮；當(dāng)制動(dòng)踏板踩下制動(dòng)時(shí)，即制動(dòng)開關(guān)閉合，其效果如圖4所示，制動(dòng)燈被點(diǎn)亮。

圖4 系統(tǒng)的仿真和測(cè)試

5 樣機(jī)測(cè)試情況分析

最后，根據(jù)測(cè)試后的硬件電路原理圖進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)和打樣制板，制作出產(chǎn)品樣機(jī)。首先，用簡(jiǎn)單的USB轉(zhuǎn)串口和自己制作的具有ISP功能的實(shí)驗(yàn)板，通過宏晶科技提供的開放軟件STC-ISP-V4.83將程序燒寫進(jìn)STC89C51RC中，然后，再將STC89C51RC安裝到產(chǎn)品樣機(jī)的DIP座中進(jìn)行抗電磁干擾、絕緣、密封處理，最后，將產(chǎn)品樣安裝在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)用車和電動(dòng)方程式賽車上試用，實(shí)驗(yàn)室模擬電壓劇烈波動(dòng)（供電電壓從9V到16.2V之間快速變化），強(qiáng)干擾刺激（頻繁地汽車點(diǎn)火啟動(dòng)、周圍有電焊工作業(yè)，變頻器工作等），野外實(shí)際使用（顛簸路面行駛，5~10分鐘淋雨測(cè)試），經(jīng)過近3個(gè)月的測(cè)試，未出現(xiàn)異常情況。

[1] 曾霞,孫環(huán).汽車電子技術(shù)專業(yè)人才需求和專業(yè)改革調(diào)研報(bào)告[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020(15):224-227.

[2] 朱迪臣.現(xiàn)代電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢(shì)[J].時(shí)代汽車, 2020, 000(001):23-24.

[3] 張耀輝,吳海東.汽車信號(hào)燈檢測(cè)與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子制作,2016, 000(003):12-13.

A Design and Simulation of Control System on Brake Light

Zhang Meiqi1, Zhao Lan2

（1.Automotive Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000; 2.Electrical Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000）

A high cost-Effective control system on brake light is designed based on configuration of peripheral interface circuits of STC89C51RC and software development in Keil C51. Meanwhile, simulation and testing result is presented in Proteus.

Brake Light; STC89C51RC; Proteus; Keil C51

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.024

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

張美琪（1970-），重慶大學(xué)碩士研究生，副教授，就職于鹽城工學(xué)院汽車學(xué)院，研究方向：新能源汽車電控技術(shù)，微控制器應(yīng)用技術(shù)。