單健萍，徐井華，王澤軍

（通化師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林通化，134002）

0 前言

隨著科技進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為日常生活必不可少的交通工具。據(jù)統(tǒng)計，夜間或黎明的交通只占夜間或黎明的交通雖然只占全天的四分之一，但僅這一段時間的交通事故發(fā)生概率卻很高，使夜間交通事故頻頻發(fā)生的一個重要原因是車輛燈光炫目，使駕駛員看不清周圍事物，在晚上及時變光可以有效避免交通事故。我們對此狀況進(jìn)行了研究，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制單元，易實現(xiàn)的汽車前照燈光亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢

1.1 國內(nèi)研究情況

現(xiàn)今，國內(nèi)已經(jīng)有關(guān)于汽車前照燈自動調(diào)節(jié)的產(chǎn)品，但缺乏自主研究的成熟產(chǎn)品，不能滿足國內(nèi)的市場需求，需依靠由國外引進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品來實現(xiàn)前照燈智能控制。由于國內(nèi)外路況存在差異，在產(chǎn)品使用上產(chǎn)生了許多障礙。我國對于汽車前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究越來越重視，為突破障礙，以完善此類技術(shù)，一些公司均在研發(fā)設(shè)計。對于此類技術(shù)，動態(tài)位置控制功能非常關(guān)鍵。

1.2 國外研究情況

如今國外，VARILIS技術(shù)已經(jīng)誕生，一種多功能可變智能燈光系統(tǒng)。在環(huán)境光線錯綜復(fù)雜的情況下，該系統(tǒng)能夠使汽車在行駛時，燈光變換自如。雖技術(shù)已經(jīng)成熟，但價格較貴。

1.3 發(fā)展趨勢

伴隨著科技的進(jìn)步的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們愈發(fā)追求汽車的安全性。而燈光自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)會更加安全。同時，近幾年來，不管是在國內(nèi)還是在國外，前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)始終是汽車安全系統(tǒng)中重要部分，也是照明系統(tǒng)研究中的熱點[1～2]。

2 裝置設(shè)計原理及電路結(jié)構(gòu)分析

2.1 裝置原理結(jié)構(gòu)

根據(jù)本次設(shè)計的要求，設(shè)計出一款基于51單片機(jī)的自動切換遠(yuǎn)近光燈的設(shè)計。中央處理器采用了STC89C52RC單片機(jī)，另外使用兩個燈珠代表遠(yuǎn)近光燈，感光部分采用了光敏電阻，因為光敏電阻輸出的是電壓模擬信號，單片機(jī)不能直接處理模擬信號，所以經(jīng)過ADC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，還有顯示部分采用了LCD1602液晶，還增加按鍵部分電路，可以選擇手自動切換遠(yuǎn)近光燈，最后還用了超聲模塊進(jìn)行檢測距離。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝置原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 主程序

整體的程序部分分為按鍵部分、超聲檢測部分、液晶顯示部分，以及遠(yuǎn)近燈光驅(qū)動部分。通過開始程序 經(jīng)過按鍵處理模塊，控制電路包括設(shè)置、增加、減小、手動/自動、遠(yuǎn)光、近光按鈕的操作，然后進(jìn)入光強(qiáng)檢測，光敏電阻將所檢測的物理光信號反饋單片機(jī)，一方面將指令信號傳給遠(yuǎn)近燈光，一方面將數(shù)字信號傳輸給液晶顯示模塊，之后進(jìn)入超聲檢測，利用超聲波單片機(jī)就輸出到了某一個觸發(fā)的超聲波信號，把經(jīng)過這兩個觸發(fā)的超聲信號就輸入到某一個超聲波測距模塊，分析數(shù)據(jù)之后，一方面將指令信號傳輸給遠(yuǎn)近燈光，一方面將數(shù)字信號傳遞給液晶顯示模塊。之后是數(shù)據(jù)處理包括STC89C52RC單片機(jī)、ADC0832芯片處理，而后是LED燈珠模擬遠(yuǎn)近燈光，最后通過LCD1602液晶模塊，液晶顯示將距離傳感器和光強(qiáng)傳感器反饋給單片機(jī)的距離和光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號顯示在液晶屏幕上，進(jìn)行觀察。

圖2 主程序流程圖

2.3 液晶顯示流程

液晶顯示采用了LCD1602液晶，這是一種常用的液晶，驅(qū)動起來方便，使用簡單，顯示數(shù)據(jù)的整體流程無非是，首先液晶初始化，然后送入要在哪一個地址顯示的地址數(shù)據(jù)，再送入要顯示的數(shù)據(jù)即可，但是要注意的是，1602液晶是字符屏，送入的顯示的數(shù)據(jù)必須是字符。顯示流程圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示流程圖

2.4 遠(yuǎn)近燈光模塊

此次設(shè)計硬件電路板塊，核心控制器采用了STC89C52RC單片機(jī)，另外采用了四個LED燈作為模擬汽車的遠(yuǎn)近燈光，檢光模塊采用了光強(qiáng)傳感器。由于單片機(jī)可以處理數(shù)字信號，卻不能直接處理物理模擬信號，所以通過ADC0832芯片將光強(qiáng)傳感器輸出的物理模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，經(jīng)過單片機(jī)的處理后，實時數(shù)據(jù)的輸出會在LCD1602液晶中顯示，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號[3]。另外還增加了按鍵功能電路，可以選擇手動調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近燈光。最后還采用了距離傳感器模塊進(jìn)行檢測距離，將實時數(shù)據(jù)傳輸回單片機(jī)進(jìn)而反饋到液晶顯示屏，硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)傳輸模擬結(jié)構(gòu)圖

2.5 小車模塊

設(shè)計本次硬件電路模塊，核心部件采用了Arduino控制部件，采用L298N電機(jī)驅(qū)動板作為小車電機(jī)的驅(qū)動，另外采用了Sensor Shield V5.0傳感器擴(kuò)展板作為距離傳感器等的中介連接器，小車前橋和距離傳感器轉(zhuǎn)向都采用了舵機(jī)作為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)。硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 小車驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

2.6 硬件設(shè)計

2.6.1 按鍵功能電路

按鍵功能電路包括復(fù)位電路和控制電路。

復(fù)位電路有兩種方式：手動復(fù)位以及通電后自動復(fù)位兩種方式。大部分的通電自動復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來完成的。只要Vcc高電平的上升時間≤1ms，就可以實現(xiàn)自動通電復(fù)位。除了這種復(fù)位方式外，偶爾也需要按鍵手動復(fù)位，按鍵手動復(fù)位是本文中設(shè)計所用的，按鍵手動復(fù)位分為電平方式和脈沖方式。其中電平復(fù)位就是通過RST(9)引腳端與電源Vcc高電平接通來實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖6。時鐘頻率用12MHz時C取10μF，R取10kΩ。

圖6 復(fù)位按鈕原理圖

控制電路：控制電路包括設(shè)置、增加、減小、手動/自動、遠(yuǎn)光、近光按鈕，如圖7所示。

圖7 按鍵按鈕原理圖

設(shè)置按鈕，可以設(shè)置距離和光照強(qiáng)度，并設(shè)置遠(yuǎn)光燈近光燈開啟的條件閾值；增加和減少按鈕用來調(diào)節(jié)光強(qiáng)和距離；手動和自動按鈕切換自動和手動模式；遠(yuǎn)近光燈分別用來開啟遠(yuǎn)近光燈。

2.6.2 距離傳感器

距離傳感器主要是用一種利用吸收了超聲波產(chǎn)生振動特性的各種新功能特性原理所設(shè)計研究與制造發(fā)展而成的一類新技術(shù)傳感器。

利用單片機(jī)輸出產(chǎn)生了的一個超聲波定時觸發(fā)的脈沖信號，把此超聲波觸發(fā)定時脈沖信號直接地輸入給單片機(jī)輸入到的一個超聲波測距模塊，再用一臺由超聲波測距模塊所構(gòu)成的一個超聲波發(fā)射器可以直接地向某一方向上連續(xù)地發(fā)射出一次超聲波，在一次連續(xù)的發(fā)射一次超聲波脈沖的這個過程中同時一個單片機(jī)接收器就開始通過另外一個單片機(jī)軟件接收器來開始進(jìn)行一次計時，超聲波會在目標(biāo)附近的空氣介質(zhì)層中聲波反復(fù)往返傳播，遇到地面有明顯障礙物時反射返回，接收器首先將會接收到另一個反射波后再自動產(chǎn)生射出，另外一個反射脈沖信號然后將反饋脈沖返回發(fā)送給單片機(jī)，此時聲波計時也會相應(yīng)停止，超聲波脈沖在地面空氣系統(tǒng)介質(zhì)中的最大頻率平均傳播的振動速度一般為每分鐘約是340m/s，根據(jù)聲波計時器所記錄下來聲波的實際發(fā)射的時間為時間t，就已經(jīng)可以由初步的計算可以求出聲波發(fā)射點距地面障礙物間的最大直線距離約為s，即：s=340t/2。即可通過快速聲波檢測技術(shù)估算測量出地面障礙物間點距離空氣系統(tǒng)裝置點間的最大距離，從而將物理信號反饋給單片機(jī)，單片機(jī)分析數(shù)據(jù)之后，一方面將指令信號傳輸給遠(yuǎn)近燈光，一方面將數(shù)字信號傳遞給液晶顯示模塊。

圖8 距離傳感器原理圖

2.6.3 液晶顯示模塊

本裝置采用的是LCD1602液晶模塊，液晶顯示模塊具有以下優(yōu)點：顯示質(zhì)量高、 體積小、重量輕、低功耗。

液晶顯示將距離傳感器和光強(qiáng)傳感器反饋給單片機(jī)的距離和光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號顯示在液晶屏幕上，使得操作者可以直接觀測到實時數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握小車的動向。

2.6.4 光強(qiáng)傳感器

光強(qiáng)傳感器是由光敏電阻組成，某些特殊物質(zhì)在吸收到了光子產(chǎn)生的能量后，產(chǎn)生的本征能吸收光或?qū)㈦s質(zhì)所吸收，從而這些光電量改變或降低了固體物質(zhì)電導(dǎo)率等的一些物理現(xiàn)象也被人稱為是半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)上特殊的低光電導(dǎo)效應(yīng)。利用了一種具有產(chǎn)生高的光電導(dǎo)效應(yīng)能力的高導(dǎo)電晶體材料就一定可以經(jīng)過加工處理制成另一種高電導(dǎo)量密度（或電阻）只會隨其入射光的光度量變化而相應(yīng)變化大小的光電器件，稱為半導(dǎo)體高光電導(dǎo)器件或又稱光敏電阻器。

光敏電阻將所檢測的物理光信號反饋單片機(jī)，單片進(jìn)行分析之后，一方面將指令信號傳給遠(yuǎn)近燈光，一方面將數(shù)字信號傳輸給液晶顯示模塊，于是就完成了光強(qiáng)信號的檢測與分析。

2.6.5 單片機(jī)

STC89C52RC單片機(jī)是一種采用極低功耗、高性能設(shè)計的嵌入式的8位微控制器，具有可在嵌入式系統(tǒng)存儲器內(nèi)實現(xiàn)可編程運算的高性能Flash程序存儲器。

表1

2.6.6 ADC0832芯片

圖9 液晶顯示原理圖

ADC0832為新一代高性能的8位高分辨率數(shù)字A/D信號轉(zhuǎn)換專用模擬芯片，其模擬輸出速率最高達(dá)到每秒分辨級可達(dá)到每秒分辨256級，可以輕松滿足適應(yīng)于各類一般工業(yè)場合要求的高分辨率數(shù)字模擬信號的轉(zhuǎn)換等要求。芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和響應(yīng)轉(zhuǎn)換時間一般也僅為每分鐘約為32個μs，具有雙數(shù)據(jù)的校驗功能輸出數(shù)據(jù)也是可完全獨立的作為單一的數(shù)據(jù)輸出來接受校驗，以顯著地減少了數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度快且系統(tǒng)穩(wěn)定性能保持較強(qiáng)。獨立的芯片輸入，使多路器件間的芯片控制變換和多處理器的自控制變換中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也更易加快捷和方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以更加輕易更便捷的可以實現(xiàn)多通道功能的選擇。

圖10 ADC0832 芯片

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 遠(yuǎn)近燈光自動變換功能

整體系統(tǒng)的工作為手動模式和自動模式。手動模式下，由駕駛員自行根據(jù)環(huán)境主動控制遠(yuǎn)近燈光開關(guān)。自動模式下，通過按鍵來設(shè)置燈光自動切換的距離和開啟遠(yuǎn)近光燈的光強(qiáng)閾值數(shù)據(jù)，由光敏電阻來檢測當(dāng)前環(huán)境的光強(qiáng)，再由光敏電阻輸出的電壓信號經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。當(dāng)前光強(qiáng)小于我們所設(shè)置的光強(qiáng)閾值時，此時環(huán)境較暗，開啟燈光。但是，開啟遠(yuǎn)光還是近光燈由超聲測距得到的數(shù)據(jù)來決定，如果所測得的數(shù)據(jù)小于我們設(shè)置的距離數(shù)據(jù)，說明前方人或其他物體，此時開啟近光燈，否則開啟遠(yuǎn)光燈。

3.2 自動模式與手動模式的轉(zhuǎn)換

當(dāng)汽車前照燈開關(guān)置于自動狀態(tài)下時，汽車前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)便進(jìn)入自動控制狀態(tài)。汽車燈光自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也會對汽車前照燈的遠(yuǎn)近燈光切換和開閉進(jìn)行控制。當(dāng)開關(guān)置于手動狀態(tài)時，駕駛員可以通過手動來完成對前照燈遠(yuǎn)近燈光的變換和開閉進(jìn)行控制。將手動模式調(diào)至自動模式即可再次使用燈光自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)[4]。

4 總結(jié)

本文主要介紹了裝置設(shè)計原理系統(tǒng)功能分析，及現(xiàn)今研究情況和發(fā)展趨勢。此次裝置的研究與設(shè)計是以單片機(jī)STC89C51RC為核心控制器研發(fā)的一款汽車燈光自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，檢光模塊采用了光強(qiáng)傳感器這種燈光自動調(diào)節(jié)裝置更加智能，使得駕駛更加安全。