測量燈罩表面污染程度的電路設計

楊峰，馬書芳，朱向冰

（安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000）

車燈照明狀況是夜間或光線差的條件下安全行駛的重要影響因素。車燈燈罩污染程度的大小會影響照明效果，甚至導致交通事故。現有的車燈清洗裝置及方法中，采用持續清洗燈罩的技術或間歇性的啟動清洗裝置技術或人工啟動清洗裝置技術，缺少判斷車燈污染程度的技術，不能根據燈罩實際污染程度啟動清洗裝置。采用持續清洗燈罩技術會減少燈罩及清洗器的使用壽命，在大多數情況下是沒有必要的；采用間歇性的啟動清洗裝置技術，每隔一段固定的時間自動開啟清洗裝置，在燈罩污染程度不高的時候是沒有必要的，在污染程度高的時候可能無法及時清除燈罩表面的污物；采用人工啟動清洗裝置技術，不能保證車燈在工作過程中燈罩始終保持清潔，帶來隱患。

因此，為了解決上述問題，本文論述了一種測量燈罩污染程度的電路，該電路中光電二極管輸出電信號的大小與車燈燈罩表面的污染程度有關，電壓比較器輸出的電信號可用于控制燈罩清洗裝置。用該電路輸出的信號作為清洗裝置的開關，可以避免對燈罩的不必要的清洗，延長燈罩和清洗裝置的使用壽命；也可以及時清洗燈罩，保持燈罩在工作過程中的清潔。

1 總體方案

本電路包括信號發生器、驅動LED的電路、紫外LED燈、濾光片、光電二極管、放大電路、選頻電路、整流濾波電路、電壓比較器、電源等，電路結構圖如圖1所示。

圖1 電路總體結構圖Fig.1 General circuit structure diagram

電路設計方案的總體描述：方案設計的思路就是由信號發生器輸出PWM驅動信號給驅動LED的電路，由驅動LED的電路驅動紫外LED燈發光，光照射到車燈燈罩上，燈罩散射回來的光經濾光片濾除干擾光后由光電二極管接收，光電二極管將接收的光的強度轉換成電流強度，電流強度以PWM波信號的頻率變化，電流由放大器轉換成電壓，調節放大器的放大倍數，使放大器輸出大小合適的電壓，放大器輸出的電壓至選頻網絡，選頻網絡輸出的電壓至整流濾波電路，整流濾波電路輸出直流電壓，該電壓的大小與車燈燈罩污染程度有關，將該電壓送至電壓比較器，并與電壓比較器的閾值電壓相比較，電壓比較器設置兩個閾值電壓，其輸出的電信號控制后續電路的工作，即清洗裝置的工作。軟件流程圖如2所示。

圖2 流程圖Fig.2 Flow program

2 硬件電路的設計

2.1 信號發生器

信號發生器采用單片機AT89S51，AT89S51是實用性很強的8位單片機。單片機價格便宜，電路簡單，功耗低，可靠性高，可以作為本設計的信號發生器。由單片機的P1.0口輸出PWM信號給驅動LED的電路。

2.2 驅動LED的電路

驅動LED的電路采用了DD311集成電路。DD311是一單通道輸出的LED恒流驅動器，內建電流開關組件，是專為驅動大功率LED而設計的芯片。DD311可驅動高達1安培的電流（sink current），并可透過調整參考輸入電流（IREF）來任意設定輸出電流的大小，芯片輸出端可承受高達36 V的電壓，可驅動多顆大功率串接LED。

電路如圖3所示。DD311驅動3個紫外LED燈，EN接單片機輸出的PWM信號，REXT接參考電壓，OUT接要驅動的紫外LED燈，VLED與 GND端間加入一足夠大的電容以保持LED工作電源電壓（VLED）的穩定。

圖3 驅動LED的電路Fig.3 LED driver circuit

2.3 光電二極管

光電二極管采用的型號為PR33-2-T08，感應光的波長范圍為200~1 100 nm，光電二極管采用無偏置工作電路。

紫外LED燈采用型號為SSL-LXT046375C。其發光波長范圍375~380 nm，典型值為377 nm，在選擇紫外LED燈的型號時，要考慮其發光波長與光電二極管接收的波長兼容。

濾光片采用的型號為UPG-380，透光波長范圍在370~390 nm。由于光先經過濾光片濾除以后，才被光電二極管接收，降低了可見光的干擾。濾光片放在光電二極管附近，由于光電二極管接收燈罩散射的紫外光，所以濾光片和光電二極管放在不受紫外LED燈直接發出的光線影響的位置。

2.4 放大電路

放大器采用的型號為LF357。LF357的電源電壓VCC最大范圍為±22 V，輸入電壓Vi范圍為±20 V，差分輸入電壓Vid范圍為±40 V。

光電二極管輸出的電信號強度非常弱，需要進行放大，放大電路如圖4所示。

圖4 放大電路Fig.4 Amplifier circuit

放大電路采用反向偏置電路，反向偏置電路的響應速度快，輸出信號與輸入信號同相位。

2.5 電壓比較器

電壓比較器核心器件選擇芯片MIC833，MIC833是一種微功率的精密雙電壓比較器，有一個參考電壓。有高和低兩個閾值電壓，閾值電壓由3個外界電阻確定。電壓檢測閾值精確到1%，電源電流極低。電路如圖5所示。電壓比較器輸出的電壓作為清洗裝置的控制信號。

2.6 選頻電路及整流濾波電路

整流濾波電路采用單向橋式π型RC整流濾波電路，可以使輸出更加平滑；選頻網絡的諧振頻率與PWM波的頻率相同。

圖5 電壓比較器電路Fig.5 Voltage circuit

3 軟件設計

本設計用單片機產生PWM信號，作為驅動器DD311的使能輸入。由于單片機是一個數字系統，其信號的變換受外界干擾小，整個系統工作可靠，利用單片機更能精確的實現對PWM波占空比的調整，從而實現對紫外LED燈發光頻率的調整。

使用匯編語言編寫程序，產生PWM波，通過程序改變定時器初值及對中斷次數的計數值，就可以改變紫外LED燈發光頻率及在一個周期內的發光時間。

4 結 論

文中使用散射性好、受可見光干擾小的紫外光，根據燈罩散射紫外光的強度實現對燈罩污染程度的檢測，從而控制燈罩清洗裝置，相當于為燈罩清洗裝置提供一個自動開關，實現在車輛行駛的過程中對燈罩進行自動清洗，提高了駕駛的安全性。

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