汽車前照燈單側燈光自動感應調節控制裝置

章奕航，王曉燕，方雅秀

（浙江師范大學工學院，浙江 金華 321004）

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汽車前照燈單側燈光自動感應調節控制裝置

章奕航，王曉燕，方雅秀

（浙江師范大學工學院，浙江 金華 321004）

制作了一款采用可編程主控芯片AT89S52型單片機為電子控制單元核心的汽車前照燈單側燈光自動感應調節裝置，文章詳細介紹了該裝置的工作原理及硬件組成，重點對光線傳感器、距離傳感器、角度傳感器、電機驅動模塊及執行模塊進行了研究設計，并采用 Pascal語言編程，主程序展示其控制裝置的邏輯控制關系。模擬裝置實驗結果表明，各項數據均在誤差范圍內，符合設計要求。

前照燈；單片機；傳感器；光強度

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.036

CLC NO.: U463.65 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-103-04

引言

前照燈是保障汽車安全行使的重要部件，其照射距離越遠、配光特性越合理，汽車駕駛安全性就越高。而照明問題往往又是造車夜間交通事故的主要原因，特別是在汽車近距離交會時，當無法避免遠光燈照射時，其燈光將會引起駕駛員炫目。據不完全統計，我國每年平均發生約11萬起汽車事故，其中約有24%系由強光刺眼導致會車前后發生的交通事故[1,2]。

目前，國內外對前照燈防炫目研究主要有采用自動變光防止炫目、采用單色光防炫目、采用液晶變光裝置防止炫目和采用偏振光防炫目等[3-5]。本文設計的單側燈光自動感應裝置能實現在會車時自動調節單側車燈燈光強度，微調燈光照射范圍，在保證正前方照明距離的前提下，使燈光強度控制在不刺眼的范圍內，可有效降低會車時交通事故的發生。

1、自動感應調節裝置介紹

自動感應裝置分為兩個模塊，一部分為感應與計算模塊，由距離傳感器、光線傳感器和單片機等組成，單片機在獲得車距、光線亮度等數據后進行分析計算，獲得任一時刻的車距，根據該車距計算出最佳光線亮度，并將這一信號傳輸給執行模塊；另一部分為執行模塊，該模塊是基于555定時器制作的電壓控制模塊，在獲得計算模塊的控制信號后，由電壓控制模塊控制前照燈電路中的電壓，進而實現單側前照燈中的電流大小的改變，達到調節燈光亮度的目的。自動感應裝置控制原理如圖1所示。

圖1　自動感應裝置控制原理框圖

2、硬件設計

2.1光線傳感器

本裝置所使用的光線感應器是Risym四線制光敏電阻傳感器模塊，主要負責對單側燈光光線強度的檢測和信號傳輸，運算并判斷是否運行自動調節控制程序，實時反饋檢測數據，其工作電路如圖2所示。在VCC端接入3.3-5V的電壓后，光敏電阻將其光線強度信號轉化為電流信號，并通過AO端輸出模擬信號至計算模塊。

圖2　四線制光線傳感器工作電路圖

2.2距離傳感器

本裝置采用的HY-SRF06超聲距離傳感器，該傳感器是利用高頻超聲脈沖反射的原理用來檢測物體的距離。“飛行時間法”（flying time）是通過發射特別短的并測量此聲波脈沖從發射到被物體反射回來的時間，通過測時間間隔來計算與物體之間的距離。在該智能控制裝置中，距離傳感器負責會車車距的確認與判斷，在汽車遠光燈開啟后，時刻出于工作狀態。此儀器工作穩定，成本較低，可適合多種環境下使用。其工作原理如圖3所示，在VCC端輸入3.3-5V電壓后，由 OUT端輸出方波脈沖信號，方波脈沖信號根據其占空比大小將其轉化為電信號并輸出給計算模塊，該傳感器測量的有效距離為0～6m。

圖3　HY-SRF06超聲距離傳感器原理圖

2.3角度傳感器

該裝置選用Risym ADXL345數字式傾角傳感器（加速度傳感器）作為距離傳感器探測范圍監測的快速響應傳感器。該傳感器是一種基于單軸陀螺儀改進而來的加速度傳感器，其優點在于收到環境干擾較小，體積占用極小，能保證全天候在任何環境條件下較為穩定地工作，且精度較高，響應速度快。

2.4電機驅動模塊

L298N電機驅動模塊是一種雙H橋電機驅動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48V，邏輯部分5V供電，接受5V TTL電平。一般情況下，能收單片機控制調節電機轉速與方向，工作穩定。其驅動板模塊如圖4所示。

圖4　L298N電機驅動板模塊示意圖

2.5執行模塊

電機的轉動由 L298N電機驅動模塊驅動。通過 Pascal語言對單片機編程，控制L298N電機驅動模塊控制電動機在0°（設定與汽車行駛方向一致）至90°（逆時針轉動為正向，與汽車行駛方向垂直）之間快速轉動。

交通法規規定，夜間距對方來車至少 150 m，處關閉遠光燈開啟近光燈，按照國家二級公路汽車用雙向二車道的寬度范圍9-11m，取車間距約為單車道款的上限值為5.5 m，假設道路為直線，根據計算可得，在會車時，車輛的直線距離最遠為150.1m；當相互間距離縮短到25 m或更短時，直接眩目的作用下降[3]，取x的下限值為10 m，可得相會兩車的水平縱向距離范圍 10m≤S≤150.1m。因此，在實際程序中，僅當車距在 10m≤S≤150.1m，此時才進入距離傳感器的檢測范圍。由于模擬實驗所用的傳感器限制，在本實驗中，探測范圍為0≤S≤600cm，在HY-SRF06超聲波距離傳感器的最大量程范圍內，故HY-SRF06超聲波距離傳感器能探測距離并返回數值。

HY-SRF06超聲波距離傳感器固定于直流電機輸出端，由電機帶動在 0°-90°之間轉動（同樣逆時針轉動為正向）。HY-SRF06超聲波距離傳感器每秒主動發射8個50%占空比，頻率為40KHz的高頻超聲脈沖，并接收返回脈沖信號，即每秒最多可得8組距離探測數據。在實際模擬情況下，無障礙物時，探測距離均為“正無窮大”或者輸出“math error”（超出范圍）（探測距離單位為cm）；當傳感器收到高平電（3-5μs）時，即障礙物進入探測范圍，實際情況為汽車距離障礙物距離小于等于設定的燈光調節起始距離值時間，此時高平信號返回進入上一環節單片機，控制L298N電機驅動模塊驅動直流電機僅在有脈沖信號返回值的范圍內轉動。電動機僅在有脈沖信號返回值的范圍內轉動（實現被探測物體的跟蹤）。

根據亮度與照度間的關系：L=R×E，式中，L為亮度,R為反射系數（在這里近似可以只考慮空氣與汽車玻璃的反光系數）,E為照度；以及照度與光源的發光強度（光強 I）間的關系：E=I×D-2，式中，I為光源光強，D為實測的車距。可得，光源光強滿足關系式：E=L/R；同時可得：L=R×(I×D-2)。

已有研究數據表明，人體最佳舒適光感強度為106cd/m2，所以此處光強D可以用106cd/m2代入，D車距由上述超聲傳感器捕獲。汽車前擋風玻璃反射系數為7%～17%不等，在用LED燈貼片的模擬實驗中，均使用平均值，即反射系數確定為12%，不考慮空氣的反射系數。

由此可得：L=12%×（106×D-2），只需獲得車距數據即可換算為此車距上人次最感舒適的前照燈燈光強度。

本實驗裝置中的光線傳感器安裝在LED燈組附近，檢測即時LED燈組亮度，輸出值為L2，為主程序的輸入亮度值。由程序判斷L2與程序4中任意車距上人體最感舒適亮度L比較，若 L2>L，則控制 555定時器降低電脈沖頻率（正常為40KHz，正常工作電壓5V），直至L2≤L。由于超聲傳感器數據接收頻率為8次/秒，因此在本實驗中，LED燈組能夠根據實測與障礙物之間的距離（模擬來車的距離），每秒調節8次亮度，近似可認為LED燈組亮度連續且緩慢地自動調節。

當障礙物過遠或者沒有障礙物時，超聲傳感器探測距離為無窮大，此時程序控制距離傳感器模塊處于循環工作狀態，亮度反饋數值 L2保持車燈原有的亮度值，即車燈不改變燈光強度。

3、軟件設計

本系統的核心控制部件采用可編程主控芯片 AT89S52型單片機，采用Pascal語言編程[6,7]。主程序展示單側燈光自動感應調節控制裝置的骨架，體現控制系統功能邏輯關系。在本系統中，首先由超聲距離傳感器、光線傳感器進行數據采集，并將采集信號轉化為電信號輸出給計算模塊，由計算模塊進行快速處理，根據預先設定的程序計算出控制信號，即任意時刻距離時的人體最感舒適光線強度數值（理論數值），并與光線傳感器采集到的數值（實際數值）進行對比，如果計算所得的理論數值大于實際數值，計算模塊則不輸出任何信號；如理論數值小于實際數值，則由計算模塊輸出一個控制信號，輸出給電壓控制模塊，并由電壓控制模塊控制單側前照燈電路中的有效電壓，從而使得單側前照燈的光線強度下降到該時刻的人體最感舒適光線強度值。超聲距離傳感器、光線傳感器持續不斷地進行數據采集，使得以上計算流程不斷循環，達到快速響應并控制單側前照燈電路中有效電壓的目的。系統主程序控制流程如圖5所示。

圖5　主程序控制流程圖

4、模擬裝置實驗結果

試驗用的汽車單側燈光自動感應調節控制裝置是一依據汽車前照燈工作原理縮小設計的模型裝置，其構成為電源、各傳感器、基于單片機的微處理器、電流/電壓輸出模塊、LED燈組，其中由5V 1A鋰電池電源代替12V車載鉛蓄電池；LED燈組模擬汽車前照燈的實際使用情況。

在L298N的有效控制下，低速直流電動機保持90°/s的速度往復轉動，超聲距離傳感器車距數據獲得頻率穩定 25 次/秒，數據反饋無障礙。

根據會車車距數據信息，微處理器（單片機組）能精確計算出該車距下的人體最感舒適光線亮度，計算頻率為50HZ，有效數據輸出為25HZ，即25次/秒，輸出至執行模塊，信息傳輸無障礙。

在模擬實驗條件下（模型車長約20cm，距離前方探測范圍內的目標障礙物距離在6m之內），傳感模塊能快速自動捕獲目標方向并測得誤差范圍內的距離值；執行模塊能連續、快速地完成計算并調節電流輸出。

PWM 模塊能全程保持工作狀態，在獲得控制模塊信號后，能夠實現快速、精確地探測來車數據，并完成快速計算，自行改變高電平信號（5V）輸出頻率，調節電路有效電流，將LED燈組的亮度值在1s內調整至實際距離下人體最感舒適亮度值。實測數據顯示，LED燈組亮度數值符合人體最感舒適亮度計算公式計算結果（誤差±5cd，屬正常誤差范圍，誤差來源于信號傳輸時間延遲）。

該模擬實驗裝置已做出相應的燈光亮度調節控制動作，且已通過60次模擬實驗測試，各組實驗數據均在正常誤差范圍內，符合本設計要求。

5、結論

汽車前照燈單側燈光自動感應調節裝置能快速、精確地探測來車數據，并完成快速計算，做出相應的燈光亮度調節控制動作，且實驗指標均在正常誤差范圍內，該裝置經多次不同距離、方向條件下的模擬實驗測試，運行正常、穩定，裝置反應速度較為靈敏。

該裝置可根據不同汽車的構造及行駛環境的需要，合理設置裝置的探測角度范圍、探測距離、電流或電壓值、人體最感舒適燈光強度值，或合理更換部分適合實際條件的傳感器或執行模塊，即可實現全天候自動感應調節行車來車時的燈光強度，以有效緩解夜間行車由于燈光刺眼、炫目而導致交通事故頻發的問題。

[1] 禚寶國.汽車前照燈炫目與兩車相向運動位置的分析[J].北京汽車,2014,(3):34-36.

[2] 涂志軍.汽車自適應前照燈系統的方案設計[J].汽車零部件,2011, (10):67-70.

[3] 賀平.汽車防炫目技術研究[D].汽車零部件.長沙:湖南大學,2005. [4] 房旭,姚勇.智能汽車前照燈系統（AFS）研究[J].汽車技術, 2006,(4):17-20.

[5] 方英蘭,朱向冰.自適應前照燈的功能及實現[J].燈與照明, 2010,34 (2):14-18.

[6] 肖曉霞,羅鐵青,彭瑩瑩.C語言程序設計[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[7] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2010.

The Automatic Induction Adjusting Control Device of Unilateral Lights for Automobile Headlamps

Zhang Yihang, Wang Xiaoyan, Fang Yaxiu
( College of Engineering, Zhejiang Normal University, Zhejiang Jinhua 321004 )

The automatic induction adjusting control of unilateral lights for automobile headlamps controlled by programmable master control chip AT89S52 which is the core of electric control unit is made, the work principle and hardware constitute of the device are particularly described, the research and design of executive module, motor drive module, angle sensor, range sensor and light sensor is focused, it is programmed with Pascal language, the main program displays the logic control relation of the control device. The experiment result of the simulator shows that all the data are within the error range and comply with the design requirement.

headlamp; microcontrollers; sensor; luminousintensity

浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目（2015R404031）；浙江師范大學第十七期學生課外學術科技活動項目。

章奕航，就讀于浙江師范大學。學院本科生，研究方向為汽車電子技術。通信作者：王曉燕，就職于浙江師范大學工學院，主要從事汽車電子技術和系統控制研究。