基于加速度的汽車剎車燈控制器設計

王楠，蘆錦煥，黃秋霞

（臺州職業技術學院浙江臺州318000）

基于加速度的汽車剎車燈控制器設計

王楠，蘆錦煥，黃秋霞

（臺州職業技術學院浙江臺州318000）

為了使汽車剎車燈給后車提供剎車深度的信息，根據最新實施的國家標準選裝緊急制動指示裝置要求，采用單片機+加速度傳感器的模式，設計了一種基于減速程度的剎車燈控制器。將減速度分為緊急剎車，中度剎車和輕度剎車3種狀態，并給出不同頻率的閃爍燈光，提醒后車注意。控制器直接串接于原車剎車燈的驅動線中，安裝方便、可靠，它對避免汽車被追尾有較大的實用價值。

汽車安全；剎車燈；加速度；閃爍

在我國高速公路事故中，追尾碰撞數據約占了三分之一，在德國約占17%，美國占到了31%［1］。在國內，隨著汽車保有量的大幅提升，新手越來越多，追尾事故更是層出不窮。追尾的原因，一方面是新手對制動距離把控不準，另一方面，由于制動燈信號沒有區別，后車誤把前車的急剎車當成普通減速而沒有及時采取“同步剎車”［2-4］。所以前車緊急制動時通過某種方式及時提醒后車駕駛員，為后車提供更多的減速剎車時間將有效減少事故的發生。研究表明，使用閃爍燈光與傳統制動燈相比，司機的反應能夠縮短0.2秒。在80 km/h的速度下，制動距離能縮短約4.4m，100 km/h時可縮短5.5m。這4～5m的距離，不僅能有效預防追尾事故的發生，讓交通更加順暢，還減少了許多不必要的損失。

據統計，我國2014年底汽車保有量達1.54億輛，其中私家車達1.05億輛，比2013年增加19.89%，接下去幾年的產銷量總體上會保持目前的趨勢。國家工信部裝備工業司副司長王富昌預測，到2020年，全國汽車保有量將超過2億輛。然而市場上配備了緊急制動信號識別裝置的車輛還比較少，因此研發推廣此控制器有廣泛的社會和經濟價值。

1　設計方案

剎車燈控制能夠在司機踩下剎車后實時判斷車輛減速程度，當減速度達到預設值后，控制器驅動LED剎車燈以快速、中速或者長亮方式點亮，從而及時提醒后車司機采取相應措施。雖然這樣的技術要求可以通過修改汽車電子集成系統（ECU）來實現，但人們對汽車電子的可靠性和安全性要求非常高，ECU系統更是要求百分之一百的可靠，所以汽車ECU廠家在設計中寧愿舍棄一些創新功能而不會輕易改版，在汽車改裝中，技術人員更是不會觸及ECU系統。為此，本汽車智能剎車燈設計完全脫開原車ECU系統，從安裝方便，安全可靠的角度出發，減速程度信號由安裝于控制器內的加速度傳感器獲得，剎車信號來自于原車的剎車燈電源線。控制器連接示意圖如圖1。

圖1　控制器連接示意圖

產品設計中特別注意的地方有：1）經過改裝的剎車燈首次點亮不能比改裝前有延遲；2）控制器輸出電阻要盡量小，即不能明顯影響原剎車燈的亮度；3）汽車電源（剎車燈電源）電壓波動較大，還會有高頻脈沖干擾，控制器要有較好的EMC性能［5］。

2　硬件設計

根據設計思路，控制器串接于原剎車燈電源線路中，控制器的電源來自原車剎車燈的電源，只有當剎車踩下時，剎車燈得電，控制器隨之工作，控制器結構框圖如圖2［6］。

圖2　控制器結構框圖

微控制器選用美國MICROCHIP（微星）公司系列單片機PIC12F1822，微星單片機是全球穩定性、抗干擾性最好的單片機之一，雖然價格偏高，但用在汽車電子上還是首選。PIC12F1822采用最新nanoWatt XLP技術生產的超低功耗小型單片機，SOP8封裝，在1.8V工作電壓時待機電流低至20 nA，它內部帶有可編程的精確振蕩器，PWM模塊和IIC通信模塊。

加速度傳感器選用美國ANALOG公司生產的ADXL345，該傳感器是一款小而薄的超低功耗高分辨率3軸加速度計，測量數據可通過IIC方式與單片機進行通訊，傳感器與單片機的連接方式如圖3所示。

控制器串接于原車的剎車燈電源線上，一旦剎車燈電源線得電，剎車燈馬上亮起，不能有延遲。因此，在設計輸出的控制電路中，要考慮單片機在上電瞬間，未進行初始化前，剎車燈要處于亮的狀態。具體電路如圖4。RA5為PIC單片機的輸出引腳，該引腳在復位階段和初始化前為輸入狀態，即高阻狀態，對電路不產生影響，此時，NMOS管控制腳為高電平，MOS管導通，剎車燈點亮，首次點亮速度無任何延時。NMOS管選用LR7843，該MOS管平均電流達11 A，導通電阻3.3mΩ，對剎車燈的亮度無影響。

圖3ADXL345與單片機的連接圖

圖4　剎車燈輸出控制圖

單片機PIC12F1822的工作電壓為1.8～5.5V，加速度傳感器ADXL345為2.0～3.6V，為了匹配兩個器件的工作電壓，控制電路電源經過多級保護后使用AMS1117作為穩壓器件，輸出電壓固定為3.3V。具體電路如圖5所示。

圖5　電源變換電路

控制器可以單獨控制高位剎車燈，也可以稍加改造，控制所有的剎車燈，同時還可以引入車速信號，使之完全符合《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》的要求。

3　軟件設計

單片機編程采用MPLAB軟件，可使用C語言編譯器，程序主流程圖見圖6。初始化過程主要是設置端口以及I2C模塊等。讀取加速度值是單片機與加速度ADXL345按照I2C通訊協議獲取3軸加速度值，需要注意的是受到車輛振動，控制器安裝角度等因素影響，加速度可能在X、Y、Z 3個方向均會出現偏離值，在判斷時需要進行修正。參照國家標準并結合實際情況，當減速度達到6m/s2及以上時，認為是緊急制動，4m/s2至6m/s2為中度剎車，4m/s2以下為輕度剎車。緊急制動時高位剎車燈以4 Hz頻率閃爍，中度剎車時2.5 Hz閃爍，輕度剎車時燈常亮，與傳統剎車燈模式相同。當車輛踩住剎車靜止10s以上，高位剎車燈仿照“呼吸燈”模式輸出頻率約為1 Hz的漸明漸暗燈光，如車輛處于等待紅綠燈狀態時，對后車司機情緒有一定舒緩作用。

4　生產工藝設計

汽車環境相對惡劣，經常處于高低溫、潮濕、灰塵等環境，控制器使用鋁外殼，鋁殼由電路板外殼專用型材切割而成，型材內有卡槽，電路板可直接卡入鋁型材卡槽。電路板上所有器件采用貼片封裝，使用全自動貼片機可以一次性貼裝到位，焊接后的電路板經過高溫老化后進行檢驗，模擬高速減速方式比較困難，在實際檢驗中，只需通電10s后，觀察是否有“呼吸燈”輸出即可。由于ADXL345元件采用14腳基板柵格陣列封裝（CC-14-1），引腳在元件底部且間距只有0.25 mm，受到加工工藝影響，部分電路板會有虛焊或元件偏移的問題，此類電路板通常用熱風槍將ADXL345擺正重新焊接即可。為了增強防水性和散熱性，電路板安裝到鋁殼后，用硅膠灌封。為了安裝方便，鋁外殼貼上3M雙面膠，用戶只需將原車的高位剎車燈電源線斷開，串入控制器，并將控制器水平粘貼在汽車內即可。

圖6　主流程圖

5　結論

文中根據國家標準和實際應用，設計了一款由單片機和加速度傳感器為核心的剎車燈控制器，給出了具體的電路圖和軟件設計主流程圖，對設計中的注意點進行了比較詳細的闡述。安裝該剎車燈控制器后，當車輛發生緊急制動時剎車燈會自動快速閃爍，使后車駕駛員很容易區分普通剎車和緊急剎車，并采取相應的避讓措施，從而最大限度地降低追尾事故的發生。

［1］韓天龍.汽車智能化防追尾碰撞系統的研究［J］.機械制造與自動化，2012（3）:146-147，150.

［2］盧珞先，吳恒.基于ATmega8L的智能LED緊急剎車燈的設計［J］.國外電子元器件，2008（4）:69-71.

［3］袁剛強，鄧世建，吳玉康.基于AVR的新型防汽車追尾安全裝置設計［J］.電子設計工程，2009（10）:61-62，65.

［4］陳鑫，龔曉峰，楊斌，等.一種三級智能預警剎車控制及其顯示系統設計［J］.計算機測量與控制，2012（11）:3054-3056.

［5］何宇虹.LED車燈電磁騷擾驅動設計及整改探討［J］.中國高新技術企業，2015（26）:32-33.

［6］王楠.一種車輛緊急制動信號燈:中國，2014207590876［P］.2015-05-06.

Design of the vehicle brake light controller based on acceleration

WANG Nan，LU Jin-huan，HUANG Qiu-xia
（Taizhou Vocational&Technical College，Taizhou 318000，China）

In order to provide brake depth to the rear vehicles，according to the requirement of national standards for emergency braking device which implemented latest，we design a brake light controller based on the vehicle deceleration degree using the MCU+acceleration sensor model which classifies the speed into three statuses-emergency braking，medium braking and light braking，and it gives different frequencies of flashing lights to alert the rear vehicles.The controller connect to the original car driving line of brake lights directly，it's reliable，easy to install，and it creates significant and practical values on avoiding rear-end collision.

vehicle safety；brake light；acceleration；flashing

TN98

A

1674－6236（2016）17-0171-02

2015-08-29稿件編號：201508166

浙江省大學生科技創新項目（2014R460002）；臺州職業技術學院大學生科技創新項目（2013DKC02）

王楠（1983—），女，浙江臺州人，碩士，講師。研究方向：嵌入式控制。