汽車LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 琪，秦曉軍

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.西安公交客車總廠，西安710085）

汽車LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 琪1，秦曉軍2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.西安公交客車總廠，西安710085）

作為汽車主動(dòng)式安全裝置之一，汽車照明系統(tǒng)對(duì)行車安全有重要意義。在分析了現(xiàn)有汽車照明系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，采用新型固態(tài)光源LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源用于汽車照明,根據(jù)汽車各個(gè)車燈的功能和特點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了汽車LED燈光控制系統(tǒng)，包括控制電路和LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。以單片機(jī)XC164為控制核心，完成參數(shù)實(shí)時(shí)采樣分析，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制LED的狀態(tài)。LED驅(qū)動(dòng)電路部分選用電流模式LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834芯片，針對(duì)汽車照明系統(tǒng)的工作要求，通過搭建開關(guān)電源的升壓、降壓電路，設(shè)計(jì)出一種寬功率范圍的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車照明系統(tǒng)的檢測(cè)和控制，具有良好的應(yīng)用前景。

照明系統(tǒng)；固態(tài)光源；驅(qū)動(dòng)；恒流；寬功率；檢測(cè)

1 引言

作為汽車主動(dòng)式安全裝置之一，汽車照明系統(tǒng)不但讓駕駛者能實(shí)時(shí)了解汽車狀況，更是安全駕駛過程中必備的條件，對(duì)行車安全有重要意義[1]。LED燈具依靠其功耗低、壽命長(zhǎng)、亮度高以及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)日光燈、白熾燈等能耗高、壽命短、污染環(huán)境的缺點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的技術(shù)之一[2]。用LED光源取代傳統(tǒng)汽車燈具光源，有利于節(jié)約能源和減少重金屬污染，尤其適合未來汽車注重節(jié)能的設(shè)計(jì)理念[3]。輸出穩(wěn)定的恒流LED驅(qū)動(dòng)是整個(gè)汽車LED照明系統(tǒng)性能的前提，對(duì)汽車駕駛安全起著十分重要的作用。因此合理設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動(dòng)電路[4]，是LED燈能夠在汽車照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

汽車LED燈光控制系統(tǒng)是在分析現(xiàn)有汽車照明系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，開發(fā)的恒流限壓系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)可對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，使LED獲得穩(wěn)定輸出。同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下以最佳方式控制LED電流大小，實(shí)現(xiàn)良好的照明[6]。

2 汽車LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 汽車照明系統(tǒng)分析

根據(jù)汽車燈的功能、安裝位置及控制方式不同，汽車燈控制系統(tǒng)可分為前照燈照明系統(tǒng)、車內(nèi)照明系統(tǒng)和信號(hào)燈照明系統(tǒng)[7-8]。

（1）前照燈照明系統(tǒng)

汽車前照燈主要用于夜間行車時(shí)道路的照明，一般安裝在汽車頭部?jī)蓚?cè)，分為遠(yuǎn)光燈和近光燈，遠(yuǎn)光燈功率一般為45-60W，照射距離較遠(yuǎn)；近光燈功率一般為25-55W，照射距離較近。

（2）車內(nèi)照明系統(tǒng)

汽車車內(nèi)照明系統(tǒng)可以減輕駕駛員的疲勞，提高舒適程度，幫助駕駛員得到大量可讀和清晰的信息。其中，儀表功率一般為2-8W；車頂燈一般安裝在駕駛室或車內(nèi)頂部，功率一般為5-8W；閱讀燈功率一般為5-8W；踏步燈用于照明車門踏步處，功率一般為5-8W。

（3）信號(hào)燈照明系統(tǒng)

信號(hào)燈主要作用是及時(shí)提示其他車輛或者行人該車的行駛動(dòng)態(tài)，提高行車安全。其中，轉(zhuǎn)向燈分為前轉(zhuǎn)向燈、后轉(zhuǎn)向燈和側(cè)轉(zhuǎn)向燈，分別安裝在車輛前部、后部和側(cè)部。一般側(cè)轉(zhuǎn)向燈的功率是5W，前轉(zhuǎn)向燈和后轉(zhuǎn)向燈的功率為21-27W。霧燈裝在前照燈附近或比前照燈稍微低的位置，為迎面來車提供車輛行駛信號(hào)。燈的功率一般為35W。示寬燈功率一般為5W左右。剎車燈通常分為尾部剎車燈和高位剎車燈，具備剎車警示功能，功率一般為21W。倒車燈裝于汽車尾部，用于照亮車后道路和告知后方車輛行人汽車的行駛動(dòng)向，功率一般為28W。停車燈在汽車臨時(shí)停車或熄火時(shí)，提示其他車輛或行人車輛的行駛動(dòng)向，功率一般為5W。

2.2 汽車LED燈光控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車各個(gè)車燈的功能和特點(diǎn)，以XC164單片機(jī)為控制核心，實(shí)時(shí)采集溫度、亮度、電壓信號(hào)，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制近光燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈和剎車燈的狀態(tài)，使其保持恒流輸出，設(shè)計(jì)汽車燈控制系統(tǒng)原理框圖1所示。

圖1 汽車LED燈光控制系統(tǒng)原理框圖

3 汽車LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車LED燈光控制系統(tǒng)是針對(duì)LED的特點(diǎn)開發(fā)的恒流限壓控制電路，利用集成電路技術(shù)將LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。同時(shí)，單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓、環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)LED工作。硬件電路分為L(zhǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)控制電路兩部分。

3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路部分以MAX16834芯片為核心，MAX16834是電流模式大功率高亮度LED驅(qū)動(dòng)器，可組成升壓、降壓、升-降壓拓?fù)洹＿h(yuǎn)光燈是基于Max16834的BOOST電路，其余燈組均為基于Max16834的BUCK電路。

3.1.1 基于Max16834的升壓電路設(shè)計(jì)

Max16834的升壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 基于Max16834的BOOST電路原理圖

輸出指標(biāo)為輸出電壓36V，輸出電流700mA，對(duì)應(yīng)于前照大燈。

3.1.2 基于Max16834的降壓電路設(shè)計(jì)

Max16834的降壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 基于Max16834的BUCK電路原理圖

3.2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測(cè)電路主要通過傳感器實(shí)時(shí)采樣大功率LED燈的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，并且將電壓、亮度和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，供現(xiàn)場(chǎng)直觀讀取，以便隨時(shí)做出調(diào)整。電路由單片機(jī)主電路、檢測(cè)電路（包括電壓檢測(cè)，亮度檢測(cè)，溫度檢測(cè)）、PWM驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、系統(tǒng)供電電路五部分組成。其中單片機(jī)主電路以XC164為核心，輔以時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和看門狗電路，如圖4所示。

圖4 單片機(jī)電路

外界環(huán)境亮度檢測(cè)由3組位于汽車不同位置（前身，側(cè)身，頂部）的亮度傳感器完成。亮度傳感器為置于感光位置的光敏電阻GM5528，它通過分壓電路輸出隨環(huán)境亮度變化而變化的電壓，如圖5所示。溫度監(jiān)控電路使用熱敏電阻MF58構(gòu)成分壓電路，將溫度值變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，如圖6所示。狀態(tài)監(jiān)控電路通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別采樣各路LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，并以此判斷LED燈的工作狀態(tài)，如圖7所示。

圖5 環(huán)境亮度采集電路

圖6 溫度采集電路

圖7 電壓采集電路

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)不僅要能完成基本的車燈開關(guān)控制，還要能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，車燈亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和人工亮度調(diào)節(jié)。因此軟件功能包括以下幾個(gè)方面:

（1）車燈開關(guān)控制

功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，完成燈光開關(guān)控制。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)

軟件功能可描述為，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED工作環(huán)境溫度，對(duì)采樣的溫度結(jié)果比較判斷，超過80度時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)過溫提示信息，并根據(jù)采樣的A/D值動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM輸出脈沖的占空比。

（3）亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)

具體功能表現(xiàn)，環(huán)境亮度變化時(shí)的自適應(yīng)亮度調(diào)整，設(shè)計(jì)模式將環(huán)境亮度按亮度遞減分為三個(gè)等級(jí)，明亮（晴天戶外等），昏暗（戶外陰雨，戶外傍晚，隧道，停車場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)所），漆黑（戶外深夜或其他類似場(chǎng)合）。在三種模式下，自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車燈的亮度到4級(jí)，6級(jí)，8級(jí)亮度。環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增強(qiáng)信號(hào)燈的亮度，在環(huán)境亮度減弱時(shí)，自動(dòng)提高照明燈的亮度，提高駕駛安全性的同時(shí)達(dá)到總體節(jié)能的目的。系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語

隨著LED的光效提高，成本降低，LED正在逐步取代傳統(tǒng)照明光源，成為汽車照明領(lǐng)域的重要光源之一。驅(qū)動(dòng)電路部分選用電流模式大功率高亮度LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834芯片，針對(duì)汽車照明系統(tǒng)的工作要求，通過搭建開關(guān)電源的升壓、降壓電路，設(shè)計(jì)出一種寬功率范圍的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。控制部分以單片機(jī)XC164為核心，完成參數(shù)實(shí)時(shí)采樣分析，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制LED的狀態(tài)。實(shí)踐表明，該測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車照明系統(tǒng)的檢測(cè)和控制，具有較好的研究與應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of Automotive LED Light Control System

Wang Qi1，Qin Xiaojun2
（1.School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China；2.Xi’an Bus General Factory,Xi’an 710085,China）

As one of the automobile active safety devices，the light control system is of great significance to traffic safety.In the analysis of the existing automobile light system，a new solid state light source LED is used to replace the traditional one.According to the function and characteristic of each vehicle，the automotive LED light control system，with single chip XC164 as the core，including the control circuit and the drive circuit，is studied and designed.The parameter sampling and analyzing is completed，and the feedback of the thermal control circuit and light control circuit is output in the form of PWM to control the state of LED.MAX16834，a current LED driver chip，is used for LED drive circuit.According to the working requirements of automotive light system，a LED constant current drive circuit with wide power range is designed by seting up boost and buck circuits.The practice shows that the design can realize the detection and control of automotive light system，which has good application prospects.

Illumination system；Solid-state light；Drive；Constant current；Wide power；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.014

TP216

B

1002-2279-（2017）03-0066-05

西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201608）

王琪（1979-），女，山東省淄博市人，副教授，主研方向：嵌入式、電力電子技術(shù)研究。

秦曉軍（1975-），男，河南省林縣人，助理工程師，主研方向：機(jī)械電子、應(yīng)用電子技術(shù)研究。

2016-10-14