基于MC9S12XS128單片機的汽車智能照明系統設計

楊永鑫，馮川

(濱州學院機電工程學院，山東濱州 256600)

0 引言

現代汽車中，電器設備成本已占到整車成本的30%以上。據統計，汽車上70%的革新來自汽車電子技術及產品[1]。智能照明系統作為汽車電器設備重要的組成部分，關乎車輛夜間行駛的安全性。對于汽車類專業學生而言，掌握智能照明系統組成和工作原理非常重要。開發的汽車智能照明系統能夠實現車燈的近遠光切換、輔助車燈開閉和轉向燈閃爍等功能，對幫助學生理解汽車照明系統的結構和控制過程具有積極的作用。

1 系統工作過程

系統工作過程如圖1所示：由安裝在車輛時速表的光電開關獲取當前實時車速，根據裝備在方向盤方向柱內的轉角傳感器檢測汽車轉彎時的轉向角度，使用紅外測距傳感器和光敏電阻來共同測量車輛前方障礙物及會車情況；單片機接收并處理以上信號，對車輛的行駛速度、所處路況和光線環境的變化進行判斷，驅動各執行機構，實現近遠光切換、輔助車燈開閉及轉向燈閃爍等功能，實現汽車照明系統的智能化控制。此外，通過檢測照明系統中各機構的反饋信號判斷系統是否處于正常的工作狀態，如出現錯誤，及時提醒駕駛員進行處理。

圖1 汽車智能照明系統工作過程

2 系統硬件設計

汽車智能照明系統硬件電路主要由微處理器、電源穩壓模塊、前照燈驅動模塊和信號采集模塊等組成。

2.1 微處理器

微處理器選用Freescale公司推出的增強型16位單片機MC9S12XS128作為主控芯片，該單片機采用CPU12X V2內核，可運行40 MHz總線頻率。片內集成以下資源[2]：

存儲器：128 kB Flash,2 kB EEPROM,8 kB RAM;

A/D：16通道模數轉換器，可選8位、10位和12位精度；

PWM：8位8通道或16位4通道PWM；

通信：包含2個異步串行通信接口和3個1Mb/s的CAN總線接口；

CRG時鐘：具有鎖相環、看門狗和實時中斷。

2.2 電源穩壓模塊

系統中單片機和各模塊電路工作電路均為5 V，車載蓄電池和交流發電機所提供電壓為12 V左右，因此需設計專門的電壓轉換電路，實現降壓穩壓功能。

考慮到電源供電電壓具有一定波動性，為保證系統穩定供電，選用LM2940作為此智能照明系統電源模塊的穩壓芯片，以此實現系統供電電壓的平穩轉換。

LM2940穩壓芯片具有以下參數特點[3]：輸出電流為1 A；輸出電壓為5 V；最大輸入電壓為26 V；具有過熱保護、過流保護和短路保護等功能，完全能夠滿足系統的工作需求。電源穩壓模塊電路如圖2所示。

圖2 電源穩壓模塊電路

2.3 驅動模塊

智能照明系統轉向燈的閃爍由閃光器電路驅動實現。閃光器多諧振蕩器又稱為無穩態觸發器，即其沒有穩定的輸出狀態，只存在兩種暫時穩態。當電路處于某一暫時穩態后，經過一段時間可自行觸發翻轉到另一暫時穩態，兩個暫時穩態自行相互轉換輸出一系列矩形波[4]。

此系統選用555定時器設計的閃光電路如圖3所示。

圖3 閃光器驅動電路

接通電源后，如此時輸出為高電平，則電容C1充電，充電回路由電源VCC經R1、RP1和C1到地。電容C1兩端的電壓按指數規律增長，當達到2/3電源電壓，即TH和TL端電平大于2/3VCC時，輸出翻轉為低電平。若電源接通后為低電平輸出，則電容C1放電，放電回路經C1、RP1、555芯片7引腳到地形成回路，C1端電壓按指數規律下降，當下降到1/3電源電壓，即TH和TL端電壓小于1/3VCC時，輸出電壓翻轉為高電平，電容C1再次充電。如此周而復始，產生振蕩。系統主要參數為

輸出高電平時間T1=(R1+RP1)×C×ln2

輸出低電平時間T2=RP1×C×ln2

振蕩周期T=(R1+2×RP1)×C×ln2

由以上分析可得，調節可變電阻RP1即可改變輸出振蕩信號的頻率，驅動信號從引腳3輸出一個高低電平，控制D1和D2兩個前照燈的閃爍。當輸出信號為高電平時，D2燈亮，D1燈不亮；當輸出信號為低電平時，D2燈不亮，D1燈亮?？蓪崿F雙燈閃爍的效果，且閃爍的速度可調。

2.4 信號采集模塊

2.4.1 光強檢測電路

此系統通過光照強度傳感器檢測車輛前方的光線情況，判斷是否有會車發生，并驅動執行機構完成近遠光切換操作。

光強檢測電路主要包含光敏電阻和模數轉換(A/D)兩部分。光敏電阻可根據車輛所處環境光照強度的變化改變自身阻值，并通過檢測電路轉換為電壓變化。車輛前方光照強度越強，電阻值變化越大，轉換后的電壓值也越大。該電壓信號通過A/D轉換為精確的數字信號，傳遞給單片機以作處理。光強檢測電路如圖4所示。

圖4 光照檢測電路

2.4.2 車速信號采集電路

車速表上安裝的光電開關完成車速信號的采集。光電開關由作為光源的發光二極管和作為受光器的光敏二極管組成，信號盤裝在兩二極管中間，由發動機提供動力使其轉動，信號盤轉速與發動機轉速成正比。發光二極管作為輸入端，供電工作后發射光信號，此信號通過信號盤上的光孔被光敏二極管接收。

當信號盤轉到光孔處，光線信號通過光孔，光敏二極管接收到光信號，電阻值變低，輸出電壓值升高。轉到遮光處時，光線信號被遮擋，無法被光敏二極管接收，此時光敏二極管電阻值升高，輸出電壓值降低。綜上所述，光電開關輸出的是一個變頻率的方波信號，其頻率由車速決定。車速信號轉換電路如圖5所示。

圖5 車速信號轉換電路

2.4.3 紅外測距電路

紅外測距電路主要由發射電路和接收電路兩部分組成。工作時由發射電路的紅外放光管發射紅外光波，光波遇到被測物體反射回來，由接收電路中的光敏接收管吸收，根據所吸取光波強弱程度判斷被測物體與傳感器的實際距離。

(1)紅外測距發射電路

紅外測距發射電路如圖6所示，由控制電路開閉的三極管和放大電路組成。單片機接收到紅外測距傳感器控制引腳Vin的信號后，驅動發射電路三極管導通，信號經放大后傳送到與放大電路集電極連接的紅外發光二極管，完成紅外光波的發射。

圖6 紅外測距發射電路

(2)紅外測距接收電路

紅外測距接收電路如圖7所示，由光敏接收管和兩級放大電路組成。光敏接收管TPS708吸收經被測物體反射回的紅外光后，可根據光線強度產生對應大小的電流信號，該信號經兩級放大器放大后轉換為電壓信號。此信號輸入至單片機經A/D轉化計算即可得出測量物體距傳感器的實際距離。

圖7 紅外測距接收電路

2.4.4 方向盤轉角采集電路

智能照明系統以方向盤轉角信號判斷車輛轉動時的偏轉角和偏轉方向，以此控制轉向燈的開閉。方向盤轉角傳感器安裝在方向盤轉軸上，由中間的大齒輪和兩側的2個小齒輪組成。大齒輪跟隨方向盤轉動而轉過相應角度，帶動兩側的小齒輪運動。由于兩小齒輪的齒數相差特定值，因此其轉動的角度會發生差異，并產生不同相位的兩個轉角信號[5]。單片機可根據兩個小齒輪輸出的相位關系，計算得到方向轉向及轉角值。

方向盤轉角采集處理電路如圖8所示，傳感器輸出的模擬信號經過低通濾波處理，隨后被接入電壓跟隨器，提高輸入阻抗，最終信號傳送至單片機進行計算處理。

圖8 方向盤轉角采集處理電路

3 系統軟件設計

3.1 燈光模式控制

微處理器根據車速及光照強度傳感器信號判斷車輛所處的路況環境，控制前照燈及輔助燈光的開閉模式。當車速傳感器返回當前速度小于60 km/h時，單片機輸出高電平，控制輔助車燈繼電器通電，接通兩側輔助燈光電源，以拓展照明寬度滿足當前行駛需要。當車速傳感器返回當前速度大于60 km/h時，單片機輸出低電平，與輔助車燈相接的繼電器斷電，切斷兩側輔助燈光電源。根據光照強度傳感器輸出信號檢測會車狀態，無會車時，默認遠光燈開啟，增加照明強度，滿足行駛需要。

3.2 近遠光自動切換功能

微處理器根據紅外測距傳感器和光照強度傳感器返回的信號，判斷當前是否出現會車情況。在汽車行駛過程中，若紅外測距傳感器返回前方特定距離內出現被測物體信號且光照強度傳感器同時返回前方具有特定光強信號時，即存在會車可能[6]。單片機控制與近光燈供電端相連的繼電器接通，切換至近光燈狀態。若兩傳感器輸出信號發生變化，即表示會車過程結束，單片機控制與遠光燈供電端相連的繼電器接通，切換為遠光燈狀態。

4 系統工作情況

汽車智能照明系統如圖9所示。

圖9 實物模型

圖10與圖11分別表示系統執行遠光及近光照明時的情況。可知：智能照明系統可穩定實現近遠光的單獨控制，并準確完成兩者的自由切換。

圖10 實物模型遠光照明

圖11 實物模型近光照明

圖12—圖14表示系統兩側輔助車燈單獨及同時開啟時的情況。可知：當汽車在轉向過程中，智能照明系統可單獨實現左、右任一側輔助燈光開啟，以使駕駛員獲得更好的行車視線。此外，當前方視野復雜時，系統還可控制兩側輔助燈光同時開啟，以增強照明效果。

圖12 左側輔助燈光開啟 圖13 右側輔助燈光開啟 圖14 雙側輔助燈光開啟

5 總結

基于MC9S12XS128單片機設計的汽車智能照明系統可根據光線強度、車速、距離及方向盤轉角等傳感器信號，判斷當前車輛的行駛狀態，選擇合適的照明模式，實現近遠光自動切換、輔助車燈開啟及轉向燈閃爍燈功能。實驗結果表明，該智能照明系統具有良好的穩定性及可靠性。