基于單片機(jī)汽車前大燈智能控制系統(tǒng)研究

王文魁

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽111000）

汽車自出現(xiàn)以來幾乎普及到了每個(gè)家庭, 尤其是大批量制造以及汽車產(chǎn)業(yè)迅速成長時(shí)期, 其對全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人們的日常生活起著舉足輕重的作用。現(xiàn)階段,汽車在全球先進(jìn)國家已經(jīng)取得了廣泛的普及, 在我國汽車數(shù)量每年都大量的保持上升。雖然,汽車產(chǎn)業(yè)的不斷成長給人們帶來了現(xiàn)代化的舒適生活,但隨之也帶來了交通事故率的大幅度上升。特別當(dāng)汽車夜間行駛時(shí),對汽車前照燈的不當(dāng)控制會造成不安全的因素。汽車在夜間遇到迎面行駛的汽車時(shí),應(yīng)該將前大燈遠(yuǎn)光調(diào)為近光,會車過后又調(diào)為遠(yuǎn)光。但目前在汽車的前大燈遠(yuǎn)近燈光等信號燈的控制上,汽車生產(chǎn)廠家大多設(shè)計(jì)為手動轉(zhuǎn)換裝置控制,是人工手動操作。由于會車時(shí)遠(yuǎn)近光的使用大多數(shù)由駕駛員的安全意識和自身的修養(yǎng)與素質(zhì)決定,但駕駛員的修養(yǎng)和素質(zhì)參差不齊,因而會產(chǎn)生不安全因素。為此,本設(shè)計(jì)以汽車前大燈的智能控制為研究對象,旨在盡可能地降低不必要的交通事故發(fā)生。

1 汽車前大燈的組成及結(jié)構(gòu)

車輛的照明燈具, 其功能主要是在光照條件不良的情況下對行駛中的道路,以及交通標(biāo)志、其他車輛、行人等進(jìn)行照明,以便駕駛員對行駛中的各類情況進(jìn)行識別預(yù)警。所以全球各地區(qū)的交通管理部門都對汽車照明燈的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定, 并以法律的形式確定下來,從而確保車輛的使用安全。在車輛行駛過程中為了確保駕駛員的行車安全, 汽車的前照燈分成了兩種光束:①遠(yuǎn)光,該光束主要使用在路況不好、照明環(huán)境比較差或者是無會車情況時(shí);②近光,該光束多使用在有照明情況、路況較好或者是有會車的情況時(shí)。對前照燈的整體要求具體有:(1)駕駛員在夜間駕駛車輛時(shí), 前照燈開起的遠(yuǎn)光必須能夠照亮的物體范圍為:車前100m、高為2m,確保駕駛員有足夠的反應(yīng)時(shí)間去發(fā)現(xiàn)車前的人或物體,及時(shí)采取相應(yīng)的制動措施,實(shí)現(xiàn)行車安全。(2)當(dāng)前照燈切換為近光燈時(shí), 需要保證在車前的40m 處駕駛員均可以對前方的物體看清, 并且還要確保開啟的近光燈不會影響對向的行駛車輛,確保夜間會車的安全,同時(shí)還能夠提前預(yù)警其他車輛,及時(shí)規(guī)避。通常為了避免車輛在會車時(shí)有強(qiáng)光刺激導(dǎo)致駕駛員眩目,前照燈在設(shè)計(jì)時(shí)使用了雙燈絲燈泡,兩種燈絲分別為高光束燈絲以及近光束燈絲。當(dāng)車輛在夜間運(yùn)行時(shí),通常需要使用遠(yuǎn)光燈來確保行車安全,通過遠(yuǎn)光燈能夠看清前面道路100m距離遠(yuǎn)的路況,確保了車輛夜間行駛的安全,并且明亮的行駛道路也能有效的提高車速。如今高速上車的照明距離規(guī)定要在200-250 米。當(dāng)車輛行駛在照明情況良好的道路時(shí),特別是當(dāng)出現(xiàn)會車情況,需要打開近光燈,這樣能夠?qū)囈豢痰穆访媲闆r照亮,避免會車車輛的駕駛?cè)藛T出現(xiàn)眩光的情形[1]。

2 傳感器選擇

超聲波傳感器的核心電路由信號發(fā)射器和信號接收器的電路組成。其超聲波接收器的振子一般就是發(fā)射器發(fā)射的振子。超聲波接收器接收到信號之后,利用壓電效應(yīng)的原理,在周期性變化電壓的刺激下,壓電晶片就會發(fā)生形變,發(fā)生振動,進(jìn)而發(fā)出超聲波。超聲波可以通過空氣傳播,其傳播速度可以確定。將超聲波發(fā)射信號到接收到信號的時(shí)間差與已知的超聲波在空氣中的傳播速度相乘,就可得到全程傳播距[2],本文根據(jù)這一原理進(jìn)行判斷超聲波發(fā)射信號位置與障礙物位置的距離。根據(jù)超聲波傳感器元件的不同, 其諧振頻率也從23kHz 到400kHz 不等,隨著諧振頻率的升高,分解力也會相應(yīng)變高,但是檢測距離會由于頻率的升高而縮短。因此本文選擇頻率為40kHz 的低頻率超聲波傳感器作為系統(tǒng)測距裝置。

3 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是將微處理器、一定容量的RAM 和ROM、I/O 口、定時(shí)器計(jì)數(shù)器等電路集成在一塊芯片上構(gòu)成的單片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的體積、結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中可以完全融入應(yīng)用系統(tǒng)之中,故也稱為嵌入式微控制器,本文控制電路是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的,是系統(tǒng)的控制電路的核心,選用STC 宏晶科技公司的STC89C52RC 單片機(jī)作為控制核心, 因?yàn)樗窃鰪?qiáng)型8051 全兼容CMOS 控制器, 加密性強(qiáng),32 條I/O 引線,3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 最高時(shí)鐘頻率80,8KB Flash 程序儲存器,512B數(shù)據(jù)儲存器,編程看門狗定時(shí)器,8 個(gè)中斷源,4 個(gè)優(yōu)先級別,通用異步串行接口,ISP 在系統(tǒng)可編程, 它不僅可以形成一個(gè)強(qiáng)大的復(fù)雜系統(tǒng),而且可以形成一個(gè)更簡單的應(yīng)用系統(tǒng)[3]。主要特點(diǎn)如下;(1) 計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和各種操作模式的可編程設(shè)置。(2) 該指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)增強(qiáng)了加法、減法、乘法、除法、比較和棧運(yùn)算,操作功能大大提高了。(3)是增強(qiáng)型8051 全兼容CMOS 控制器,加密性強(qiáng),32 條I/O 引線。(4)最高時(shí)鐘頻率80,8KB Flash 程序儲存器,512B 數(shù)據(jù)儲存器,編程看門狗定時(shí)器。(5)8 個(gè)中斷源,4 個(gè)優(yōu)先級別, 通用異步串行接口,ISP 在系統(tǒng)可編程。系統(tǒng)硬件電路主要包括控制電路、超聲波接收電路和發(fā)射電路、放大電路、繼電器驅(qū)動電路,通過對這些電路的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)汽車前大燈的智能控制。其控制原理為超聲波傳感器(信號檢測)→STC 單片機(jī)(信號處理及控制)→繼電器(遠(yuǎn)近燈光控制),當(dāng)超聲波距離傳感器檢測到對面來車的距離小于預(yù)設(shè)距離時(shí),單片機(jī)控制遠(yuǎn)光繼電器斷開,控制近光繼電器結(jié)合,從而達(dá)到遠(yuǎn)近光自動控制。

圖1 汽車前大燈變光系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

利用超聲波的高電平去刺激ECU ,ECU 通過輸出高電平,來引接外部5V 的電壓,通過上拉電阻,來控制繼電器的開合,繼電器的線圈端子接入ECU,繼電器控制端子接12V 的蓄電池,來用以給前照大燈供, 電繼電器的連接需要一個(gè)特殊的接口電路和一個(gè)驅(qū)動電路。接口電路可以是MCU 或可編程接口芯片的I/O,通過選定輸出口的某一位輸出為零時(shí),經(jīng)反向驅(qū)動器變?yōu)楦唠娖?使達(dá)林頓管導(dǎo)通從而控制變光。

4 軟件設(shè)計(jì)

對于汽車前大燈智能控制系統(tǒng)來說設(shè)計(jì)硬件電路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,軟件編程非常關(guān)鍵,只有軟件程序和硬件電路圖配合工作,才能完成設(shè)計(jì)所需要的目的。編寫單片機(jī)程序的語言按結(jié)構(gòu)及功能可分為三種:機(jī)器語言、匯編語言和高級語言,本文主要采用匯編語言, 汽車車燈智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能主要是通過處理傳感器檢測到的信號,單片機(jī)進(jìn)行處理,協(xié)調(diào)控制執(zhí)行器件的工作,利用Keil 軟件作為編譯和仿真的平臺,此仿真平臺具有良好的顯示和靈活的窗口管理系統(tǒng), 系統(tǒng)瀏覽器窗口顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息, 調(diào)試還原試圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局, 多項(xiàng)目工作區(qū)簡化與眾多項(xiàng)目,Keil 有很強(qiáng)大的軟件仿真功能, 通過軟件仿真可以發(fā)現(xiàn)很多將要出現(xiàn)的問題,Keil 的仿真可以查看很多硬件相關(guān)的寄存器, 通過觀察這些寄存器值的變化可以知道代碼有沒有正常運(yùn)行[4]。初始化后,先打開各個(gè)車燈進(jìn)行檢測,檢測完后,通系統(tǒng)檢測決定區(qū)分白天未還是黑夜。如果周圍環(huán)境光線較暗,不能適應(yīng)駕駛員的工作要求,則將前照燈開啟,接通工作電路。同時(shí),在汽車的行車過程中,不斷進(jìn)行紅外線檢測。行車位置檢測等,會車、轉(zhuǎn)彎、近距離跟車行駛將燈光處理為近光燈,在無照明的道路上、道路上照明不良行駛時(shí)將燈光處理為遠(yuǎn)光,這有利于給駕駛員減少了許多燈光操作,其程序如下:

這段高電平用來刺激超聲波傳感器發(fā)出聲波信號,利用計(jì)數(shù)器加法來計(jì)算超聲波的時(shí)間:

由時(shí)間的長短來判斷障礙的距離, 從而有ECU 來決定遠(yuǎn)近燈光的開啟。利用這段程序,來控制遠(yuǎn)近燈光的變換。并用Keil軟件對主程序和子程序進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果為零錯誤,零警告,所以此程序加載到STC89C52 單片機(jī)可以執(zhí)行。完成汽車前大燈的智能控制。

結(jié)束語

當(dāng)車輛在夜間行駛時(shí), 通常需要使用遠(yuǎn)光燈來確保行車安全,通過遠(yuǎn)光燈能夠看清前面道路100m 距離遠(yuǎn)的路況,確保了車輛夜間行駛的安全, 并且明亮的行駛道路也能有效的提高車速。當(dāng)車輛行駛在照明情況良好的道路時(shí),特別是當(dāng)出現(xiàn)會車情況,打開近光燈,照亮路面情況,避免會車車輛的駕駛?cè)藛T出現(xiàn)眩光的情形,因此本文依據(jù)汽車前大燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合傳感器技術(shù)和單片機(jī)原理理論,選擇出合適的單片機(jī)和傳感器,其原理是利用單片機(jī)設(shè)計(jì)合理的電路對車輛的超聲波距離傳感器信號進(jìn)行一定的收集,依照這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過繼電器作為前照大燈自動開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)自動變光，并采用匯編語言編寫遠(yuǎn)近光自動調(diào)節(jié)程序，選擇用Keil 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對汽車前大燈的智能控制。此外，該程序可以符合多項(xiàng)功能的開發(fā)，例如輔助剎車裝置，只需要將這的的大燈這個(gè)原件改為制動油泵的油路閉合，實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換。