汽車制動燈控制器設計與仿真

張美琪，趙蘭

汽車制動燈控制器設計與仿真

張美琪1，趙蘭2

（1.鹽城工學院 汽車學院，江蘇 鹽城 224000；2. 鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城 224000）

本控制器以STC89C51RC微控制器核心，采用Proteus和Keil C51進行硬件電路設計和軟件設計、C51編程，開發了一款高性價比的新能源汽車制動燈控制器，并在Proetus環境中進行了軟、硬件聯合仿真、測試與驗證。

制動燈；STC89C51RC；Proetus；Keil C51

前言

隨著微控制器技術及其開發軟件和方式的發展，其應用領域得到了極大地拓展，尤其是在汽車電子領域，目前已經很難找到沒有電控單元（其核心為微控制器）的車輛了。隨著電子技術在汽車產業中的廣泛應用，其價值份額也在不斷提高。在自動化、智能化較高的車型中，汽車電子技術占比更高，如純電動汽車電子產品占比已高達 65%[1]。本設計為微控制器技術在汽車安全控制系統中的典型應用。

現代汽車一般由微處理器監控汽車運行狀態。制動燈又稱為剎車燈一般安裝在車輛的尾部，是車輛剎車時亮起的紅色信號指示燈。其作用是提醒后面的車輛和行人本車要減速或停車，請及時做好準備，以避免發生危險。本設計以我國宏晶科技的STC89C51RC微控制器為核心，采用Proteus 8無縫鏈接Keil C51的編譯器進行硬件電路設計和C51編程調試，完成了制動燈控制器開發，并在Proetus 8仿真環境中實現了軟、硬件聯合仿真測試和驗證。當汽車制動踏板被踩下制動時，制動開關閉合，制動燈被點亮。隨著微控制器技術及其開發軟件和方式的發展，其應用領域得到了極大地拓展，尤其是在汽車電子領域，目前已經很難找到沒有電控單元（其核心為微控制器）的車輛了[2]。隨著電子技術在汽車產業中的廣泛應用，其價值份額也在不斷提高。在自動化、智能化較高的車型中，汽車電子技術占比更高，如純電動汽車電子產品占比已高達 65%。本設計為微控制器技術在汽車安全控制系統中的典型應用。

1 方案設計

由于汽車電源直接提供12V直流低壓電源，因此，電源只需要將12V轉換為+5V即可，由于微控制器應用系統的工作電流較小，因此，在此采用輸出額定電流為0.5A的78M05進行12V/5V的穩壓轉換。

汽車電源既有發電機輸出的交流電、還有蓄電池提供的直流電，因此電源干擾相對較大，因此電源設計要采用濾波技術。同時，整個系統將采用雙面板設計，進行大面積敷銅屏蔽措施。

汽車制動燈控制系統電路結構框圖如圖1所示。

圖1 汽車制動燈控制系統電路結構框圖

1.1 微控制器選型

本項目為微控制器應系統中的測控系統類，對微控制器的程序存儲器和數據存儲器沒有太大的要求，且輸入/輸出數量較少，故選用標準的4KB 程序存儲器8051微控制器。

對比Atmel公司的AT89C51、NXP公司的P89C51X2、SST公司的SST89E52RC、Nuvoton公司的W78E052D和STCmicro公司的STC89C51RC，從性價比、貨源充分程度、開發成本等方面考慮，最終選用STCmicro 公司集成在系統編程（In System Programming ISP）功能的STC89C51RC DIP封裝的微控制器。

1.2 輸入/輸出驅動

輸入為制動開關，為了簡化硬件電路，可以直接與STC89 C51RC的具有上拉電阻的I/O引腳相連，在此選用P1.0引腳。輸出需要驅動汽車尾部左、右制動燈，從節能、長壽和性價比方面考慮，轉向燈采用新型LED型，其額定功率通常為15W/12V，其額定電流為1.25A，驅動電路取不小于2倍的裕量，故驅動電流大于2.5A，選用線圈電壓為12V，每路驅動電流為3A的兩路小型控制繼電器，其線圈驅動電流通常不大于20mA。單片機引腳無法直接驅動，在此采用高增益的PC817D光電耦合器進行隔離驅動，在此選用8051四個I/O端口中驅動能力較強的P0口的P0.0引腳。

1.3 可靠性措施

汽車電源既有發電機輸出的交流電、還有蓄電池提供的直流電，因此電源干擾相對較大，因此電源設計要采用濾波技術。同時，整個系統將采用雙面板設計，進行大面積敷銅屏蔽措施。

2 硬件設計

2.1 電源

輸入采用LC濾波和高頻去耦合電容濾除高頻干擾，穩壓采用線性穩壓集成電路 78M05，輸出采用高頻去耦合電容濾波。

2.2 STC89C51RC基本系統設計

STC89C51RC的基本系統由時鐘電路和復位電路組成。時鐘電路采用24MHz晶振，以發揮這款微控制器的速度性能，使其軟件運行速度可以達到Intel公司一開始推出的標準8051微控制器最高速度的24倍。復位電路采用簡單的上電復位電路實現，完全可以滿足這款微控制器的需要。

2.3 輸入和輸出通道隔離驅動接口電路設計

制動開關連接到 STC89C51RC 中具有上拉電阻的P1.0引腳上。輸出控制選用STC89C51RC中驅動能力最強的開漏P0口的P0.0引腳，通過高增益光電耦合器PC817D直接驅動線圈電流為15~20mA的小型控制繼電器。在Proteus 8中設計完成并編譯通過的整個系統硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路原理圖

3 軟件設計

本項目為一個簡單的測控系統，軟件功能主要有：系統初始化、制動開關狀態監測和制動燈控制。根據系統功能分析和汽車制動燈的工作流程[3]，設計出系統主流程圖如圖3所示。

圖3 系統主流程圖

由于單片機復位后4個通用I/O口默認為輸入狀態，SP值為07H。為了避免堆棧操作導致通用寄存器和位尋址區數據遭到破壞，應對SP的初值進行設置，在此設置為50H；P1.0已是輸入狀態且鎖存器已寫入1，P1.0輸出為高電平，即制動燈滅，因此P1.0和P0.0既可以配置，也可以不做處理。

4 硬件仿真與軟/硬件聯合調試

完成軟件設計后，根據程序流程圖，直接在Proteus 8中編寫C51程序并即時調試，通過后，直接進行整個系統的仿真和測試：當制動踏板沒有踩下，即制動開關沒有閉合時，制動燈不亮；當制動踏板踩下制動時，即制動開關閉合，其效果如圖4所示，制動燈被點亮。

圖4 系統的仿真和測試

5 樣機測試情況分析

最后，根據測試后的硬件電路原理圖進行PCB板設計和打樣制板，制作出產品樣機。首先，用簡單的USB轉串口和自己制作的具有ISP功能的實驗板，通過宏晶科技提供的開放軟件STC-ISP-V4.83將程序燒寫進STC89C51RC中，然后，再將STC89C51RC安裝到產品樣機的DIP座中進行抗電磁干擾、絕緣、密封處理，最后，將產品樣安裝在實驗室的實驗用車和電動方程式賽車上試用，實驗室模擬電壓劇烈波動（供電電壓從9V到16.2V之間快速變化），強干擾刺激（頻繁地汽車點火啟動、周圍有電焊工作業，變頻器工作等），野外實際使用（顛簸路面行駛，5~10分鐘淋雨測試），經過近3個月的測試，未出現異常情況。

[1] 曾霞,孫環.汽車電子技術專業人才需求和專業改革調研報告[J].汽車實用技術,2020(15):224-227.

[2] 朱迪臣.現代電子技術在汽車上的應用及未來發展趨勢[J].時代汽車, 2020, 000(001):23-24.

[3] 張耀輝,吳海東.汽車信號燈檢測與處理系統軟件設計[J].電子制作,2016, 000(003):12-13.

A Design and Simulation of Control System on Brake Light

Zhang Meiqi1, Zhao Lan2

（1.Automotive Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000; 2.Electrical Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000）

A high cost-Effective control system on brake light is designed based on configuration of peripheral interface circuits of STC89C51RC and software development in Keil C51. Meanwhile, simulation and testing result is presented in Proteus.

Brake Light; STC89C51RC; Proteus; Keil C51

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.024

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

張美琪（1970-），重慶大學碩士研究生，副教授，就職于鹽城工學院汽車學院，研究方向：新能源汽車電控技術，微控制器應用技術。