某重型商用車自動調光遮陽板控制電路設計

肖 飛，張西超，尤成江，馮 哲，李 超

某重型商用車自動調光遮陽板控制電路設計

肖 飛1，張西超*2，尤成江2，馮 哲1，李 超1

（1.東風柳州汽車有限公司 商用車技術中心，廣西 柳州 545005； 2.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

文章提出一種自動調光遮陽板的控制電路設計方案，使用可以靈活調節透光度的EC-SPD調光玻璃代替傳統汽車遮陽板，使用某重型商用車駕駛室內12 V直流電路供電，單片機根據GY-302數字型光敏傳感器所檢測到的光強數據產生對應的脈沖寬度調制（PWM）信號，在PWM信號的控制下，橋式電路將駕駛內的12 V直流電轉換成0～10 V交流電，然后輸送給調光玻璃，實現遮陽板根據不同光照強度進行不同程度的遮光功能。除自動調節功能外，該電路同時支持手動按鍵調節功能。該設計具有成本低廉、體積小巧、控制靈活等優點，方便集成到某重型商用車駕駛室內部，通過簡單的串并聯改進和駕駛內其他傳統玻璃的簡單改裝即可完成與智能座艙的融合，提升駕駛安全與乘坐的舒適性。

自動調光；遮陽板；EC-SPD調光玻璃；PWM

近年來，隨著汽車數量的日益增多導致交通事故頻發，部分交通事故是由于駕駛員眼睛受到異常光線照射所導致[1]，因此大部分車輛都裝有車載遮陽板，然而傳統的遮陽板通常存在兩方面弊端，一是傳統遮陽板需要手動反轉，分散駕駛員注意力；二是傳統遮陽板采用不透光材質，雖然遮擋了光線，但也遮擋視野，不利于安全駕駛[2]。由此可見傳統遮陽板在實際應用中效果欠佳。

為了解決上述傳統遮陽板存在的諸多弊端，本文使用一款可以靈活調節透光度的EC-SPD調光玻璃代替傳統遮陽板。該調光玻璃的透光度隨著電壓增大逐漸降低，從而實現自動遮光功能[3]。

該新型調光遮陽板需要使用0～10 V交流電供電，而駕駛室內由車載蓄電池提供的電壓均為直流電，因此需要橋式電路在調制策略的控制下將其轉化為交流電，常見的調制策略有脈沖寬度調制技術（Pulse Width Modulation, PWM）、基于載波的正弦脈沖寬度調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）、電壓空間矢量調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）和虛擬空間矢量調制（Virtual Space Vector Modulation, VSVM）[4-6]等。一般來說，在要求低成本且對數字模擬轉換器（Digital to Analog Converter, DAC）精度要求不高時采用PWM調制[7]，則本文使用PWM調制控制該新型遮陽板的透光度。

1 控制原理

1.1 控制電路原理

單片機選用STC生產的STC8H3K64S2，該單片機具有超高速8051內核（1T），比傳統8051單片機快約12倍以上，且內部集成高精度IRC誤差為±0.3%，在線編程（In-System Programming, ISP）編時4～45 MHz寬范圍可選，不需要外部提供晶振和復位電路，可以進一步節省商用生產時的成本和擴大該單片機體積較小的優勢，方便集成安裝于某重型商用車駕駛室內部。同時此單片機還具備8路高級PWM、5個16位定時器，并提供19個中斷源，滿足本次設計要求的同時還具備后續擴展完善的空間[8]。與其他單片機相比具有以下優勢：成本低廉、體積小節省空間、響應快速、大容量靜態隨機存儲（Static Random Access Memory, SRAM）等。本文就是通過該單片機產生PWM調制信號，控制后續電路產生合適電壓，完成對新型遮陽板遮光度的控制。控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理圖

圖1中，按鍵KEY1控制自動/手動調光模式的切換，在手動調光模式下，按鍵KEY2和KEY3分別控制遮陽板透光度的增減；而在自動調光模式下，單片機根據GY-302數字型光敏傳感器所檢測到的光強數據控制PWM2P、PWM4P兩個端口產生不同的調制信號。后續橋式電路在PWM調制信號的控制下將駕駛室內12 V/24 V直流電轉換成交流電，然后經過保護電路輸送到新型調光遮陽板，以此控制遮陽板在不同光照情況下進行相應程度的遮光，確保駕駛人員所受光線照射情況始終處于舒適范圍。

1.2 EC-SPD調光玻璃控制原理

該新型調光玻璃由玻璃、乙烯-醋酸乙烯共聚物膠片和EC-SPD調光膜組成，利用懸浮粒子設備（Suspended Particle Device, SPD）的感光特性，在不通電時粒子呈同向排列，進而透過光線。在通電后，根據不同的電壓懸浮粒子進入不同程度的混亂排列狀態，該調光玻璃的透光度將隨著供電電壓的升高而逐漸降低。本文所使用的EC-SPD調光玻璃使用10 V及以下的交流電供電，表1為本文所使用的調光玻璃電壓-透光率關系表。

表1 調光玻璃透光度與有效供電電壓對應關系

項目名稱參數 供電電壓/V02410 透光率/%26153.51.8

由表1可知，該調光玻璃透光度與供電電壓不成線性關系。此外還與調壓方式有關，本文使用PWM調制控制供電電壓，若使用SPWM、SVPWM、VSVPWM或者PAM調制，相同電壓下的透光率將有略微出入。某公司提供的調光玻璃測試樣品，在不通電狀態下的透光率較低，實際成品的最高透光率在50%～68%之間[4]。經過實車觀察測試，在強光照射狀態下，26%透光度仍可以清晰觀察路面情況。

2 控制電路設計

2.1 橋式電路設計

EC-SPD調光玻璃需要0～10 V的交流電控制其透光度，故需橋式電路將輸入的直流電轉換成交流電，橋式電路原理如圖2所示。在一個周期內：1）若PWM2P輸出高電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1為高電平，OUT2為0；2）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1、OUT2均為0；3）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出高電平，則輸出端OUT1為0，OUT2為高電平；4）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1、OUT2均為0。以上四步為一個周期產生矩形波交流電，再以STC8H3K64S2控制PWM的周期及高低電平占空比，即可完成對新型自動調光遮陽板的控制。

圖2 橋式電路圖

2.2 降壓穩壓電路設計

本次電路設計適用于某款重型商用車，該車型駕駛室內提供12 V/24 V兩種供電線路，且后續移植到其他車型時還需適配其他多種供電模式，因此，需要添加降壓穩壓模塊，將駕駛室內提供的不同電壓降至5 V后提供給單片機及其他模塊。

本次設計采用友臺半導體有限公司生產的LM2576S-5.0降壓穩壓模塊，該模塊接受最高40 V的寬范圍輸入電壓，滿足絕大多數車型駕駛室內提供的各種電壓線路。且僅需提供4個外部元件，可以盡可能減小電路板體積，方便集成安裝。降壓穩壓電路原理如圖3所示。

圖3 降壓穩壓電路原理圖

LM2576模塊VIN接口連接駕駛室供電路線，并通過一個100 μF的電解電容接地；OUTPUT接口經過100 μH的電感連接到+5 V輸出端口，另一邊通過肖特基二極管接地；COMMON接口接地；FB接口連接+5 V輸出端口；ON/OFF接口接地；TAB接口懸空。

同時注意到目前有部分新型乘用車駕駛室內電壓從之前的12 V提升到48 V[9]。此時該降壓穩壓器將不再適用，但該系列降壓穩壓器同時提供60 V高版本器件，但價格略高，出于后期商用考慮，本文僅使用低壓版本。

2.3 保護電路設計

根據前文所述，橋式電路的兩個輸出端口OUT1和OUT2會產生0～10 V的交流電，在電源突然關閉的瞬間可能會發生自感現象，為了防止自感電壓損壞電路，需要增加4個續流二極管，釋放能量，起到保護電路作用。保護電路設計如圖4所示。

圖4 保護電路原理圖

3 控制程序設計

3.1 主程序

主程序流程如圖5所示，程序開始時首先進行初始化：將調節模式設置為手動模式，PWM調制信號占空比設置為0，此時控制電路輸出電壓為0，新型調光遮陽板處于未供電狀態，透光率處于最高狀態。并將GY-302光敏傳感器、定時器中斷、IO口等進行初始化。

圖5 主程序流程圖

然后檢測當前調光模式，如果為手動模式，對按鍵KEY2和KEY3進行監控，如果KEY2按下則提高PWM調制信號占空比，即提高輸出電壓，降低遮陽板透光度；如果KEY3按下則降低PWM調制信號占空比；如果當前為自動調光模式，則調用GY-302數字型光敏傳感器檢測當前駕駛室內光線強度，根據光線強度自動調節PWM信號占空比，完成自動調光功能。

最后檢測切換模式按鍵KEY1是否按下，如果按下則切換調光模式，并循環執行。

3.2 光強檢測程序

使用GY-302數字型光敏傳感器獲取當前駕駛室內光線強度。模塊內部由光敏二極管、運算放大器、模擬數字轉換器（Analog To Digital Conv- erter, ADC）采集、晶振等組成。光電二極管（Photo Diode, PD）通過光生伏特效應將輸入光信號轉換成電信號，經運算放大電路后，由ADC采集電壓，然后通過邏輯電路轉換成16位二進制數存儲在內部的寄存器中，獲取光強程序及其注釋如圖6所示。

圖6 獲取駕駛室內光強程序

3.3 生成PWM調制信號程序

根據上述GY-302數字型光敏傳感器所獲取的光強信息，實時改變PWM調制信號的占空比，以此控制EC-SPD調光玻璃的供電電壓，進而合理控制其遮光度，確保經過新型遮陽板遮光后的光線強度不超過3 000 lx，保證駕駛安全。

1）初始化。將橋式電路的兩個控制端PWM2P、PWM4P初始化為0（即斷電狀態，此時新型遮陽板處于未供電狀態），將使能端En初始化為1（即使能狀態）。

2）PWM調制信號更新。根據前文所述，PWM調制信號在一個周期內分為4種狀態（實際為3種，因為第2、4種狀態相同），如圖7所示。因此，在一個周期內需要更改四次PWM2P、PWM4P的輸出情況，所以設計程序使用定時器中斷0完成每個周期內的調制信號更新，更新程序如圖8所示。

圖7 調制信號周期內狀態圖

圖8 調制信號更新程序

3.4 模式切換程序

設計的控制電路除了具備自動調節新型遮陽板的透光度功能之外，同時支持手動調節功能。在手動調節模式下，PWM調制信號分為4個擋位，4個擋位的占空比分別為0%、10%、15%、75%。使用圖1中KEY1切換手動、自動模式，KEY2、KEY3兩個按鍵控制擋位的增減。

4 測試

所設計的控制電路及新型調光遮陽板安裝到某款重型商用車上進行測試，遮光效果達到預期要求，變光反應靈敏，該電路設計滿足日常駕駛所需功能。表2為PWM占空比、輸出電壓、透光率對應關系。

表2 PWM占空比、輸出電壓、透光率對應關系

PWM占空比/%輸出電壓/V原始光強/lx遮光后光強/lx透光率/% 0047 20012 11025.66 60.847 20012 09025.61 101.447 20011 13023.58 152.047 2007 15015.15 202.747 2003 9778.43 253.447 2002 3905.06 304.047 2001 6723.54 354.747 2001 3362.83 7510.047 2008661.83

如前文所述，所使用的調光玻璃為調試樣品，最高透光率僅為26%，如圖9所示。根據《汽車車窗玻璃遮陽膜》（GA/T 744－2013）[10]，本文所使用的調光玻璃屬于Ⅲ類遮陽膜，改用成品后透光率可提升至50%～68%，此時根據標準規定屬于Ⅱ類遮陽膜，實用性將進一步提升。

圖9 新型遮陽板透光率與電壓關系圖

5 總結

根據標準規定，汽車前擋風玻璃僅能使用Ⅰ類遮陽膜，即透光率需不低于78%，因此，本文所使用的調光玻璃不能恒處于展開狀態，尚需手動反轉，對此筆者做兩點展望：1）設計旋轉舵機，控制該遮陽板的自動展開和收起；2）等待調光玻璃生產工藝提升，當最高透光率超過78%后該新型遮陽板即可貼合于前擋風玻璃之上，此時便可實現無需手動反轉和自動調光功能。

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Design of Control Circuit for Automatic Dimming Sun Visor of a Heavy Commercial Vehicle

XIAO Fei1, ZHANG Xichao*2, YOU Chengjiang2, FENG Zhe1, LI Chao1

( 1.Commercial Vehicle Tech Center, Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited, Liuzhou 545005, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China )

In this paper, a control circuit design scheme of automatic dimming sun visor is proposed.The EC-SPD dimming glass that can flexibly adjust the light transmittance is used to replace the traditional car sun visor.The 12V DC circuit in the cab of a heavy commercial vehicle is used to supply power. The microcontroller generates the corresponding pulse width modulation (PWM) signal according to the light intensity data detected by the GY-302 digital light sensor. Under the control of the PWM signal, the bridge circuit converts 12V DC power in the driver into 0～10V AC power,which is then transmitted to the dimming glass to realize the shading function of the sun visor according to different light intensity.In addition to the automatic adjustment function, the circuit also supports the manual key adjustment function.This design has the advantages of low cost, small size, flexible control, etc. It is convenient to integrate into the cab of a heavy commercial vehicle. Through simple series parallel improvement and simple modification of other traditional glass in the cab, it can complete the integration with the intelligent cabin, and improve driving safety and riding comfort.

Automatic dimming; Sun visor;EC-SPD dimming glass; PWM

U462

A

1671-7988(2023)17-65-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.011

肖飛（1986－），男，碩士，高級工程師，研究方向為商用車智能優化控制研究，E-mail:531386789@qq.com。

張西超（1998－），男，碩士研究生，研究方向為智能駕駛，E-mail:qbyzjsz@163.com。

廣西創新驅動發展專項（AA22068001）；廣西重點研發計劃（AB21196029）；柳州市科技計劃項目（2022 AAA0102、2021AAA0112）。