汽车远近灯自动控制系统设计资料讲解.doc

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新疆农业大学机械交通学院

机电一体化课程（设计）论文

题目： 汽车远近灯自动控制系统
姓名与学号： 田普 083731245
指导教师： 郭俊先
年级与专业： 机械设计及其自动化082班
所在学院： 机械交通学院
课程评分：

二零一一年 十二 月 十七 日

汽车远近灯自动控制系统设计
【摘 要】汽车远光灯是为了让驾驶者在夜间高速行驶时看清远方路况，但是在会车时如果不及时切换到近光，其强烈的光线会使对面车辆无法看清道路，极易发生交通事故。国内统计，在夜间发生的交通事故中，与远光灯有关的事故占到三四成，且成上升趋势。本文以单片机为核心，构成汽车前大灯自动调光控制系统，当夜晚行车远光灯打开时，系统能通过光检测输入模块察看前方是否有相对行驶车辆，若有则自动启动调光输出模块，关闭远光并打开近光。能很好地解决传统方式下，手动调光延迟时间长和驾驶员因频繁手动调光而分散注意力等问题，从而大大减少事故的发生。
关键词 单片机，光探测器，自动控
前言
当夜晚行车远光灯打开时，若前方有相对行驶车辆，则驾驶员通常会将远光变为近光，避免对面车辆因受强光照射而无法正确判断前面路段情况，造成危险的情况。但在传统方式下，驾驶员手动调光所需延迟时间较长，并且驾驶员因频繁手动调光容易造成注意力分散，极易因此而引发交通事故。为了人身的安全以及驾驶员的舒适驾驶，设计构思了一种汽车远近灯自动控制系统。
1.基于C51单片机汽车远近灯控制方案
1.1 设计思想
设计选用80C51单片机。其中包含了电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的汽车远近灯自动控制系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和控制电路设备。当前方的光强达到传感器能识别的数值时，传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输入。单片机经过处理后再对我们的控制电路进行控制，从而达到自动控制的目的。
1.2总体框图
工作原理图如图2.l所示。
控制开关电路置于汽车大灯远光开关上，当远光灯打开时即启动自动控制系统工作。当对面有车时其灯光或其反射镜的反射光可被“光检测输入电路”捕获，电路向单片机发送有效高电平，单片机通过程控方式检测到来自“光检测输入电路”的有效信号则启动“调光控制输出电路”自动变为近光；否则继续检测输入信号。
控制开关电路
光检测输

入电路
AT89C51
调光控制

输出电路
时钟电路
复位电路

图2.1 系统框图
1.3常见的光电探测器件
常见的光电探测器件主要有以下几种：
1.3.1光电池
光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分，有硅、硒、硫化福、砷化稼和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池，国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光。增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si4N3，SiO2-MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。
1.3.2 PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层(相对)很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于Ⅰ层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。另一个特点是，因为Ⅰ层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，Ⅰ层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。
1.3.3 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100-200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。
1.3.4光电晶体管
光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。所以光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流。光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系，多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。
1.3.5光电开关与光电耦合器
光电开关和光电藕合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。光电祸合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透风的管壳内。发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。光电祸合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。
1.4 半导体光探测器的特征参数
1.4.1响应度：
响应度的定义是信号量除以它接收的辐射度量，记作R，不同的响应度用下标来表示。如：对辐通量的电流响应度RΦ=I/φ，对辐照度的电流响应度RE=I/E，探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。测量不同的辐射度量，应当用不同的响应度。
1.4.2噪声：
探测器的噪声源通常有以下几种：
散粒噪声；它是由光子流以间断入射的形式投射到探测器表面以及探测器内部这些光子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性所造成的；产生一复合噪声：光电导型探测器的产生-复合噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过程中其导带上的电子和空穴数随机起伏所形成的；热噪声:它是电阻材料中离散的载流子的热运动所造成的。
1.4.3响应速度
当阶跃光入射到探测器时，一般探测器的输出信号不能完全随输入光变化。同样，在光照突然停止时也是这样。故用响应时间来描述器件的响应速度。相应光入射和停止的状态，有上升响应时间和下降响应时间。
1.4.4量子效率
量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数。它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。
1.4.5线性度
线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内探测器的响应度是常数。这一规定的范围称为线性区。光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。因此要获得所要的线性区，必需设计有相应的电子线路。
1.4.6工作温度
工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探测器的重要性能参数之一。光电探测器工作温度不同时，性能有变化，例如象HgCdTe探测器一类的器件在低温(77K)工作时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性能逐渐变差，以致无法使用。
本章对半导体光探测器件的原理与特性进行了分析，以利综合考虑人眼视觉曲线和常见车灯光谱范围选择合适的光敏器件。综合考虑后，本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。
2.系统硬件实现
2.1主控电路设计
硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面接受传感器传来的信号，另一方面，将接收到的信号经过处理后送给输出端，从而达到自动控制的目的。
2.1.1 80C51系列
80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：
ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；
Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；
华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；
ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机；
LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；
Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；
Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。
由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。[16-17]
2.1.2 80C51的基本结构
时钟电路
总线控制
CPU
ROM/EPROM/FLASH
4K 字节
RAM 128字节
SFR 21个
定时/计数器
2个
中断系统
5中断源、2优先级
串行口
全双工 2个
并行口
4个
RST
EA
ALE
PSEN
XTAL2
XTAL1
P0
P1
P2
P3
V
CC
V
SS
图3.1 80C51的基本结构
2.1.2.1 80C51的微处理器（CPU）
运算器：累加器ACC ；寄存器B ；程序状态字寄存器PSW 。控制器：程序计数器PC ；指令寄存器IR ；定时与控制逻辑
2.1.2.2 80C51的片内存储器
在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间： 内部ROM容量4K字节， 范围是：000H-0FFFH ；内部RAM容量128字节， 范围是：00H-7FH
2.1.2.3 80C51的I/O口及功能单元
四个8位的并行口，即P0-P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线；有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；有2个16位的定时/计数器 ；有1套完善的中断系统。
2.1.2.4 80C51的特殊功能寄存器（SFR）
内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，IE，IP等21个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80H-FFH。
2.1.3 80C51单片机的的封装和引脚
80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3.2所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

图3.2 80C51的引脚和封装
电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；
时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。
控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址
PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN:外ROM读选通信号。
RST/VPD:复位/备用电源。
RST（Reset）功能：复位信号输入端。
VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。
EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：内外ROM选择端。
Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源，Vpp，
I/O线：80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
2.1.4 80C51单片机的时钟
8051单片机的时钟电路通常有两种形式：内部时钟方式和外部时钟方式。
把一个由晶体振荡器和两个电容器组成的自激振荡电路接于XTAL1和XTAL2之间，把振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，成为单片机的时钟脉冲信号。如图3.3。图中，电容器Cl，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF，本次试验采用了18pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况比较多。本次实验采用了6MHz。

图3.3 时钟电路
2.1.5 80C51单片机的复位
在整个远近灯自动变换系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。
RESET作复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。本次8051的复位方式是手动复位（按键后电容充电，RESET为高，松开后，电容放电，直到RESET为低），见图3.4

图3.4 复位电路
复位状态：
初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0～R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表3.1所示，表中“x”为不定数。
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
BSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL0
00H
P0～P3
FFH
SCON
00H
IP
xx000000B
SBUF
xxxxxxxxB
IE
0x000000B
PCON
0xxx0000B
表3.1 复位状态
复位后，P0～P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。
2.1.6 I/O引脚
80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚，P0口——8位双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图3.5所示。P0口能驱动8个LSTTL门。

图3.5 P0口
P1口——8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图3.6所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。
由图可见，P1口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。输出驱动电路与P2口相同，内部设有上拉电阻。
P1口是通用的准双向I/O口。输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。当口用作输入时，须向口锁存器写入1。

图3.6 P1口
P2口——8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图3.7所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。

图3.7 P2口
P3口——8位准双向I/O口。
可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。结构如图3.8所示。

图3.8 P3口
2.2外围接口电路设计
2.2.1 光检测输入电路
在夜晚，当两车相遇时，远光灯的照度是比较低的，当偏离主轴位置后因照射角度的变化，照度还会下降，探测环境光线较弱，所以远光传感器的选取着重的是其在微弱光线下的灵敏度和线性度，加之各种车灯的发射光谱均处于可见光范围，故本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。
2.2.2 LOG100对数放大器
LOG100是美国BURR-BROWN公司生产的精密对数放大器,它可对两个电流或电压之比进行对数运算,也可对单个电流或电压进行对数运算。
LOG的优良性能使它具有广泛的应用,除了进行对数和反对数运算外,还可进行数据的压缩和解压,在光学应用中,可进行光密度测量,也可测定物质对光波的吸收系数。LOG100的电源电压为±15V,环境工作温度范围为0-70℃。

图3.9 简化的对数放大器
现以图3.9简化的对数放大器来说明它的工作原理。双极型三极管的基-射电压为:VBE=VTln(IC/IS)。式中,VT=kT/q, k=1.38×10-23焦耳/度(波尔兹曼常数), q为电子电荷量。T为绝对温度(开尔文),IC为集电极电流, IS为反向饱和电流。从图3.9电路可以得到VOUT=VBE1-VBE2=VT1ln(I1/IS1)-VT2ln(I2/IS2)
如果两只晶体管性能一致、温度相同,则:
V＇OUT=VT[ln(I1/IS)-ln(I2/IS)]
=VTln(I1/I2)

附件（一）：VOUT=V′OUT[(R1+R2)/R1]

我们从小学、中学到大学，学的知识总是限制在一定范围内，缺乏在商业统计、会计，理财税收等方面的知识；也无法把自己的创意准确而清晰地表达出来，缺少个性化的信息传递。对目标市场和竞争对手情况缺乏了解，分析时采用的数据经不起推敲，没有说服力等。这些都反映出我们大学生创业知识的缺乏；=[(R1+R2)/R1]VTln(I1/I2)

7、你喜欢哪一类型的DIY手工艺制品？由于lnX=2.3logX,所以, VOUT=Klog(I1/I2)

精明的商家不失时机地打出“自己的饰品自己做”、“DIY(Do It Yourself)饰品、真我个性”的广告，推出“自制饰品”服务，吸引了不少喜欢标新立异、走在潮流前端的年轻女孩，成为上海的时尚消费市场。其市场现状特点具体表现为：这里,K=2.3VT(R1+R2)/R1。因为VT随温度上升而增加,所以R1用一个正温系数的热敏电阻进行温度补偿。
这里我们有必要对对数放大器的相关指标做进一步的说明，因为他们与工程实践密切相关。也是在使用对数放大器中必须考虑的问题。

附件（一）：所有信号处理系统都受到随机噪声的限制，这便对最小信号设置了可被检测或识别的门限。随机噪声和信号输入端的带宽密切相关，随机噪声常用“噪声频谱密度（SND）”来定义，总的噪声功率与系统的噪声带宽 BN（用 Hz 来表示）成正比。
2.2.3调光控制输出电路

与此同时，上海市工商行政管理局也对大学生创业采取了政策倾斜：凡高校毕业生从事个体经营的，自批准经营日起，１年内免交登记注册费、个体户管理费、集贸市场管理费、经济合同鉴证费、经济合同示范文本工本费等，但此项优惠不适用于建筑、娱乐和广告等行业。提到输出电路，最终要控制远近灯的切换。而单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。在这里，继电器驱动含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。

图3.12单片机I/O口驱动继电器

大学生对手工艺制作兴趣的调研2.2.4关于继电器的正确使用

4、宏观营销环境分析
2.2.4.1继电器额定工作电压的选择
继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时，应该首先考虑所在电路(即继电器线圈所在的电路)的工作电压，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86倍。注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。另外，有些集成电路，例如NE555电路是可以直接驱动继电器工作的，而有些集成电路，例如COMS电路输出电流小，需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器，这就应考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流。
2.2.4.2触点负载的选择
触点负载是指触点的承受能力。继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。所以在使用继电器时，应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。例如，有一继电器的触点负载为28V(DC)×10A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V的电路上，触点电流为10A，超过28V或10A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。

价格便宜些□ 服务热情周到□ 店面装饰有个性□ 商品新颖多样□2.2.4.3继电器线圈电源的选择
这是指继电器线圈使用的是直流电(DC)还是交流电(AC)。通常，一般在进行电子制作活动时，都是采用电子线路，而电子线路往往采用直流电源供电，所以必须是采用线圈是直流电压的继电器。

四、影响的宏观环境分析
图3.13 调光控制输出电路
最终的驱动选择了光电耦合驱动，其在电路中的结构基本如上图3.13所示。其中的02接到了单片机的P1.2端口。
3.软件流程及实物展示
3.1 软件流程
整体设计的软件流程图为：
光检测输入是否有效
开始
P1.2获得高电平，继电器闭合，远光变近光
延时子程序调用
P1.2变为低电平，继电器断开，近光变远光
结束
是
否

图4.1 软件流程图
以上就是主要控制部分程序流程。
3.2 实物展示
通过以上的理论基础做了个简易的实物模型，该模型比较简单，但阐述了汽车远近灯自动控制的核心内容。

图4.2 实物电路
该电路的具体工作过程是，光敏二极管3DU31受到光照后，向单片机的P2.2端口发送信号，单片机通过控制P1.2和P1.3，此时远光灯熄灭，近光灯亮，从而实现将远光变近光。4. 系统调试
包括各元器件的正确使用，例如：地线、电源线的接口。检查电路板，各线路是否正确连接，各元器件是否安全焊上，是否牢固等等。
检查软件系统：根据系统的原理结构检查各流程图是否正确，再根据流程图来检查程序是否也正确。
分别写出各指令的正确含义，包括中断定时延时时间和初始化时方式字和控制口地址。
将所有程序组织起来，在软件环境下运行，检查程序是否正确。通过对硬件和软件系统的认真检查，反复测试，结果系统检测成功，可以进一步运行调试。
运行调试：在电脑输入程序后，各硬件连接正确无误时，接上电源，输入命令开始运行调试。
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