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汽车车灯智能控制系统设计

本科生毕业设计(论文)

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完成日期 年 月

III

汽车车灯智能控制系统设计

Design of Intelligent Control System for Automobile Lamp

总计： 24页
表格：1个
插图：18幅

汽车车灯智能控制系统设计

Design of Intelligent Control System for Automobile Lamp

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汽车车灯智能控制系统设计
电气工程及其自动化专业
［摘 要］本系统是基于单片机控制的汽车车灯智能系统，模拟并显示出汽车驾驶过程的灯光控制。其中主要包括汽车的远近光灯的模拟显示。具体是通过单片机板上的超声波测距模块和光线感应模块来控制LED灯的亮灭显示状态。在本设计过程中，通过使用单片机来控制车灯的状态，并把模拟信息在LCD上显示出来，以此加强了对单片机的了解和使用。
［关键词］单片机；电路基础；汽车车灯控制系统；LED灯

Design of Intelligent Control System for Automobile Lamp
Electrical Engineering and Automation Specialty LI Lin-jie
Abstract: This system is the intelligent automobile lamp based on MCU control system simulation and to show the car driving lights control. Including the car made a left turn as far as light, brake and alarm switch, analog display. Is controlled by switching actions of the MCU Board LED lights shows a left turn, right turn, brake and other corresponding State. During the design process, through the use of Protel drawing schematics, makes the circuit more intuitive and deepened understanding of Protel application.
Key words: Microcontroller; circuit theory; automobile lamp control system; LED lights
目 录
1 引言 1
1.1汽车车灯智能控制系统的国内外发展现状 1
1.2课题研究的意义 1
2 控制系统方案设计 1
2.1汽车智能照明系统 1
2.2汽车车灯智能控制系统中的关键问题 1
2.3 系统设计的工作原理 2
3系统的硬件设计 3
3.1系统各模块硬件设计 3
3.1.1单片机模块 3
3.1.2超声波测量距离模块 4
3.1.3光感应模块 5
3.1.4系统复位模块 6
3.1.5A/D转换模块 7
3.1.6LCD显示模块 7
3.1.7 继电器模块 8
3.2系统主电路设计 8
4系统软件设计及调试 11
4.1 系统软件流程图 11
4.2 PCB软件制图 12
4.3 系统调试 12
结束语 14
参考文献 15
致谢 19

1 引言
1.1汽车车灯智能控制系统的国内外发展现状
在对汽车车灯智能控制系统研究的过程中国外那些实力雄厚的汽车制造商对其研究是比较早的，在二十世纪八十年代，国外的一些汽车生产商就完成了汽车的车灯智能控制系统的研究。经过十年左右时间的验证，在九十年代初，汽车的车灯智能车灯控制系统进入批量生产时期，由此在当时这一技术被成功应用并且成为豪华轿车的主要噱头。随着技术的发展，在九十年代末期，汽车的车灯智能控制系统这种技术开始在中级轿车正式应用。这种技术一直研发至今并融入了更人性化和更智能的新技术。发展到今天，这种技术已经达到了相当高的普及和应用水平。
因为我国汽车工业的起步相对较晚，发展进度不是很快，因此国内在汽车的车灯智能控制系统方面的研发技术相对较为落后一些。因为其造价相对较高，准确性以及适时控制等问题，所以这个技术仍处于研究时期。但是随着我国工业的进步和技术的发展，目前车灯的智能控制这种技术的研究也已经取得了令人欢欣的结果。
1.2课题研究的意义
汽车车灯的智能控制系统设计在汽车的日常使用行驶中起着主动安全的作用，基于这些安全问题的考虑，所以对车灯智能控制系统的研究是非常重要的。对于汽车驾驶者来说，一个智能的、可靠的车灯控制系统可以给驾驶者提供一个足够准确的路况信息，让驾驶者在夜间行驶时不用过度担心路面状况。即使在夜间行车时出现危险情况，也能够让驾驶者有充足的时间做出反应动作，使财产及人身安全的损害降到最低。并且汽车车灯智能控制系统的研究还可以为我国的汽车行业的发展提供强有力的技术支撑，在加快汽车行业发展方面有重大意义。
2 控制系统方案设计
2.1汽车智能照明系统
汽车智能照明系统是指那些以车内数据网络的传感器为基础，在特定环境下由人或者由车辆智能照明系统决定哪一种照明方式才是最理想的照明方式。智能照明系统主要是车辆通过对方向盘转动的角度信号、刹车信号、车速信号等的信号信息采集来对照明系统进行控制，极大减少了传统汽车照明系统中无法调节照明角度，驾驶员不能及时对车灯照明做出控制的问题。从而为驾驶员提供了更加智能和有效的照明，同时也为人类的人身安全和财物安全提供了非常可靠的技术保障。
2.2汽车车灯智能控制系统中的关键问题
汽车在日常行驶的过程中，为了简化驾驶员的操作，使汽车在行驶中更加方便和安全，现在许多汽车上都装有车灯智能控制系统。然而对于不同的生产厂家和不同型号的汽车有不同的结构，这使得在研发智能汽车车灯控制系统时很难有一个统一的标准。而且又因为智能车灯控制系统目前的研究还不是太成熟，所以汽车车灯智能系统中主要有以下关键问题：
1）车灯自动开启并矫正精度问题。
2）系统的抗干扰能力。
3）车灯智能控制的散热问题。
本设计采用ATC89C51作为的MCU的控制中枢，该控制系统开发成本低、系统功耗低、信号处理能力强，性价比更为出色。系统以计算机技术为主并以其他手段作为辅助，使该系统能够实现精准控制并且系统的抗干扰能力强，使其更符合汽车未来智能化控制的发展趋势。
2.3 系统设计的工作原理
本系统以单片机为基础，通过模拟出汽车行驶过程中的各个状态来实现灯光的显示并在LCD显示屏上显示出模拟信息。MCU根据传感器输入的信号进行处理判断，进而做出命令控制车灯的亮灭[1]。同时，车辆在行驶前或者在行驶过程中，本系统通过检测车灯的供电线路的反馈电流来判断车灯是否处于故障状态。图1为本系统的工作原理图。
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1 工作原理图
车灯的智能控制开关放在远光灯的控制器中，自远光灯开启时就自动启动了智能车灯自动控制系统。这个智能车灯控制系统当检测到对面的车开启灯光时并且灯光被光检测输入电路感应到，然后向MCU发送有效的高电平。此时MCU根据检测到的的有效信号来开启调光控制输出电路这个模块，来将远光灯切换为近光灯。否则单片机继续检测输入信号。具体模拟显示如下：
1）车辆自动根据外界的实际情况来控制车灯的开启或关闭状态。比如：当车辆进入隧道、地下停车场等光照强度不够的环境下或在夜间行车时。由于会影响驾驶员的正常驾驶，所以这时车辆会自动打开前照灯。当车辆在白天等光照强度足够的环境下行车时，这时车辆会自动关闭前照灯。
2）在夜间行车时，此时前照灯会自动打开。系统可以根据前方障碍物的距离来自动切换前照灯的远近光状态。比如：在夜间会车时，系统自动将前照灯的照明状态切换成近光照明模式，会车结束后自动将前照灯恢复原来的光照状态。
3系统的硬件设计
3.1系统各模块硬件设计
3.1.1单片机模块
AT89C51是由ATMEL科技公司设计并生产的具有 4K闪存记忆的 8位CMOS微型计算机芯片[2]。因为其具有不挥发的性质且访问速度快和精度高等的优点，使其具有很高的可靠性、良好的实时性、较快的处理速度且掉电后重要数据不会无缘无故丢失 , 这使得其性价比远高于其他同类产品。其具体特点如下：
1）良好的产品兼容能力。
2）反复擦写能力强。
3）静态操作能力高。
4）三级程序存储器加密。
5）有低功耗和掉电两种工作模式。
AT89C51芯片的引脚图片如图2所示。

图2 AT89C51引脚
本系统采用的是40脚的双列直插封装方式的单片机[3]。其中：
1）XTAL1（19管脚）。该管脚与晶振的一端相连并且也和电容的一端相连接，然后一起与MCU内部振荡电路相连，然后产生由外部晶振决定的振荡波频率。
2）XTAL2（18管脚）。这个管脚 和晶振与电容的另外一端口相连。
3）RST（9管脚）。这个管脚是整个MCU复位状态脚，只有在这个管脚出现高电平的时候MCU才执行复位 。
4）ALE/PROG（30管脚）。正常工作的状态下，这个引脚为允许地址锁存信号输出。还可以将这个引脚用于对外输出的时钟信号。
5）PSEN（29管脚）。这个引脚全称是程序存储器允许输出控制端口。
6）EA/Vpp（31管脚）。当这个管脚是高电平的时候，MCU读取的是内部程序存储器。当这个引脚是低电平的时候，此时MCU读取是外部的ROM。由于平时我们使用的MCU都有内部ROM，所以在电路设计时这个管脚一直都接在高电平上。
7）P0口，P0.0～P0.7（39～32管脚）。P0口这个端口是一组双向的三状态的I/O端口。但是不能正常的输出电平。所以日常如果要使用这个端口的时候是需接上拉电阻的。
8）P1口，P1.0～P1.7（1～8管脚）。这组管脚接口是准双向接口，每一个端口都是可以独立控制的，且内部有上拉电阻。可是由于这个端口没有高阻态状态，以至于MCU产生的信号不能进行锁存，所以称这个端口为准双向口。
9）P2口，P2.0～P2.7（21～28引脚）该接口功能和P1口相似。
10）P3口，P3.0～P3.7（10～17引脚）。该口有两个功能，作第一功能使用时，功能与P1口差不多类似 [4]。
3.1.2超声波测量距离模块
在该系统中，使用的超声波测距模块是HC-SR04，这个测距模块可以测试的距离范围是2cm到400cm距离的非接触式距离感应测试[5]。HC-SR04测距模块的测距精度可高达3mm。其工作原理是：
1）该模块使用TRIG进行距离测试。
2）这个超声波模块可以自己自动向前发送超声波信号，如果碰到障碍物还会自行接收反射回来的信号，并分析信号，最终通过一系列的计算得出车辆与障碍物之间的距离。
3）如果在信号发射后始终没有超声波信号的返回，则该系统会自行检查是不是超声波系统出现了问题，在检测的时候会向驾驶员放出鸣响提示。如果超声波系统没有问题，则鸣响提示消失，驾驶员可以安心驾驶。如果自行检测后，发现超声波系统存在问题则系统会一直鸣响进行提示，建议驾驶员赶快进行维修处理。注：声音的传播速度为340m/s。
图3为是超声波测距模块实物图[6]。表1是实物图引脚的说明。

表1 超声波测距模块引脚说明
引脚
功能
Vcc
5V电源
TRIG
触发控制信号的输入
ECHO
回响信号的输出
GND
接地

图3 超声波测距模块实物图
3.1.3光感应模块
在夜晚行车时，当出现辆车迎面相遇的情况下，车辆偏离主轴位置后，照射角度会发生变化变化，照明亮度还会下降，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。本系统的感光模块是由光敏电阻组成的。光敏电阻其实就是用具有半导体功能的光电传感器制做成的一种电阻。该器件随着入射光照强度弱，电阻阻值减小，入射光照强度高，电阻阻值就会相应的增大[7]。其电路图如图4所示。

图4 光感应模块和A/D转换模块电路
这个光感应电路的工作过程是：如果在光照强度足够的环境下，光敏电阻GR1受到光的照射其阻值增大，导致没有光照的模拟信号传入A/D转换器中，也就不能进行下一步的信号转换。相反，如果没有足够的光照，则光敏电阻GR1阻值减小，模拟电流流入A/D转换器中进行下一步的转换。
3.1.4系统复位模块
在任何系统的设计过程中，都需要设计复位动作，以便是系统的设计更具有灵活性。所以在车灯智能控制系统中，也须对系统进行复位模块的设计。复位是单片机的初始化操作。MCU在上电启动时，一般都需要先进行复位动作。这个复位动作的作用是使MCU和其他芯片处于同一环境下，并从这个同一环境统一进行动作，这让系统有更高的精确性。所以复位是MCU的一个不可缺少的设计。由于MCU自身却不能自己进行复位的操作，所以必须设计相应的外部电路才能实现MCU的复位。RST是单片机复位动作的使能脚，该引脚出现高电平才能有效复位。所以本设计的单片机复位方式是手动进行复位，即按下复位键S1后，电容进行放电此时RST端为高电平；松开S1后，电容进行充电，然后慢慢的到RST引脚变为低电平。图5为复位模块电路图，其中复位线接单片机的RST引脚。

图5 系统复位电路
3.1.5A/D转换模块
本系统A/D转换模块用的芯片是ADC0832芯片。该转换芯片其体积小，兼容能力高，性价比突出而获得很高的使用率[8]。
图4为ADC0832电路图，其中CS_引脚是芯片的使能端，低电平时芯片有效；CH0引脚是模块的模拟输入通道0；CH1引脚是模块模拟输入通道1；GND引脚为芯片接地；DI引脚是该模块的数据信号输入端；DO引脚是该模块的数据信号输出；CLK引脚为芯片时钟输入；Vcc/REF引脚是该模块的电源输入端。
如图4，这个模块电路的工作过程是：当光模拟信号进入CH0引脚后，把模拟量转换成MCU能够识别的数字量，并通过时钟信号CLK端给单片机的P2.2口发送信号。由此单片机根据这个信号来控制P1.3、P1.4和P1.5端口，进而控制灯光的亮灭来实现系统的远近光灯变换[12] 。
3.1.6LCD显示模块
1602显示器的主要工作原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。由于显示器上有字符间隔和行间隔的存在，所以1602是不能显示图形。这个1602显示器的含义是指显示器每一行能够显示出16个字符，能够显示两行[9]。其特性如下：
1）1602显示屏接+5V电压，对比度可调。
2）显示屏内含复位电路。
3）可以显示各种命令的控制。如：清屏操作等功能。
1602LCD显示屏有16个接口脚，这16个接口脚的功能如下：
第1接口：这个接口是负极。
第2接口：这个接口是正极。
第3接口：这个接口是液晶亮度调节的接口。在进行显示器调节的时候需要注意这个接口接的电源是正还是负，如果这个接口接的是正极则液晶的亮度对比是最小的。如果接的是负极则液晶的亮度对比是最大的。所以在这个模块中要加一个电阻进行电位调节，来使液晶的亮度对比达到理想的效果。
第4接口：该引脚是寄存器选择信号端。
第5接口：R/W为读/写信号线。
第6接口：这个引脚是是否使用屏幕的接口，下降沿触发。
第7～14接口：这几个引脚是信息传输接口，来进行数据的传输。
第15～16接口：空脚。其电路图如图6所示。

图6 LCD显示电路
在本系统中，此模块能显示出电路的各种模拟状态，即LCD1602液晶第一行显示超声波的距离，第二行显示光线的强弱[10]。
3.1.7 继电器模块
MCU本身是一个弱电器件，无法与外界的高电压器件直接相连使用，所以这里就需要一个继电器模块作为中间桥梁将MCU与外界的强电器件连接起来。继电器在使用的时候应该首先考虑继电器线圈所在电路的电压工作情况，如果电压过高会损坏继电器。一般电路工作电压应该是继电器额定工作电压的0.86左右。在选择继电器的时候还应该考虑继电器线圈电源的选择，本系统采用的是直流供电，所以在选择继电器线圈的时候必须选择线圈是直流电压的继电器。图7是一个继电器的简化原理图。

图7 继电器原理图
3.2系统主电路设计
（1） 电源电路。
电源电路图如图8所示。本系统采用USB的方式进行连接供电。图7中的P2就USB接口，在系统中采用USB给系统供电主要考虑到USB接口电流小，供电方式可以进行控制，这样系统中的三极管不会因电路电流过大而导致三极管的损坏，起到了一定的保护作用。

图8 电源电路

（2） 控制电路。
控制电路如图9所示。控制电路也就是按键设置电路。这三个按键分别是S2、S3、S4并分别接在单片机的P3.5、P3.6、P3.7引脚。通过按键电路可以设置系统的距离和光线参数，从而找到是系统更符合日常使用的一种控制方式。其中，S2是参数减键，S3是参数加键，S4是参数选择键。

图9 控制电路
（3） 车灯电路。
车灯电路如图10所示。车灯分为远光灯和近光灯，其中D1、D2为近光灯分别通过P13和P14接在单片机的P1.3和P1.4的引脚上。D3、D4为远光灯通过P15连接在单片机的P1.5引脚上。

图10 车灯电路

图11 继电器接线电路图

（4） 继电器接线电路图
继电器接线的电路图如图11所示。继电器的接线电路图根据电子元器件的不同有多种接线方式，这里列举出了四种不同的接线方式，包括：NPN管直接驱动方式、PNP管直接驱动方式、采用两只晶体管驱动的方式以及采用光电耦合器驱动的方式。由于在本系统中，对继电器的使用主要是基于驱动车辆大灯灯光转换考虑的。所以最终选择采用光电耦合器驱动的方式的电路图。
4系统软件设计及调试
4.1 系统软件流程图
此系统使用C语言编程，系统运行时首先检测是否有光照条件，如果有光照条件则不用打开前照灯，并继续检测[12]。如果检测到光照强度不够，则系统自动打开前照灯。在光照强度不够且出现车辆会车的情况下，系统会自动将前照灯的光灯切换为近光灯。系统流程图，如图12所示。

图12 系统流程图
4.2 PCB软件制图
在本系统设计过程中，需要在电脑上利用Proteus软件进行PCB板的绘制，从而在模拟各个模块在PCB板上的的布局规划，最终以PCB图为标准进行实物的焊接制作。图13为本系统的PCB规划图。

图13 系统PCB图
4.3系统调试
1）各元器件的使用。比如：各个元器件的物理接线口是否连接正确。
2）软件程序的检查。检查各个模块的电路图是否正确无误、检查原理图是否出现错误、检查流程图是否正确、最后利用Keil软件来检查程序是否存在问题。
3）运行调试。在检查各个模块都没有问题后，然后把程序输入到实物中进行上电调试。图14和图15分别为调试成功后远光灯和近光灯的结果图。其中，系统超声波测试距离和光线感应强度的参数分别设置为0.5m和50%。当障碍物的距离超过0.5m时系统自动变为远光灯；当障碍物的距离未超过0.5m时，系统自动将灯光变为近光灯。

图14调试结果为远光灯
远光灯的调试，其LCD显示屏上的信息为：距障碍物的距离为0.64m，光感强度为6%。

图15 调试结果为近光灯
近光灯的调试，其LCD显示屏上的信心为：距障碍物的距离为0.2m，光感强度为8%。

结束语
汽车车灯智能控制系统作为汽车主动安全的一个新发展方向，是这些年国内外各大汽车制造商大力研究的热点。由于国内汽车行业起步和发展较晚，所以汽车车灯智能控制系统的研究相对于国外一些汽车制造商的研究较为落后一些，相当一部分关键技术都是从国外引进。基于此，本文对汽车智能控制系统进行了较为简单的研究，目的是要改变传统照明方式，减少人工对车灯的操作，增加行车的安全性。
本次的毕业设计，让我学习到了在课堂学不到的更深层次的知识内容。不仅把以前学过的知识进行深度应用，而且还丰富了自己所学的知识，使自己对所学的知识有了更为系统的掌握。在毕业设计时，通过查找资料，让自己对事物的认识和动手能力等方面有了不可思议的进步。通过此次的毕业设计，即是对自己在学校所学知识的检验和总结，又为今后走向社会走向工作岗位奠定了坚实的基础。
虽然本次的毕业设计只是对汽车车灯智能控制系统进行了较为粗浅和不全面的研究，但是离不开老师、同学和朋友的帮助，有你们帮助才成就了这篇不成熟的毕业设计。

参考文献
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[12] 郭天祥，51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.1；

附录
系统整体电路图

实物照片正面

实物照片反面

致谢
这个毕业设计是本人用尽全部心思悉心完成的，当然在毕业设计完成的过程中，我遇到了一些对我来说基本没有接触过的知识，这对我完成毕业设计的进度产生了一些影响。这里要特别感谢老师对我耐心指导，帮助我解决了很多不明的问题，并对我的毕业设计进度十分关心，给了很多撰写论文的建议，才让我的毕业论文能够按时顺利完成。另外还要感谢同学、朋友对我的帮助，让我在不知所措的情况下充满动力，以饱满的激情面对困难和挑战。
这次毕业设计，让我接触到了很多以前没接触过的东西。在解决这些没接触过的问题的时候，通过查阅书籍、请教别人也都顺利的把这些问题解决了。毕业设计不仅增长了我的知识，也磨练了我的韧性，让我明白即使有再大的困难只要虚心求学一定会成功克服。这次的毕业设计对我影响无疑是巨大，给我人生的发展奠定了一个良好的基础。

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