1、I基于单片机的汽车智能照明系统的设计摘要随着科学技术的发展，人们对汽车行驶安全性的要求越来越高。照明系统是汽车主动安全重要组成部分之一，然而灯光光型单一且只能手动控制的传统照明系统存在的巨大的交通安全隐患已经无法跟上当前汽车安全性发展的趋势。因此如何让汽车传统照明系统更加智能化、消除存在的安全隐患，成为一个具有重大现实意义的课。本课题所研究的汽车自适应照明控制系统能够自动为车辆提供所处环境位置需要的灯光光型，为驾驶员提供良好的照明范围，减轻驾驶员的工作压力，减少交通事故，同时本系统与手动控制并联，不妨碍驾驶员对车灯的手动控制。本系统主要有弯道照明前照灯自动开闭、会车时灯光自动切换以及前照灯延时
2、关闭功能，可为驾驶员在不同的行驶环境下提供良好的照明，是汽车智能化照明的一个更加全面完善的设计方案。在现有的对汽车照明系统的控制技术的基础上，本课题提出了一种以弯道随动转弯车灯调整为基本功能的汽车智能照明系统控制方案。与以往的技术相比，本课题引入总线技术，使系统更符合汽车技术未来发展的方向。而且本方案是基于 AT89C51 单片机开发的低成本、低功耗系统，性价比更为出色。本文首先对汽车自适应照明系统的产生环境、国内外的发展现状和发展趋势做了简单的介绍，给出了系统的总体设计方案以及实现功能，并在此基础上详细阐述了系统工作的理论计算基础，然后根据系统的需求，在硬件部分，对微控制器和各实现功能的传感
3、器进行了选择，并给出了执行器部分的设计方案，包括步进电机的选型以及步进电机驱动芯片的选择，同时在详细介绍了总线功能及原理的基础上设计总线接口的硬件电路，包括总线控制器的选型、总线收发器的选择等在软件部分，给出了系统各功能模块的设计流程图和实现算法，并在编译环境中完成各功能模块的源代码编写。在论文的最后，对现阶段进行的研究工作进行了总结，并提出了许多尚待解决的问题，为今后系统的进一步完善提供了参考意见。关键词: 智能照明；单片机；信号采集设计IIAbstractWith the development of science and technology, people increasingly
4、high demands on driving safety. One of the lighting system is an important component of vehicle active safety, however light-light single and can only be manually controlled traditional lighting system, there is a huge hidden trouble of safety has been unable to keep up with the current development
5、trend of automobile safety. So how to make cars of traditional lighting system more intelligently, to eliminate security risks, as one of great practical significance. This study on the issue of vehicle Adaptive lighting control system is able to automatically provide the environment for the vehicle
6、 location need to be light-light, for a driver to provide good illumination range, alleviate the work pressure on drivers to reduce traffic accidents, at the same time this system with manual control in parallel, without prejudice to the drivers manual control of the lights. This system mainly has t
7、he curve to illuminate the head lamp automatic make and break, passes in traffic when the light automatic cut over as well as the head lamp time delay closure function, may provide the good illumination for the pilot under the different travel environment, is an automobile intellectualization illumi
8、nation more comprehensive consummation design proposal. In existing to automobile lighting system control technology foundation in, this topic proposed one kind take the curve follow-up curve headlight adjustment as the basic function automobile intelligence lighting system control plan. Compared wi
9、th the previous technology, the subject of the introduction of bus technology to make the system more in line with the direction of future development of automotive technology. The program is based on the AT89C51 MCU development of low-cost, low-power system, the cost is even betterThis article firs
10、t to the automobile auto-adapted lighting system production environment, the domestic and foreign development present situation and the trend of development has made the simple introduction, has given the system overall project design as well as the realization function, and in detail elaborated the
11、 system work theoretical calculation foundation in this foundation, Then the basis system demand, in the hardware part, has carried on the choice to the micro controller and each realization function sensor, and has given the actuator part design proposal, including step-by-steps the electrical mach
12、inery shaping as well as step-by-steps the motor-driven chip choice, simultaneously was introducing in detail the main line function and in the principle foundation designs the bus interface the hardware electric circuit, including the bus control unit shaping, the main line transceiver choice and s
13、o on in the software part, has given the system various functions module design flow chart and realizes the algorithm, and completes various functions module in the translation environment the source code compilation.In paper final, carried on the research work to the present stage to carry on the s
14、ummary, and proposed many Shang Dai solved the question, has provided the advisory opinion for the next system further consummation.Key words:singlechip；intelligent lighting；Design of signal collectionIII目录摘要.IAbstract. II 1 绪论.11.1 课题背景与意义.11.2 国内外发展状况及发展趋势.21.3 本课题的研究意义与目的.31.4 课题内容.32 控制系统总方案设计.4
15、 2.1 系统的功能及工作原理.42.1.1 系统的基本功能.42.1.2 系统工作原理.42.2 系统硬件总体设计.42.3 单片机选择.52.3.1 AT89C51 简介.52.3.2 AT89C51 结构说明.63 控制系统的硬件设计.93.1 超声波测距设计.93.1.1 超声波测距原理.93.1.2 超声波测距仪原理框图.93.1.3 单片机实现测距原理.93.1.4 超声波发射电路.93.1.5 超声波检测接收电路.103.2 光强检测.103.2.1 光照检测方式.103.2.2 检测电路.113.3 信号采集设计.113.3.1 车速信号的采集和处理.113.3.2 方向盘转角
16、信号调理电路.133.3.3 光电传感器信号的采集和处理.143.3.4 步进电机驱动电路.153.3.5 前照灯自动开闭和远近光自动切换电路设计.163.3.6 电源及断电保护电路.16IV3.4 单片机电路设计.173.5 电源模块部分设计.183.6 亮灯控制模块.193.7 按键模块设计.203.8 电压比较器.203.8.1 基本过零比较器.203.8.2 任意电平比较器.214 控制系统的软件设计.234.1 Keilc 介绍.234.2 Keilc 工程的建立.234.3 系统软件流程设计.264.4 延时子程序.274.5 消抖子程序.274.6 中断子程序.285 设计小结.
17、30致谢.31参考文献.32附录 A 英文参考文献.33附录 B 参考文献中文翻译.37附录 C 系统总程序.4011 绪论1.1 课题背景与意义自19世纪汽车诞生以来，已经历了一个多世纪的风雨。想当初，卡尔本茨造出的三轮汽车每小时的时速仅为18公里/时，而现在已经诞生了时速 600公里的超级跑车。随着社会的不断进步发展，汽车已成为现代人生活中不可或缺的交通工具。然而，随着汽车技术的不断进步以及车辆数目的增加，汽车也给现代社会带来了新的问题。频繁发生的交通事故已经成为不得不严肃对待的世界性问题，据统计，在各种意外事故中，以车祸占首位，占意外死亡总数的50%以上。仅以汽车交通事故为例，全世界因交
18、通事故而死亡的人数己超过3000万人，比世界大战所死亡的人数还多。而其中以青少年与老年人的死亡率最高，值得注意的是：儿童青少年一直都是交通事故导致伤亡的高危人群。据估计，近年来全世界每年在车祸中丧生的人数约为30万人，受伤者约3000万人，其中终身残疾者约为300万人。我国城市每万辆车死亡率为5010.8人左右，与国外相比较，为日本的26.5倍。美国的17.8倍。若以万辆车的死亡率作比较，我国车祸的发生率和死亡率皆居世界之首位。据公安部交通管理局的统计：2005年，全国共发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911人受伤，直接财产损失18.8亿元。自2001年以来全国交通
19、事故死亡人数首次回落到10万人以下。中国由于交通事故每年死亡超过万人，死者大多是年轻人，占全球交通事故死亡人数的五分之一，居世界各国之首，中国每5分钟有一人因车祸死亡，每一分钟有一人因车祸伤残，每天死亡280多人，每年死亡10万多人，中国的汽车数量仅占世界的1.9%，而车祸死亡人数占世界15%，且每年增加4.5%。如何提高汽车的安全性、减少交通事故的发生已经成为全世界的迫切要求。汽车安全性分为三大部分主动安全性、被动安全性和防火安全性。所谓主动安全性，是指汽车设计者在汽车的配置中，采取一系列技术措施，以预防和减少安全事故的发生，其中包括汽车夜间照明、各种指示信号、驾驶员视野、制动以及轮胎等所谓
20、被动安全性，是指在汽车中采取一系列技术措施，使得安全事故一旦发生时，可最大限度地防止或减少对人员造成的伤害；其中包括车身结构、安全玻璃、座椅、头枕、内外部凸出物以及安全气囊等。汽车照明系统作为汽车最主要的主动安全装置之一，主要负责前方路况的照明，提供给驾驶者前方的路况信息，使驾驶员能够及时看清障碍物并做出反应，是保证汽车在夜间或能见度较低的环境下安全行驶的关键。传统的汽车照明系统主要包括照明装置照明灯和信号装置。其中照明灯的功能是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方的路面倒车灯照亮汽车后方，在倒车时也是照亮行驶方向；照明灯主要是指前照灯、前雾灯、倒车灯和牌照灯；其次像室内灯、仪表等和行李箱灯也属照明灯
21、用；信号装置包括汽车信号灯和回复反射器；信号灯中又包括转向指示灯、制动灯、后雾灯和位置灯等。信号灯的功能，是向其他道路使用者表明本车的存在，以及本车将要转向某一方向或正在制动减速等，以引起对其的特别关注。事实上，前雾灯兼有照明和信号的两种功能，它是在雾、雪、雨或尘埃蔓延等有碍可见度的情况下，为改善车辆前方道路照明和使迎面来车易于发现车辆的灯具。但是在实际的使用中，传统的前照灯系统存在着许多的安全隐患。特别是在交通事故多发和高致死率的夜间，传统的照明系统难以对汽车提供有效的安全保护。世界汽车安全事故统计资料表明夜间发生的交通事故是白天的三倍，照明状况不良时的事故率又是照明良好时的三倍。我国交通事
22、故统计资料显示，仅1994年因灯光问题酿成的安全事故就有近千起，造成三百多人死亡。而造成夜间事故平频发的主要原因是在晚上驾驶员的可视度与白天相比大幅度的下降，同时雨雾和空气中的一些污染物在前窗玻璃上形成的水滴和污物也会让驾驶员的距离感产生失真，严重影响了驾驶员对前方弯道障碍物的判断，而依靠传统的照明系统即2使将近光灯、远光灯和前雾灯全部开启也依然会存在着照明盲区，从而导致事故的发生。上述这些问题的存在，就使得研制出一种具有多种照明功能的新型照明系统成为必然的趋势，并且这些功能的切换，出于安全上的考虑，应该是无需驾驶员手动控制全智能实现的。与此同时，随着科学进步的发展，越来越多的高新技术开始运用
23、在汽车工业上。汽车虽然本是主要偏向于机械配合的一项技术，不过近几十年随着电子技术的迅猛发展，各行各业都开始提倡机电一体化，汽车也不例外：安全、节能、环保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。与这些要求相适应，汽车电子化的趋势越来越明显，各类电器元件在汽车成本中所占比例也越来越高，如今的汽车上都是动辄数百个电子元件，数以捆计的汽车线路控制着汽车多个部门的协调工作，国外专家预测未来3-5年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的25%以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车” 可以说汽车电子化已经成为现代汽车发展的重要标志。在现代汽车制造工艺中引入电子
24、技术不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性，使汽车产业进入一个新的纪元，而且还开拓了电子产品的市场，推动了电子产业的发展。将汽车电子技术运用到汽车照明领域，将微控制器、传感器、车载网络系统、自动控制理论与传统的汽车前照明机械系统结构相结合，开发出能够解决由于传统照明系统带来的安全问题的新型智能车灯，将是未来汽车前照明系统的发展方向。1.2 国内外发展状况及发展趋势自适应智能前照灯技术（AFS）在汽车照明领域的重大突破，极大程度的保障了夜间行车安全的同时也提升了行车的舒适性，日本和欧洲的各大汽车制造商对此已达成共识并自上世纪九十年代起就以开始投入研究。目前，在国外自造商都纷纷推出自己研发的自适应
25、前照明系统，不仅在其高档车型中标配系统，甚至在中低档轿车车型中也将该系统作为选配列出。最近，福特公司也研发了一种新型智能主动转向头大灯技术，大大提高了夜间的行驶安全。在福特公司所研制的系统中将LED二极发光体作为照明光源的头灯系统。LED(半导体发光二极管)车灯也是一种比较新型的车灯技术，它不仅节省能源，而且使用寿命长，是各大汽车制造商的研究热点。不过LED 车灯目前主要用于信号灯、指示灯等小型照明领域。福特公司展现其独特的科技将LED技术运用与智能前照灯系统中，使系统不仅省电、高亮度，让外形设计也变得令人耳目一新。该系统包括以下功能：1、可调整LED车灯；2 、LED 驻车灯、转向信号灯；
26、3、投影式前照灯。福特的这款新系统虽然还处于概念阶段，但其技术已经十分成熟，不久便能正式投入市场。在2006年北美车展展出的林肯概念车就采用了这项新技术。国内的各大汽车生产商也开展了对AFS系统的大力研发，比如自东风集团在其推出的日产新天籁上就安装了他们最近研究的智能转向照明辅助系统，它不仅装备了远近光氛气大灯且在随动转向大灯技术上，又有着自己的发展方向。新天籁拥有一套智能转向照明辅助系统，但原理有别于我们所说得“随动” 功能。新天籁除了远近光灯之外，在前大灯的外侧还添加了一个卤素灯，当转向到一定角度后，这个卤素大灯就会自动开启，辅助照明。虽然这在技术上似乎不如真正的“随动” 先进，但效果同样
27、不错。这有些类似于福特公司在AFS上的设计新思路，即用卤素大灯作为转弯时的辅助照明灯，此外新天籁具备光束的高度调节功能。但是国内对汽车自适应智能照明控制系统领域的研究起步较晚，相关实验研究进行较少，技术以从国外引入为主，然而引入的国外系统大多是基于生产商本国的道路情况设计，而国内的道路状况有着自己的交通特点和地形地貌，因而往往系统的功效往往得3不到最大的发挥，给系统在国内的推广应用带来了阻碍。自适应智能照明系统在汽车主动安全领域的重大突破和显著成效使其成为未来国内外汽车生产厂商在汽车智能照明系统方面的热门研究方向之一。随着汽车工业的发展，使用者在考虑车载高新技术的同时，对汽车的安全性也越来越重
28、视。为满足市场的需求，安全、舒适、节能将是未来自适应前照灯系统的发展方向。首先，在未来的汽车智能前照明系统中将会集成图像识别功能以检测行人、车辆和路边障碍物，为驾驶员提供更加安全的行驶环境其次，未来的自适应照明系统将与自适应巡航控制（ACC）和车道偏离警告系统（LDWS）等其他新型汽车主动安全系统相结合，不仅可以更加精确的预测前方的路面状况从而对光型进行更智能化地调节，同时也能使系统变得更加集成化、低成本化；并且随着LED 技术的不断发展， LED的性价比不断提高，据专家预测，新一代的汽车自适应照明系统也将采用LED转向灯，由于LED 灯具有寿命长、占用空间小等优点，可以使得整个系统的节能性和
29、可靠性明显提高。1.3 本课题的研究意义与目的随着汽车制造技术的不断进步，汽车的行驶安全成为人们越来越关心的问题。而汽车前照灯作为汽车主动安全的主要组成部分之一，也必须满足使用者越来越高的要求。一个优秀的汽车照明系统应该满足以下标准能够为驾驶者提供前方路段的景象信息，让驾驶者有充足的时间对可能面对的危险做出反应给驾驶者提供信息时不会增加驾驶员的疲劳给本车驾驶员带来方便的同时不会给其它车道使用者的带来麻烦。本课题所研究的自适应智能前照明系统正是基于这些条件而研制的，智能前照明系统不像传统的前照明系统只能工作在固定的初始设定模式下，而能够通过各种传感器所采集的汽车当前行驶车速、方向盘转角、车身俯仰
30、状态、前方路况等数据判断当前的行驶状况，调整配光机构来为驾驶员提供当前驾驶环境下最适合的视野范围，极大程度保证了驾驶员在各行驶环境下的行车安全。由于我国的汽车工业起步较慢，在一些高新技术方面与国外更是差距甚大。这个问题在汽车照明领域方面表现的尤为明显。现阶段国外的各大厂商都有着专门研发智能照明系统的研发技术部门，在许多的车型上也展出了他们先进的研究成果。但是中国现在对此技术进行专门研究的厂商十分之少，而且相关技术也基本都是直接从国外引进，难有自主开发的。然而前照明系统的智能化是未来的发展趋势，加快国内的研发速度，开发出属于中国自己的智能前照明系统不仅能够打破国外的技术垄断，还能占有更多的汽车国
31、际市场，具有重大的意义。1.4 课题内容本设计是关于汽车智能化汽车照明系统的设计开发，要求学生在毕业设计期间，完成汽车智能化汽车照明系统的理论设计，同时要求开发的汽车智能化汽车照明系统有一定的实用性，能满足汽车弯道转向工况的性能需求。 了解汽车智能化汽车照明系统的性能要求和设计步骤； 掌握汽车智能化汽车照明系统设计的方法和流程； 能够熟练地查阅有关参考文献及资料； 熟悉毕业论文的格式和撰写软件的操作。42 控制系统总方案设计2.1 系统的功能及工作原理2.1.1 系统的基本功能汽车自适应照明控制系统的基本功能如下：夜晚行驶转弯时，车辆根据转向角和车速的变化自动调整前照灯的近光照射方向，照亮车辆
32、即将行驶到的前方的路面；当汽车前后载荷发生变化而使汽车车身倾斜时，根据安装在前后车轴上的车身高度传感器所测得的信号进行判断处理，补偿车辆载荷的变化，实现照明距离的自动调节；夜晚汽车行驶在高速公路上，遇到上坡时，根据车速、坡度以及汽车到坡的距离等信息自动调整前照灯的照射距离，实现远距离照明，增加前方路面的视野信息；夜晚行驶会车时，前照灯的远近光变光控制会车时，系统自动变为近光状态会车完毕自动恢复到远光状态；前照灯自动开关控制主要有以下功能：当外界光线不足时比如夜幕降临、夜间、白天过隧道、进入地下停车场等，影响驾驶员的正常行驶，开启前照灯；当外界光线足够时如黎明、白天、驶出隧道后等，关闭前照灯；为
33、防止外界环境瞬间变亮，车灯关闭，采取延时的措施，即当周围的亮度持续明亮一段时间时，关闭前照灯；停车后车灯的延时关闭：夜晚停车熄火后，根据检测到的发动机的状态和车门的状态，前照灯自动延时熄灭，为司机在光线不足的环境下提供方便；系统结构示意图如下：图 2-1 系统工作流程图2.1.2 系统工作原理利用速度传感器和方向盘转角传感器、车身高度传感器、红外测距传感器、光电传感器以及对发动机工作状态和车门状态的检测来判断确定车辆的行驶状态、车辆行驶的道路状况和外界环境光线的强弱以及光线实时变化的情况，把检测到的信号转化为电信号，并输入到单片机进行判断处理，进而发出相应的指令控制车灯做出相应的调整，从而实现
34、车灯的自动控制；同时，系统在车辆行驶前以及行驶过程中，通过用检测各个车灯供电线路的反馈电流信号以及光电传感器检测输入的信号两种方法来共同检测判断各个车灯正常与否。2.2 系统硬件总体设计5车智能前照灯系统包括传感器模块、MCU、步进电机、前照灯，如图 2-2 所示：图 2-2 系统的硬件设计框图智能前照灯的工作原理：当车辆进入弯道时，MCU 通过采集车速和方向盘转角变化，判断是否对前照灯进行水平调光，并进一步计算出两灯在左右方向上的调节角度，然后转换成各步进电机运动状态控制参数，控制相应步进电机动作，完成调光过程。2.3 单片机选择2.3.1 AT89C51 简介在车载电子系统的设计中，微控制
35、器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。一般来说，选用车载电子系统微控制器时应考虑微控制器应用的类型、I O 接口、主频、功耗、所支持的存储器类型、总线、价格、封装、产品的生命力和厂家的实力、技术支持以及第三方软件的支持等因素，但最重要的是微控制器的稳定性，安全问题应该永远是车载系统首要考虑的因素。由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统选用美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机 AT89C51 作为微控制器。片内含 4kbytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准80
36、51 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的
37、AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图：图 2-3 芯片引脚图62.3.2 AT89C51 结构说明 主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源A. 可编程串行通道B. 低功耗的闲置和掉电模式C. 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： VCC：供电电压； GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O
38、 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上
39、拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3 管脚备选功能：
