1、电动汽车智能车灯控制系统的设计说明电动汽车智能车灯控制系统的设计摘 要汽车信号灯是汽车的重要组成局部，同样，电动汽车也离不开车灯。虽然传统的汽车信号灯控制系统种类有很多种，但是，传统信号灯具有使用寿命短、电路设计复杂、性价比低、平安性和可靠性差的缺点。为了解决传统汽车信号灯控制系统中存在的问题，本文将单片机技术和汽车信号灯进展了有效结合，设计了一种基于单片机的电动汽车智能车灯控制系统。该系统以单片机作为控制核心，通过单片机对外围电路进展控制。电动汽车的智能车灯控制系统具有手动控制和自动控制两种控制模式，使用哪种控制模式可以由驾驶员进展自由选择。本文设计的电动汽车的智能车灯控制系统，融入了很多的
2、人性化设计，拥有良好的人机交互界面，外围电路设计简单实用，具有很好的平安性和稳定性，性价比高，容易进展外围电路扩展，便于后期的软件升级。关键词：汽车信号灯；单片机；手动控制；自动控制4 系统软件程序设计181 绪论1.1课题研究背景近年来我国的经济开展迅速，随着国民输入的提高，很多家庭都有了汽车。电动汽车作为一个新兴领域，也开场得到快速的开展。现在，电动汽车受到国家的政策大力的扶持。所以，电动汽车也成为了很多家庭的选择之一。电动汽车具有很多优点，节能和环保是其最主要的优点。电动汽车现在经常在市面上看到，而且种类很多，完全可以满足人们出行的要求，是一种很实用的交通工具。车灯控制系统是电动汽车的重
3、要组成局部。很多汽车行驶在道路上，在转弯、停车、刹车等情况下，需要给别的车辆信号。所以，这就需要每台汽车上都要配有车灯控制系统，否那么，将会造成交通的瘫痪，造成交通事故的发生。如果设计出一种切实有效的、使用方便的、具有良好人机交互界面的车灯控制系统对汽车本身是极其重要的。 汽车信号灯是汽车的重要组成局部，同样，电动汽车也离不开车灯。虽然传统的汽车信号灯控制系统种类有很多种，但是，传统信号灯具有使用寿命短、电路设计复杂、性价比低、平安性和可靠性差的缺点。为了解决传统汽车信号灯控制系统中存在的问题，本文将单片机技术和汽车信号灯进展了有效结合，设计了一种基于单片机的电动汽车智能车灯控制系统。1.2汽
4、车信号灯的开展汽车信号灯对汽车具有十分重要的意义。汽车信号灯的作用主要有以下几方面：1信号灯能够为汽车行驶时，起到照明作用；2信号灯能够告知其它车辆，此汽车正在或者即将要做出的动作，例如：刹车灯或者转弯等；3当汽车在紧急状态下，能够告知别的车辆。20世纪末期，哥伦比亚号电动汽车将电使用在汽车的前灯和尾灯上，此时刻标志着车灯的出现。早期的前大灯不可以实现调光功能，因此，在会车的情况下，经常会晃到驾驶员的眼睛。为了克制此缺点，学者们经过了长时间的眼睛。后期，厂家普遍使用一种附加光度调节器的车灯系统。前大灯能够在垂直方向上进展移动，然而，驾驶员需要下车去搬动夹具的位置，进而改变车灯的位置。由早期乙炔
5、气前照灯开展到现在的自由面反射镜气体放电前照灯，已经经过了长达120年的历程，这个历程中，车灯经过很多变革，归纳如下： 第一代乙炔气前照灯。该前照灯有很高的轮廓亮度，乙炔气火焰的亮度比当时的电光源到达的亮度要高出一倍多，所以，在1925 年以前，几乎全部汽车使用的前照灯都为乙炔前照灯。第二代电光源前照灯。在1913年，具有螺旋形式的灯丝出现，这也就意味着充气白炽灯泡开场出现。由于这种灯具有很高的亮度，能够给电光源前照灯提供广阔的开展空间。但是，这种灯经常会受到电气装置的限制，所以，一直推迟到1925年，才开场普遍使用。第三代双光灯芯前照灯。这种车灯拥有高轮廓亮度充气灯泡，当装在汽车上时，在交会
6、车时容易出现，由于前照灯强光导致的驾驶员炫目情况的发生。所以，这种强光很容易导致交通事故的发生。汽车会车时的炫目问题，现在仍然是汽车照明技术中急需要解决的重要问题之一。第四代不对称近光前照灯。双光灯芯前照灯系统为对称近光系统，该系统的左右两侧具有一致性。所以，左、右两侧行驶时，都是可以使用的。因为，行车光变到会车光的情况下，视见距离将会减少。这种情况下，会使车速下降。为了解决这类问题的发生，美国厂家在1932年创造了不对称的前照灯。基准轴是中心，把光束分成了2局部，通过使这种方法使得来车一侧的落地距离小，并且另一侧光束的落地距离大。第五代H4卤钨前照灯。第1批配置有卤钨灯泡的汽车前照灯是法国斯
7、贝公司在1964年生产的。这种灯的灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约 50% ，寿命也增加一倍。第六代HID前照灯。以HID前照灯作为典型代表，现代汽车的前照灯在发光原理、结构形式和制造材料等方面变化极大。HID氙气头灯通过使用高压击穿惰性气体，使得气体发生电离现象，进而产生发光现象。它生成的光照度具有很强的力度，并且具有很高的色温和强穿透性。这种照明灯能够节约电能的消耗，可以作为一种理想化的汽车前照灯光源使用。第七代LED前照灯，这是美国最新的研制成果。预计在未来5年，白光大功率LED技术会全面取代当前的多种照明产品。这种技术拥有很好的平安性和稳定性，并且能耗低、寿命长，将会使未来
8、汽车照明领域的一种重点研究方向。1.3本文研究容本文对电动汽车的智能车灯控制系统进展研究，以单片机作为控制核心，通过单片机对车灯控制系统的外围电路进展控制。电动汽车的智能车灯控制系统具有手动控制和自动控制两种控制模式，使用哪种控制模式可以由驾驶员进展自由选择。本文的车灯控制系统模拟汽车驾驶过程中的9种操作方式，包括：左转弯，右转弯，紧急，刹车，左转弯时刹车，右转弯时刹车，停靠等操作。利用开关控制输入信号，通过硬件电路和软件编程来实现信号灯的驱动和点亮，或者闪烁和熄灭。本文设计的电动汽车的智能车灯控制系统，融入了很多的人性化设计，拥有良好的人机交互界面，外围电路设计简单实用，具有很好的平安性和稳
9、定性，性价比高，容易进展外围电路扩展，便于后期的软件升级，对电动汽车的车灯控制系统开展具有一定的研究意义。2 系统总体方案设计2.1系统设计要求电动汽车在行驶过程中，通常要频繁的使用左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关等根本操作。在汽车进展左转弯或者右转弯的情况下，利用转弯操作杆应该可以让左转弯开关或者右转弯开关闭合。当左转弯开关闭合时，应该让汽车头部的左转弯信号灯、仪表盘上的左转弯信号灯、汽车尾部的左转弯信号灯被点亮，并处于闪烁状态，直到左转弯开关断开。相对应的，当右转弯开关闭合时，应该让汽车头部的右转弯信号灯、仪表盘上的右转弯信号灯、汽车尾部的右转弯信号灯被点亮，并处于闪烁状态，直到右转弯开关
10、断开。当转弯操作杆恢复到原有的中间位置时，左转弯开关或者右转弯开关将会断开，指示灯将不再闪烁。在汽车进展刹车时，汽车后面的两个尾灯将会被点亮。在将车的紧急开闭合时，车上的六个灯将会共同闪烁。在汽车转弯过程中进展刹车时，在原来3个车灯闪烁的根底上另一个尾灯将会被点亮。上面提到的所有车灯的闪烁均是利用1HZ的频率进展闪烁，停靠和其它情况都是用20HZ的频率进展闪烁。系统设计要求汇总表如表2-1所示。表2-1 系统设计要求汇总表左头仪左左尾右头仪右右尾左转1HZ1HZ1HZ右转1HZ1HZ1HZ紧急1HZ1HZ1HZ1HZ1HZ1HZ刹车亮亮停靠20HZ20HZ20HZ20HZ其余20HZ20HZ2
11、0HZ20HZ20HZ20HZ2.2系统设计方案讨论在对电动汽车的智能车灯控制系统功能研究的根底上，结合表2-1的系统设计要求，本文设计了3种设计方案，分别为： 1继电器作为控制核心通过使用继电器控制能够控制转弯信号灯，然而这种控制方式对汽车的平安性提出了更高的要求。汽车对信号灯的要响应速度要快，但是继电器的吸合和断开过程有一定的延时性，不能到达很好的快速响应效果。因为，汽车信号灯的使用频率较频繁，对器件的使用寿命要求较高。继电器连续的进展吸合和断开操作，将让继电器的使用寿命减少，对电动汽车的平安性和稳定性造成严重影响。所以，基于上述原因，继电器并不适合在电动汽车中的信号灯控制系统使用。2PL
12、C作为控制核心PLC对开关控制具有极好的准确度，并且控制系统具有很好的稳定性，能够具有高抗干扰性，适合使用在不同环境，甚至是在恶劣环境中使用。PLC的控制效果优于传统形式的继电器控制和传统形式的计算机控制系统。PLC控制系统的优点是体积小，质量轻，功耗小，集成度高。虽然PLC的优点很多，然而PLC的价格很高。针对普通的电动汽车，如果使用PLC作为信号灯控制系统核心，将会大幅度的提高车辆的制造本钱，降低电动汽车市场竞争力。电动汽车的信号灯控制属于根本的开关量控制形式，并不需要计时、定时、运算等复杂性功能，所以如果使用PLC作为控制核心，将会浪费PLC自身的资源，这种控制系统将具有极低的性价比。所
13、以，基于上述原因，PLC并不适合在电动汽车中的信号灯控制系统使用。3单片机作为控制核心单片机属于智能化仪器设备的最为核心的器件，单片机对系统的整体设计方案具有决定性的影响作用。基于系统的硬件设计方案和软件编程思路，并且对整个系统进展合理的评估和预测，选择对应的单片机型号，进展智能化仪器的开发。单片机的优点是整体的尺寸小、重量低、性价比高、使用时能源消耗小、强控制特性、响应速度快，非常适合在工程技术领域、家用电器领域、公共设施构建等领域进展普遍使用。同时，单片机还支持联合操作，可以将两个或多个单片机进展搭配，一个作为主单片机进展主要程序的执行，其余的单片机作为辅助单片机使用，最终构成的是一种集散
14、型的多机联合控制系统。单片机控制系统拥有PLC控制系统的全部特点，能够当做电动汽车的智能车灯控制系统的控制核心。本文选取单片机作为本系统的控制核心。电动汽车的智能车灯控制系统就是基于单片机的上述优点进展选型的，并对单片机的外围电路进展了设计。2.3系统总体设计方案本系统在整体结构上具有很多创新性的设计，系统各局部的功能都得到了充分的发挥。本系统根据设计目标，对器件进展了全方位的考量，才最终确定最适合本系统的元器件。系统中的各组成局部都具有很好的兼容性，为电动汽车的智能车灯控制系统长时间稳定性的工作提供了必要准备。本系统的设计原那么主要包括：可靠性、标准性、实用性、准确性、经济性、通用性、先进性
15、、可操作性以与广泛性。本系统通过5个开关对电动汽车的左转、右转、刹车、左刹车、右刹车、以与紧急和停靠的动作进展模拟。利用I/O口将控制信息输入给单片机进展处理和分析，当单片机接收到指令后，便利用相对应的程序，让相关器件实施对应动作。通过将控制程序输入给ULN2003A芯片，能够驱动相对应的LED灯，实现发出信号灯的目的，起到警示作用。自动控制模式的特点是基于光敏电阻感应原理，利用对电动汽车车前方的光强度信号进展检测，并把检测得到的光信号进展转变，变化为电信号，然后输入到单片机中，通过单片机驱动电动汽车尾灯，需要的话还可以启动报警功能。系统手动控制原理结构如图2-1所示。图2-1 系统手动控制原
16、理结构框图系统自动控制原理结构如图2-2所示。图2-2 系统自动控制原理结构框图3 系统硬件电路设计3.1系统硬件电路芯片选型单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用1。因此要完成此系统的设计，考虑到实际的应用和性价比，在数据处理和控制方面单片机是首选。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是非常活泼和颇具有生命力的机种2。单片微型计算机简称单片机，特别适合用于控制领域，故又称为微控制器，它是将计算机的根本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机3。片含有CPU、ROM、RAM、并行I/
17、O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟与系统总线等4。单片机的部结构图5如图3-1所示。图3-1 单片机的部结构图单片机的开展非常迅速，世界上一些著名器件公司如Atmel公司、Motorola公司、Zilog公司等也竞相推出新产品6。每个公司的单片机各有优势，使用围也有区别，因此选择一个适合统的单片机是十分重要的。比拟了PIC、Motorola公司、Zilog公司等公司的单片机，选择了美国的ATMEL公司的单片机7。美国ATMEL公司率先将Flash存储技术应用于单品机产品中，推出了AT89系列单片机，在全球电子业引起了巨大的反响。ATMEL公司是一家跨国的专业半导体企业，总部设在
18、美国硅谷圣何塞，ATMEL在电可擦技术上，拥有世界上最多的专利和最先进的工艺810。本文选用的AT89C51单片机引脚结构11如图3-2所示。图3-2 AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含4kbytes的可反复擦写的制度程序存储器PEROM和128bytes的随机存取数据存储器RAM，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MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元，功能强大。AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域12。AT89C51单片机的主要技术参数为：MCS-51产品指令
19、系统完全兼容；4K字节可重复擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0HZ-24MHZ；三级加密程序存储器；1288字节部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉线模式。AT89C51提供标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作方式停止CPU的工作，掉电方式保存RAM中的存，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工
20、作直到下一个硬件复位13。ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A电路是美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V,电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTL COMS，由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC，部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出
21、口的外接负载可根据以上参数估算。ULN2003 是高耐压、大电流、部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动片。 ULN2003可以驱动7个继电器，具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以到达更高的输出电流能力。ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7k的电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接14。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种
22、电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大15。 光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值可达110M欧，在强光条件下，它阻值仅有几百至数千欧姆16。光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。 本文选用硫化镉光敏电阻，它的伏安特性曲线如图3-3所示，它的光照特性曲线如图3-4所示。图3-3 光敏电阻伏安特性曲线图图
23、3-4 光敏电阻光照特性曲线图系统的显示器通常用来作为数据信息的输出设备，显示器的类型有很多种。在基于单片机技术设计的系统，使用最为广泛的共有两种显示器。第一种是发光二极管显示器，也就是LED显示器；第二种是液晶显示器，也就是LCD显示器。LED和LCD显示器各自具有不同的特点，相对来说，两种显示器共有的优点是结构简易，性价比高，接口形式方便使用，并且都具有广泛的应用围17, 18。发光二极管，也就是LED。通过发光二极管能够构成显示屏，并且显示屏中的每个点均属于一个或多个发光二极管。利用控制电路能够实现对二极管的有效控制。这种方式能够控制二极管的亮和灭，并且能够通过这种方法控制点的发光与否。
24、然后，通过控制让整个大屏幕系统对图案进展显示。液晶显示器的LCD中，使用最为广泛的一种是TFT类型。这种类型的LCD显示器是通过光源、液晶光栅以与芯片控制电路构成的。LCD的光源一般情况下会显示常亮的白色强光。在光线在液晶液晶屏过的情况下，可以将电压进展转变，转换到液晶颗粒的滤光方向上，使得每个点的颜色发生变化，并且以一定的强度实施图案的显示。液晶显示器的型号有很多种，依据显示方式的不同能够分成不同的显示类型。其中，包括：段式显示，行点阵式显示以与全点阵式显示，共3种类型。液晶显示器中的段式显示类型和数码管显示的原理很相似。行点阵式型液晶显示器，通常情况下是用来显示英文字符。全点阵式液晶显示器
25、，一般情况下用来对信息进展显示，显示的围比拟多样，例如：汉字、图形以与图表等信息。考虑到实际电动汽车的使用情况，本文使用LED数码管进展显示，实际的LED灯泡与其灯具如图3-5所示。图3-5 LED灯泡以与灯具图片74HC164、74HCT164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型TTL器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发式移位存放器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端DSA 或 DSB之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP)
26、每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端DSA和 DSB的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地去除存放器，强制所有的输出为低电平，如图3-6所示。图3-6 74LS164部逻辑图芯片特性：门控串行数据输入；异步中央复位符合 JEDEC 标准 no. 7A；静电放电 (ESD) 保护；HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 2000 V；MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V；多种封装形式；额定从 -40 C 至 +85 C 和 -40 C 至 +1
27、25 C 。74LS164芯片逻辑符号图如图3-7所示。图3-7 逻辑符号图74LS164芯片引脚图如图3-8所示。图3-8引脚图3.2晶振电路设计单片机工作时，是一条一条的从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间校准。一个机器周期包括12个时钟周期。因为没有晶振，就没有时钟周期，就没有机器周期，没有机器周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。由此可见假设想单片机正常工作，必须得有晶振电路。单片机的晶振电路是一种典型电路，晶振频率一般选择在4MHZ12MHZ之间，外接两个晶振电容，改电容的典型值为30pf。只需要在单片机的RST引脚
28、上加高电平，时间不少于8us就可以了。单片机的晶振电路如图3-9所示。图3-9 单片机的晶振电路3.3复位电路设计复位电路属于单片机的最小系统的组成电路，主要用于完成初始化操作。复位电路如图3-10所示。图3-10复位电路复位电路的目的为，让CPU以与其存放器间处在一个确定的初始化状态。系统在正常上电的情况下能够实现复位。而且，在系统程序运行遇到问题时，或者操作出现错误时，都会让系统处于死锁状态。这就需要参照复位开关恢复系统的正常工作状态。操作型式有上电自动复位操作以与手动复位操作。其中，上电自动复位操作为把单片机连接电源，并对复位电路的电容实现充电；按键电平复位是基于RST端，并利用电阻和V
29、CC电源进展连接实现的。本文的复位电路使用的是手动复位形式。3.4自动报警模式电路图自动控制模式是基于普通的光电传感装置，如图3-11所示。利用光敏二极管进展检测，检测得到汽车前方车辆的光信号或者后面车辆反光镜的反射光。然后将检测得到的信号转变成电信号，然后利用放大器和反相器进展处理，并通过P3.0口传递给单片机进展控制。图3-11 自动报警模式电路图通过硫化镉光敏电阻、放大器和反相器组成一种捕捉光信号的装置，再将光信号转变为电信号，输送到单片机的P3.0口。在后面车辆过于靠近车前方时，车的头灯光强会加强。这种情况会使得图3-10中的电路系统电流增大。在加大到一定程度时，单片机将使尾灯点亮，与
30、此同时通过P1.7口发出电信号，进而驱动警报系统，对前方的车辆和本车司机起到提醒作用。依据公式3-1进展计算： 3-1式中：I表示光电流；U表示外加电压；L表示光照度。K=1，a=1.1，V=0.5。规定在L1的情况下，通过公式I5.87，可以对报警状态进展设置。在这种情况下，如果单片机点亮了尾灯，系统将会驱动警报系统，实施报警过程。图3-12报警系统电路图如图3-12所示，这是本系统的报警电路。报警系统由1个电阻，1个三极管和1个蜂鸣器组合而成。在光电流大于或者等于5.87A的情况下，单片机将驱动蜂鸣器进展报警，同时提醒司机提高警觉。3.5 ULN2003A连接电路ULN2003A具有16个
31、引脚，芯片的第17引脚按顺序分别和单片机的P1.0P1.6进展连接，第1015引脚按顺序和D1D6进展连接。ULN2003A电路连接如图3-13所示。图3-13 ULN2003A电路图3.6开关连接电路与功能介绍AT89C51单片机的P3口分别和5个开关进展连接，如图3-14和图3-15所示。这5个开关分别对应：汽车的刹车过程、紧急状态的双闪过程、停靠过程，左转弯过程，右转弯过程。图3-14 开关连接图图3-15 开关系统3.7 LED信号灯连接电路本设计中的汽车信号灯选用6个发光二极管，发光二极管导通时，产生一个正向的工作电流IF，工作电流根据发光二极管的材料、功率等不同，额定电流一般在1040mA左右，发光二极管导通时的正向压降VF比拟大，一般为1.53V。因此在正常使用中，为了保证发光二极管在电源电压V的作用下管子的工作电流不超过额定值，必须给发光二极管串联一只限流电阻R，R的阻值可由下式算出：RV-VF/IF。其中V为工作电源电压，VF为发光二极
