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智能车灯控制系统的研究与实现毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

汽车的普及给人们的日常生活出行带来了极大的便利,但是根据有关报道显示交通事故发生的频率越来越高,严重威胁到了人们的生命安全。国内外的相关学者和专家在不断致力于汽车照明系统的改进和智能化研究,汽车车灯的智能控制也成为汽车行业关注的重要课题。

本项目设计一种智能车灯控制系统,实现了汽车前大灯随着汽车的方向盘进行左右转的功能,以此为驾驶人员提供合理的视野照明。在道路照明情况不明时,通过光敏电阻对外界光线的感知自动开启近光灯,降低驾驶人的驾驶强度。

系统采用STC公司生产的STC89C52作为主控芯片,在硬件上设计了电机驱动模块、光敏传感模块以及继电器模块来实现各项功能。软件设计上,与硬件相对应的功能模块编写不同的软件程序,画出相应的程序流程图,按照步骤进行程序编写。利用keil和protues软件进行软硬件的联调,并对算法进行优化。

最后进行实物焊接并对设计的汽车前大灯进行了功能测试,实验结果表明:光敏电阻检测到外部光线比较灰暗时,就自动开启前大灯进行照明,若外界光线较强时,前大灯就处于关闭状态;单片机根据按键模拟方向盘转动进行驱动步进电机转动,当左转被按下时,前大灯向左以步距角7.5°进行偏转,右转与左转类似。

关键字:汽车前大照灯;步进电机;单片机;传感器

Abstract

The popularity of automobiles has brought great convenience to people's daily life travel, but according to relevant reports, the frequency of traffic accidents is getting higher and higher, which seriously threatens people's lives. Relevant scholars and experts at home and abroad are constantly working on the improvement and intelligent research of automotive lighting systems. The intelligent control of automobile lights has also become an important topic of concern for the automotive industry.

 This project has designed a smart car light control system to realize the function of the car headlights to turn left and right with the steering wheel of the car, so as to provide reasonable vision for the driver. When the road lighting situation is unknown, the perception of external light through the photoresistor automatically turns on the low beam to reduce the driving intensity of the driver.

The system adopts STC89C52 produced by STC as the main control chip, and the motor drive module, photosensitive sensor module and relay module are designed on the hardware to realize various functions. In the software design, the function module corresponding to the hardware writes different software programs, draws the corresponding program flow chart, and writes the program according to the steps. The keil and protues software is used to coordinate the hardware and software and optimize the algorithm.

Finally, the physical welding was carried out and the designed headlights of the car were tested. The experimental results show that when the photoresist detects that the external light is dark, it automatically turns on the headlights for illumination. If the external light is strong, the headlights It is in the off state; the single-chip microcomputer drives the stepping motor to rotate according to the button to simulate the steering wheel rotation. When the left-turn button is pressed, the headlights are deflected to the left at a fixed angle, and the right turn is similar to the left turn.

 Keywords: car headlights; stepper motor; single chip; sensor

目录

摘要 II

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2汽车车灯智能控制系统国外研究现状 2

1.3汽车车灯智能控制系统国内研究现状 3

1.4智能车灯控制系统研究内容与论文章节安排 3

1.5本章小结 4

第2章 智能车灯控制系统设计方案选择 5

2.1 智能车灯控制系统设计方案一 5

2.2智能车灯控制系统设计方案二 5

2.3智能车灯控制系统设计方案三 5

2.4智能车灯控制系统设计方案确定 5

2.4.1系统的工作原理 5

2.5 本章小结 6

第3章 智能车灯控制系统硬件模块设计 7

3.1主控模块选择和介绍 7

3.1.1晶振电路设计 9

3.1.2复位电路设计 9

3.2光敏传感电路模块设计 10

3.3步进电机驱动模块 11

3.3.1 步进电机介绍 11

3.3.2步进电机驱动芯片L298N 12

3.4继电器模块设计 14

3.5本章小结 15

第4章 智能车灯控制系统软件设计 16

4.1系统主程序 16

4.2子程序设计 17

4.2.1前大灯自动开启子程序 17

4.2.2左转偏转子程序 17

4.2.3右转偏转子程序 18

4.3本章小结 19

第5章 智能车灯控制系统的protues仿真和调试 20

5.1电机正反转仿真调试 20

5.2智能车灯系统控制硬件调试 22

5.3本章小结 22

第6章 系统测试 23

第7章 结论 24

7.1 项目研究内容特色与创新点 24

7.2展望 24

参考文献 26

附录A:电路原理图 28

附录B:源程序 29

第1章 绪论

1.1课题研究背景

近年来,人们的生活质量随着经济水平的提高而提高,汽车成为一种比较普遍的出行工具,但是由于开车习惯、道路情况以及汽车自身照明等各方面的影响,交通事故发生的频率居高不下[1]。对这些交通事故分析发现,夜间发生交通事故的概率是白天的3倍,超过百分八十的事故都是发生在夜间[2]。而光线充足和光线不好的事故发生率也有差别,但是从根本来讲,道路照明条件是导致交通事故发生的重要原因之一[3]

传统的汽车车灯大致分为两种,指示灯和照明灯,其中前大灯、雾灯、车内照明灯和牌照灯都等属于照明灯,而转向灯、制动灯、示廓灯和仪表指示灯、倒车灯等都属于标识灯。随着经济水平的快速发展和提升,电子技术在汽车车灯方面的应用越来越多,汽车车灯的控制朝智能化方向发展,特别是汽车前大灯的智能控制发展得引入注目[4]。机动车在19世纪问世之后,车灯的发展从蜡烛灯到煤油灯,紧接着是白炽灯、卤钨前大灯和投射系统前大灯,还有目前正在广泛使用的氙气灯和发展前景广阔的LED大灯[5]。总的来说,汽车前大灯的发展是汽车行驶安全进程发展的一个体现,能够有效提升汽车系统的安全性。

传统的汽车车灯系统在使用时会因为道路、照明等因素,在某些方面不能满足驾驶人员的视野需求,严重时威胁驾驶人员和车内其他人员的生命安全。特别是在夜间行车时,光线不足导致路况不明,驾驶人员不能准确掌握前方道路信息[6],而车灯的使用可以辅助驾驶人员驾驶汽车,但是在发生会车以及道路的实际状况不明时,驾驶人员就会频繁切换远、近光灯,驾驶人员的开车强度加重,造成驾驶疲劳;还有些驾驶人员为了自己的视野方便,违规使用远光灯,造成对面车辆的视野盲区,导致交通事故的发生[7]。除这些之外,传统的汽车前大灯照明系统在设计上前大灯不能偏转,转弯时车灯的光照范围无法跟上驾驶人员的视野要求,有可能导致事故发生。针对这些问题,对传统的汽车前大灯系统进行创新和改善,是目前汽车车灯行业研究的重点问题之一。

另外,全球能源短缺问题制约各国发展的速度,致使世界各国对节能减排的更为重视。在这种背景下我国的汽车前大灯系统主要是低效率光源[8]。而LED灯具备体积小、寿命长、节能环保及能耗低的优势,与可持续发展理念不谋而合,将其用到汽车照明上能够对灯光质量和效率进行提升,促进汽车行业发展[9]

针对以上问题,本文旨在设计一种智能前大灯控制系统,设计目标如下:

  1. 光敏传感电路感知外界光强,发送信息到单片机,单片机对接受的信息进行判断处理后输出高、低电平控制汽车前大灯的开合,更好地辅助驾驶人员行车,降低他们的工作强度[10]
  2. 实现汽车自适应前大灯系统(AFS)功能,汽车前大灯随着汽车方向盘的转动朝着相应的方向转动,为驾驶人员提供更加合理的弯道照明。

前大灯主要的功能是为驾驶人员提供前方道路的照明,让驾驶人员准确掌握前方的道路状况,驾驶人员对前方的道路情况就越了解,行驶安全性就越高[11]。如果前大灯的照射范围和灯光亮度达不到要求,会严重影响驾驶人员的视野,甚至造成视野盲区,导致交通事故的发生。

本为主要是研究一种更加安全有效的汽车车灯智能控制系统,在传统的汽车车灯基础上改善因手动操作和前大灯位置固定等因素造成的不便,最大程度上帮助驾驶人员在行驶过程中的安全,防止因车灯照明和人为因素造成的交通事故发生,从系统上来提升整个汽车前大灯的智能化控制[12]

1.2汽车车灯智能控制系统国外研究现状

随着经济发展速度和科学技术水平的不断提高,新的电子技术不断应用于汽车的各个方面,而汽车车灯照明系统是整个汽车系统发展中的一个重要组成。早期,国外有些汽车企业就已经开始使用机械方式和分立元器件结合起来共同作用的方式制作汽车车灯的智能控制系统,随着技术的发展,目前多使用单片机实现这一功能[13]。智能车灯控制系统最早出现在80年代初,是由国外的学者和专家在实验室设计完成的,真正应用于汽车生产上是90年代初,由于成本原因,当时只应用于一些豪车中以增加汽车卖点,直到末期才逐渐普及到中级轿车[14]。在之后一段时间里,汽车前大灯相关的控制技术和实现功能又进行了新的创新和添加,到今天,智能车灯控制系统的发展已经初具规模。

国外在这方面的发展成就有以下几点:

(1)美国TI(德州仪器)公司设计生产的前照灯自动关闭延时电路。在这个电路中主要是通过汽车在停止过程中关闭开关时,利用设计晶体三极管对电容器进行充电的电路来达到汽车车灯延迟关闭的目的[15]

(2)美国凯迪拉克公司设计生产的前照灯自动变光器件电路。这个电路是根据光敏电阻的组织特性进行设计研究的,光敏电阻在不同光照条件下的阻值变化传输到单片机中,由控制系统进行判断和处理,切换控制远、近光灯的亮灭[16],帮助减轻驾驶人员的疲劳程度。

(3)梅赛德斯-奔驰公司研发的闪光灯制动技术。这项技术主要用于汽车紧急刹车时避免追尾。驾驶人员因为特殊情况紧急刹车时,尾灯会连续闪烁4次以提醒后面来车注意保持安全距离,起到指示提醒作用的同时不会影响他人。

1.3汽车车灯智能控制系统国内研究现状

我国的智能车灯控制系统发展相比于国外虽然还有一定的差距,但是也取得了值得肯定的成就。就车灯智能控制的自主研发方面,我国济南重型汽车公司自主研发的“重型卡车智能车灯控制系列产品”已经进行批量生产应用到实际车辆中[17]。国内的汽车车灯智能控制系统从上世纪90年代到现在,经历了从复杂到简单,从器件到集成芯片的过程,智能系统的体积越来越小,技术集成越来越高,主要的产品发展有以下几个:

(1)大连市的陈立杰发明了会车灯光亮度自动调节控制器,这种控制器能够在会车时自动将远光灯切换成近光灯,避免给对面来车造成视野盲区导致交通事故,在会车结束后还会自动恢复成远光灯照射。

(2)上海同济大学的专家们设计汽车车灯控制系统,这个系统涉及的灯光范围十分全面,针对每一个种类的灯光进行控制和故障检测,全面提升整个灯光系统的行车安全性[18]

(3)2005年,重庆的一家汽车企业自主发明的一种汽车车灯智能控制系统,这套系统可以帮助全车的外部灯光根据所处照明情况的不同自动进行灯光调节,真正实现实际车辆中的车灯智能自动控制[19]

1.4智能车灯控制系统研究内容与论文章节安排

针对汽车前大灯制作和使用有美国和欧洲两种标准,我国政府在充分考虑到基本国情的基础上,选择了欧洲委员会ECE法规标准中的一些条例。在ECE法规中规定前照灯在弯道行驶时可以提供一定的偏转,为驾驶人员在弯道提供更为广阔的照明视野,照明不良路段,需要在距离对面车辆150m时禁止使用远光灯,必须切换成近光灯直到会车结束等。这些条款为我国建立良好的汽车行驶秩序和前大灯智能研究和设计提供了基础和标准,也为未来汽车车灯的智能控制系统的批量生产和应用提供标准和法规。

根据以上的标准条例和我国的实际情况,本文设计的智能车灯控制系统实现的基本功能包括:

(1)当光敏电阻接收的外界光线强度较强时,前大灯处于关闭状态;当光敏电阻接收到的外界光线强度较弱(进入隧道、地下车库等),单片机接收信号后延时一段时间判断汽车是否将长期处于昏暗环境,当光敏电阻状态没有改变时,单片机就输出一个电平信号,驱动继电器工作打开前大灯,否则,前大灯一直处于关闭状态。

(2)汽车左转向时前大灯向左转。当车辆向左转弯时,前大灯能够根据接收信息向左移动。

(3)汽车右转向时前大灯向右转。当车辆向右转弯时,前大灯能够根据接收信息向右移动。

本设计是基于STC89C52这个比较常见的单片机芯片展开的,所有涉及到的器件材料成本都比较适中,性能可靠,能够系统地演示各个功能。论文的章节分布如下所示:

第1章中主要讲述了智能车灯控制系统的国内外研究现状和发展趋势,以及此次研究的目的、意义;

第2章中讲解了整体的系统设计方案和原理。列出了三种实现智能车灯控制系统的方案,对所选方案的的系统构成、要实现的基本功能进行分析,并阐述相关的工作原理;

第3章中论述了实现系统所有功能的硬件模块,其中包括单片机控制模块、光敏传感器模块、步进电机驱动模块以及继电器模块,对其中的工作原理器件选择进行论述;

第4章中阐述了系统的软件设计流程,系统总程序和模块程序框图都包括在内;

第5章中是系统中以关于步进电机的仿真和调试为例,对仿真中出现的问题和错误进行解决和改正,实现步进电机的正、反转过程仿真。

第6章是对整个系统的测试过程,分析系统实现功能参数是否满足目标功能需求。

第7章是对整个设计过程中的总结以及未来展望。

1.5本章小结

本章主要论述了汽车车灯智能控制系统的发展背景和国内外发展状况,对本课题研究的内容意义进行了阐述,明确课题研究实现的目标和条件,为后续的研究过程提供了设计平台。

第2章 智能车灯控制系统设计方案选择

智能车灯控制系统发展已经有一定的实践基础,国内外学者对此都采取了不同的研究方案,实现汽车前大灯控制自动化、智能化,降低驾驶难度。在本章中主要列出了三种智能车灯控制系统设计方案,对每种方案的优缺点进行分析,最终选取最合理、有效的设计方案。

2.1 智能车灯控制系统设计方案一

以目前使用范围广泛的氙气灯为主要研究对象,利用单片机及其外围电路研究进行智能车灯控制系统,这种控制系统设计在工作原理上与本系统类似,优点在于氙气灯的亮度高,可视距离和范围较好。缺点是氙气灯在开启时有一定的延时,穿透效果较弱,而且氙气大灯在节能减排、能量转换率和安全性等方面与LED灯有一定差距,此外,氙气灯的亮度太高,很容易使对面车辆驾驶人员炫目,存在一定的安全隐患。

2.2智能车灯控制系统设计方案二

利用数字电路原理来实现智能车灯控制系统,基本电路实现起来并不困难,硬件的设计和制作比较容易,但是这个系统基于的原理是机械传动,在使用的时候有可能出现机械方面的误差,而且电路灵活性较差,硬件电路维护比较困难。这种方案真正实施时对出现的问题解决困难,应用程度并不广泛。

2.3智能车灯控制系统设计方案三

使用单片机对汽车前大灯进行控制是目前智能车灯控制系统发展的主流,使用STC89C52作为主控芯片,设计实目标功能所需要的各个传感和驱动模块电路,经由单片机对输入输出信息进行判断和处理。这种方案实施起来比较容易且成本适中,本文中选择的就是这种方案。

2.4智能车灯控制系统设计方案确定

2.4.1系统的工作原理

所选的方案汽车车灯的智能控制系统主要由单片机主控模块、光敏传感模块、信号调理电路、驱动电路和执行电路等组成,系统的整体设计框图如下图2.1所示。

在这个系统中,光敏传感模块根据接收到的灯光亮度变化,利用光敏电阻的组织特性将光信号转变成电信号,再通过电压比较器将电信号转换成高低电平,输入单片机中进行处理,实现前大灯在照明不良时自动开启的功能。另外,通过对按键是否被按下来模拟方向盘左右转的方式实现前大灯的自动偏转,单片机检测到按键被按下时,就自动对步进电机驱动模块输出一个实现电机左右转的电平组,为驾驶人员在弯道行驶时提供良好的可视距离和范围。硬件和软件的具体设计过程在第3章和第4章中详细讲解。

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