基于單片機控制的汽車自適應前照燈系統

肖 紅，王洪佩，高 松，郎 華

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，淄博 255049）

0 引言

汽車前照燈是重要的汽車主動安全部件，尤其是在夜間行車時，能夠提供適當照明功能，特別是夜間轉彎時，如果不能及時看到對方來車，往往會發生嚴重交通事故。根據國外統計顯示，雖然夜間的車流量不到白天流量的五分之一，但夜間發生的交通事故，卻超過總發生事故的四分之一，而其中在彎道造成的交通事故，更是占了大部分[1]。

目前汽車前照燈大都具有固定的照射角度與范圍。當汽車夜間在彎道上行駛時，前照燈無法調節前照燈光軸方向，常常會在彎道內側出現“盲區”，駕駛員的視線被禁錮在大燈光束照射的直線范圍內,從而帶來交通安全隱患[2,3]。汽車自適應前照燈照明系統（AFS）通過對車速、方向盤轉角信號的采集，實時的調整兩側大燈的照射范圍，使得燈光與汽車的前進方向始終一致，確保了駕駛員在任何時刻都擁有最佳可見度，大大提高了夜間行車安全。在國外汽車AFS已經得到廣泛的應用，國內引進的AFS系統大多為生產商本國道路狀況考慮，且國內道路和國外道路差別很大，使得引進的汽車AFS系統在國內的普及應用存在很大的阻力。目前，國內對AFS的研究還停留在仿真和實驗階段，自主研發AFS系統應用于實車批量生產的還沒有出現[4]。

1 汽車自適應前照燈的組成及工作原理

汽車自適應前照燈系統包括傳感器模塊、MCU、步進電機、前照燈，如圖1所示。

圖1 汽車自適應前照燈系統結構圖

自適應前照燈的工作原理：當車輛進入彎道時，MCU通過采集車速和方向盤轉角變化，判斷是否對前照燈進行水平調光，并進一步計算出兩燈在左右方向上的調節角度，然后轉換成各步進電機運動狀態控制參數，控制相應步進電機動作，完成調光過程。

2 自適應前照燈系統控制模型研究

2.1 線性二自由度汽車模型

我們假定在正常速度范圍內，忽略懸架作用，忽略左右輪輪胎由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用，認為汽車只做平行于地面的平面運動，在這種情況下二自由度汽車模型精度足夠。模型如圖2所示。

圖2 二自由度汽車模型

圖2中汽車前、后軸中點的速度分別為u1和u2，側偏角為α1、α2，質心速度為V，u和v為V在 x軸和y軸上的分量。FY1、FY2分別為地面對前、后輪的側偏反作用力，δ為前輪轉角，a、b為質心距前、后輪的距離，為車輛繞軸的橫擺角速度，質心的側偏角為β，β=v/u。

二自由度汽車運動微分方程如下[5]：

式中k1、k2分別為前、后輪側偏剛度，m為汽車質量，Iz為車輛繞z軸的轉動慣量，ξ是u1與 x軸的夾角，汽車質心絕對加速度沿橫軸oy上的分量為

2.2 前照燈光軸水平方向調節模型

當汽車在彎道上行駛時，駕駛員的安全視野應該在AFS的調節下自動適應彎道，為了保證彎道行車安全，SAE法規規定非對稱光型分布的前照燈系統光束的明暗截止線可調整為大燈安裝高度的100倍，即L=100×H[6]，式中，H為汽車前照燈中心距地面高度。

圖3中R為汽車轉彎半徑，θ為車燈光軸轉角，線段AB為車燈的照射距離，其中AB=L。根據圖3中的幾何關系可得：

圖3 前照燈光軸水平調節模型

汽車由于向心力的作用而轉彎，而向心力是由路面和車輪的靜摩擦力提供的，單純的求靜摩擦力是非常困難的。在汽車行駛時，前后輪側偏角是很小的。在前后輪側偏角忽略不計的情況下通過求解向心加速度來求向心力就變得比較容易。由向心加速度公式不難得到瞬態轉彎半徑

由式(3)、(4)和(5)可知

由式(6)，根據前照燈光軸轉角與車速和方向盤轉角的關系，以及不同道路狀況下的駕駛員的經驗，擬合出三者之間的關系曲線，然后取點制成表格，單片機把采集到的信號進行簡單處理后，進行查表計算，得出不同車況下的前照燈光軸轉角。

3 系統硬件電路設計

汽車自適應前照燈系統采用STC12C5A60AD單片機為控制核心，外圍電路主要有車速信號采集電路、方向盤轉角信號采集電路、步進電機驅動電路、以及供電和斷電保護電路等部分組成。

3.1 STC12C5A60AD單片機

STC12C5A60AD 是STC12 系列單片機, 采用RISC型CPU 內核, 兼容普通8051 指令集, 片內含有60KB Flash 程序存儲器,1028B RAM 數據存儲器,具有EPROM功能，同時內部還有看門狗(WDT)；片內集成MAX810 專用復位電路、8 通道10位ADC以及2通道PWM；具有在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP) ,特別適合電機控制和干擾較強的場所，并且片內資源豐富、集成度高、使用方便。

單片機的外圍電路包括傳感器的信號輸入、步進電動機的脈沖輸出信號，電源、復位和振蕩電路。如圖4所示。單片機的XTAL1與XTAL2引腳上接石英晶體和微調電容構成振蕩器。C1,C2起穩定振蕩頻率、快速起振的作用。

圖4 單片機最小系統

3.2 車速信號調理電路

汽車自適應前照燈系統需要實時檢測車速值，車速值的檢測是通過霍爾車速傳感器。當車輪開始旋轉時，霍爾效應傳感器開始產生一連串脈沖信號，脈沖的個數將隨著車速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不變。為了改善波形，在輸入捕獲定時器管腳外添加調理電路,對脈沖信號進行調理，這里我們通過穩壓、施密特整形以及輸入輸出隔離的方法進行處理。如圖5所示。

圖5 車速信號調理電路

3.3 方向盤轉角信號調理電路

根據旋轉編碼器的工作原理,當方向盤轉角發生變化時光電編碼器便會發出A、B兩路相位差90°的數字脈沖信號。正轉時A超前B為90°,反轉時B超前A為90°。脈沖的個數與角度值成比例的關系，所以通過對脈沖的計數就可以得到方向盤轉角的大小。因此本系統對方向盤轉角的測量選用EPC-755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路，這種編碼器體積小，具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力強，并具有穩定可靠的輸出脈沖信號。考慮到汽車方向盤轉動是雙向的，既可順時針旋轉，也可逆時針旋轉，其最大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖為900個，需要對編碼器的輸出信號進行鑒相后才能計數。圖6給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數電路，鑒相電路用1個D觸發器和2個與非門組成，計數電路用3片74LS193組成[7]。

在系統上電初始化時，先對其進行復位(CLR信號)，再將其初值設為800H，即2048(LD信號)；如此，當方向盤順時針旋轉時，計數電路的輸出范圍為2048～2948，當方向盤逆時針旋轉時，計數電路的輸出范圍為2048～1148；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據處理電路。

圖6 編碼器鑒相與雙向計數電路

3.4 步進電機驅動電路

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為相應角位移或線位移的執行器，可以直接實現數字控制。它的機械角位移與輸入的數字脈沖信號有著嚴格的對應關系：即一個脈沖信號可以使步進電動機前進一步，是一種比較理想的執行元件。電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數。控制電機實際上就是控制輸入脈沖序列，使步進電機按照預定方向旋轉需要的轉角。

本系統使用的是兩相混合式步進電機，步距角為1.8°，工作頻率為200-1000Hz。它作為一種電脈沖到角位移的轉換元件，有價格低廉，易于控制，無積累誤差、輸出力小、響應速度快、可以調節、壽命長、噪聲低等優點。為了使步進電機能夠輸出足夠的功率，單片機產生的脈沖信號還需要進行功率放大。步進電機的驅動電路一般由兩部分組成，一部分是環形脈沖分配器，它決定步進電機各相繞組的通電順序。本設計采用的日本SANYO（三洋）公司生產的PMM8713環形脈沖分配器與ST公司生產的L6506與L298N步進電機驅動芯片。

圖7 步進電機驅動電路

3.5 電源及斷電保護電路

汽車蓄電池提供12v左右的電源,而該控制系統需要兩路電源：+5v和+12v電源。5v電源用于給STC12C5A60AD單片機、步進電機驅動芯片（L6506）和車速、方向盤轉角信號調理電路等供電，12v電源給步進電機驅動芯片(L298N)等供電。考慮到成本和易購性,我們選用LM78H05芯片作為電源轉換芯片。為了在掉電的時候可以及時地保存數據，在電源地輸入端加一個1000F的電解電容，當電源斷開的時候，大電容可以維持單片機電源足夠長的時間，使得單片機可以完成外部中斷的服務程序。

圖8 電源與斷電保護電路

4 軟件設計

系統程序設計時采用1ms定時中斷采集，每次中斷到來時采集傳感器信號。當所得傳感器信號滿足指定條件，則將有效數據保留，查表計算，得出目標位置，將目標位置與所設定條件進行對比，找到滿足條件的目標位置，將目標位置轉化為步進電機步數，發出步進脈沖信號，帶動步進電機轉動到相應位置。汽車彎道自適應前照燈系統能夠在±15°的角度之內擺動，以幫助駕駛員

更好的適應彎道狀況。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統軟件設計總流程圖

5 結論

本文研究了汽車彎道自適應照明系統的控制原理，建立了AFS系統的數學模型，并給出了系統的總體設計方案，整個系統由傳感器模塊、信號調理電路模塊、中央控制器模塊、步進電機驅動模塊、電源及斷電保護模塊這五個模塊組成。闡述了系統中各個硬件性能及軟件算法。經試驗測試表明，本系統達到了夜間農用車、貨車彎道自適應照明系統性能要求、對于改善彎道自適應照明效果、提高夜間行車安全性具有重要的參考價值。同時，在今后的開發和設計過程中自適應前照燈系統還可以從以下三個方面研究。

1）借助GPS，使得系統能夠提前預知道路狀況，并提醒駕駛員做好準備，將更有利于行車安全。

2）將AFS系統與LED相結合，將降低成本和減少功耗。LED具有高效、環保、節能等優點。

3）適應于不同環境的AFS系統也是未來汽車前照燈發展的主要趨勢，雖然已經有些國外汽車已經使用這種系統，但是該技術還是不成熟，有待于進一步的研究。

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[3] 房旭,姚勇,等.智能汽車前照燈系統(AFS)研究[J].天津汽車,2006(4):17-24

[4] 戎輝,龔進峰,曹健.自適應前照燈運動學建模及系統開發[J].汽車工程,2008(12):1079-1082

[5] 余志生.汽車理論[M],機械工業出版社,2008.

[6] BOSCH公司.魏春源,等,譯.汽車電氣與電子[M ].北京:北京理工大學出版社,2004.

[7] 趙峰.EPC_755A微型光電編碼器及其應用[J].國外電子元器件,2000(1):11-13.