一種智能的汽車前照燈系統

安徽師范大學物理與電子信息學院　朱　騫　李改有

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一種智能的汽車前照燈系統

安徽師范大學物理與電子信息學院朱騫李改有

LED（發光二級管，Light-Emitting Diodes）前照燈是新能源汽車中的重要元件，關系到汽車的行駛安全。本文針對傳統前照燈的照明盲點，研究了一種智能的LED汽車前照燈系統。STM32單片機接收環境光采集模塊傳送來的信號，將方向盤轉角、車速、雨水、車身傾斜角等信號，通過CAN總線傳回STM32單片機，單片機對接收到的信號進行處理，對當時的車外環境以及車本身的情況進行判斷，再由單片機把執行信號經CAN總線傳給各個執行單元，來達到對車燈的亮度和角度的改變。本文重點研究前照燈的硬件電路部分和軟件部分。

LED前照燈；CAN總線；STM32單片機；硬件電路；軟件

0　引言

隨著智能、節能汽車的發展，以及道路行駛安全性的經深入人心，對汽車前照燈的智能化要求也越來越高［1-2］。經過這么多年的的發展，汽車前照燈系統有了很大的進步。前照燈主要是由遠光燈和近光燈構成，對于近光燈的設計更為重要，近光燈的照射距離一般為30-40m，在車遇上路面不平或轉彎或橋梁或窄路或交叉路口等復雜情況時應減速慢行，這時候就應該開啟近光燈，普通近光燈對于道路情況和外界環境沒有采集信息和判斷，所以近光燈的照射范圍會出現盲區，容易導致一些意外的事件發生，也無法保證安全制動距離，降低了汽車的安全性能［3-6］。

1　系統整體設計

本文設計的汽車前照燈系統包括STM32單片機控制模塊、CAN總線通訊模塊、LED驅動模塊、外部環境光采集模塊和步進電機驅動電路五個模塊組成。

圖1 整體系統方框圖

圖1所示是整體系統方框圖，如圖所示，上位機通過控制MCU單片機采集傳感器的信息，經過CAN總線模塊將傳感器的信息傳遞到MCU，再由MCU進行分析，控制步進電機調節前照燈的角度，使之達到最優的照明效果。

2　硬件電路設計

硬件電路主要包括MCU單片機的基本工作電路、CAN總線模塊、步進電機驅動電路、LED驅動電路四個部分。

圖2所示是系統主要硬件原理圖，如圖所示，本系統MCU主控芯片采用的是STM32F103ZET6芯片［7］，具有16路PWM輸出，且含有多路AD檢測接口，精度和數量都能夠滿足對多個步進電機進行控制以及對多個傳感器的檢測。

驅動IC電路產生脈沖信號驅動步進電機，本文選用安森美公司AMIS-30522作為步進電機驅動IC，分別用來驅動水平調整電機以及俯仰角度調整電機。

LED驅動電路的驅動芯片選取凌特公司生產的LT3474。它是一種降壓型LED驅動器，適合驅動大電流LED，并且對PWM調光的響應非常快。本設計用一個LT3474驅動一組LED。

圖2　系統主要硬件原理圖

CAN總線模塊采用芯片TJA1050作為總線接口，這款芯片是Philips半導體公司的產品，是CAN控制器和物理總線之間的接口。它主要應用在車載高速通信上，速度可達1Mbit/s。在引腳和功能上，TJA1050是PCA82C250/251高速CAN收發器的后繼產品。并且它們的引腳相互兼容。TJA1050有非常好的電磁兼容（EMC）性能，且在不上電狀態下有理想的無源性能，提供低功耗管理、支持遠程喚醒。

3　傳感器拓撲結構及原理

圖3所示是傳感器的連接拓撲圖，如圖所示，傳感器主要包括紅外測距傳感器、環境光采集傳感器、左右輪速度傳感器、方向盤轉向傳感器、車身高度傳感器等。

紅外測距傳感器主要適用于測出車前端與障礙物的距離，利用這個數據來切換近光燈和遠光燈，達到自動切換功能，減少人為的操作的失誤。環境光采集傳感器主要是采集周圍環境的光照強度，把采集的數據傳到MCU進行分析，并控制LED驅動來改變燈光的強弱。左右輪速度傳感器、方向盤轉向傳感器、車身高度傳感器這三個傳感器主要是根據傳感器采集的數據來判斷車子在轉彎時的轉向和車身的位置，進而調節前照燈的方向。

部分傳感器通過CAN總線將數據傳到MCU，能夠快速的獲得數據信息并及時處理，提高了效率。

圖3　傳感器連接拓撲圖

4　步進電機的控制

圖4是電機驅動原理框圖，如圖所示，車燈是由步進電機驅動的。在垂直于車燈水平照射方向的平面上，是水平和垂直移動方式，能夠更好的滿足車燈所需的角度，并且燈光的利用率更高。

步進電機的工作原理：傳感器采集的汽車位置和轉向，通過MCU的分析，調節車燈的角度，若車燈的角度只有水平方向或垂直方向上能夠調節，則會限制車燈的轉動角度，有些地方就會出現盲區，采用水平和垂直方向驅動的結合，減小盲區，提高前照燈的有效照射范圍。

圖4　電機驅動原理框圖

5　軟件設計

圖5是前照燈系統執行流程框圖，如圖所示，具體的執行原理如下：汽車在行駛時，打開前照燈，采集汽車本身及其周圍環境信息，首先對汽車前方障礙物進行判斷，若前方40m以內有障礙物，則只需打開近光燈，若前方40m以內無障礙物，則打開遠光燈；下一步是對采集的環境光照度與設定的光照度等級進行對比，確定車燈所需的最低光照度，通過LED功率驅動來調節車燈的亮度；下一步是通過分析汽車的高度、速度和轉向來判斷路況和轉向信息，進行計算，得出步進電機的旋轉角度，準確地將車燈調到對應的角度，使車燈的角度適合當時的路況，減小行駛時的道路盲區，避免交通事故的發生。

圖5　前照燈系統執行流程框圖

6　結束語

本文提出了一種智能的汽車前照燈系統設計方案，能夠滿足不同道路環境下的照明要求，減少了汽車行駛中的道路盲區，經過多次的測試和實驗發現，對燈光的利用率有很大的提高。但是由于很多工作在實驗室中完成，沒有進行整體性的實驗，所以無法獲得一些比較準確和真實的數據，因此需要在真實環境下，將整個系統安裝在汽內進行測試，來進一步的完善該系統。

［1］卜偉理.自適應前照明系統（AFS）簡介及發展趨勢［J］.光源與照明，2009（2）:22-24.

［2］束華明，高明煜，王園園.基于單片機控制的汽車前照燈自適應系統［J］.電子測量與儀器學報，2008（S2）:318-320.

［3］吳仍茂，屠大維，黃志華等.一種LED汽車前照近光燈配光設計方案［J］.光子學報，2009，38（11）:2904-2908.

［4］黃仁忠.汽車自適應照明系統開發［D］.大連理工大學，2009:25-38.

［5］肖紅，王洪配.基于單片機控制的汽車自適應前照燈系統［J］.制造業自動化，2011，8（上）:125-129.

［6］衛修明，張曉玲.隨動轉向汽車前大燈定位控制研究［J］.安徽工程科技學院學報，2009，24（4）:23-27.

［7］意法半導體（中國）投資有限公司.STM32F系列ARM內核32位高性能微控制器參考手冊［S］.V10_1，2010.

朱騫，男，安徽阜陽人，碩士研究生，講師，主要從事LED光學設計與汽車前照燈研究。

The system of intelligent vehicle front lamps

ZHU Qian，LI Gaiyou
（Department of physics，Anhui Normal University，Wuhu 241000，Anhui，China）

LED（Light-Emitting Diodes）lighting is an important component in the new energy vehicles，which is related to the driving safety of the automobile.Aiming at the Lighting blindness of the traditional headlight，this paper studies the Intelligent LED automobile headlight system.STM32 MCU receiving environment light acquisition module is transmitted to the signal，the steering wheel angle and vehicle speed，rain，body tilt angle signal，through the CAN bus returned STM32 microcontroller，microcontroller on the received signal processing，to judge when the environment outside the car and the car itself，and then by the MCU to perform signal via the CAN bus transmission to each execution unit，to reach the lamp brightness and angle change.This paper focuses on the hardware circuit and software of the headlight.

LED headlight；CAN bus；STM32 microcontroller；hardware；software

2014年度安徽師范大學校創新基金項目。