基于PIC18F4520單片機的自控聚光型LED霧燈的研究

作者/張愛榮、張澤禮，濱州職業學院

基于PIC18F4520單片機的自控聚光型LED霧燈的研究

作者/張愛榮、張澤禮，濱州職業學院

本文詳細闡述了汽車霧燈設計中如何克服可視距離短容易導致交通事故弊端，采用穿透力強色光，利用霧氣濃度和透光度檢測裝置，結合側邊檢測設計，給出基于PIC18F4520單片機的自控聚光型LED霧燈完整設計，并經實驗驗證。

單片機；自控聚光型；霧氣濃度檢測；透光度檢測

引言

濃霧天氣導致可視距離在200米以內，嚴重霧霾天氣可視距離小于20米。濃霧天氣導致的汽車追尾事故是因為后面車輛不能及時發現前面車輛，來不及制動造成的。后置霧燈采用黃光，現在霧天駕駛員一般采用開雙閃的方法，但是由于這些燈光是散射式而且發光強度低，因此效果較差。

當早晨太陽從東方升起或者日落西山的時候，常常看到一個比正常大許多倍的紅色的大太陽，原因是波長長的紅色光衍射能力強，被霧霾氣吸收較少。另一方面霧氣與空氣的折射率不同，形成類似凸透鏡的作用，使得我們看到了放大的紅色的太陽。這也就告訴我們，紅色光比黃色光有更強的穿透能力，過去使用黃色光做霧燈是出于與剎車燈區別，同時也因為過去的霧燈是白熾燈經過黃色過濾膜產生的黃光，這樣霧燈的光效很低，因此效果較差。

由此設計聚光型LED自控霧燈由主控計算機、溫度檢測、位置檢測、聚光型LED陣列、DCM、顯示單元等幾個部分組成。

圖1 聚光型LED自控霧燈的構成圖

1.聚光型LED陣列

汽車后置霧燈應該有較大水平散射角，但是豎直方向散射角可以小些，如果采用聚光型LED構成霧燈，豎直方向采用豎直排列的多只LED可以滿足要求，水平方向采用轉動掃描的方法，一方面增大了可視范圍，另一方面避免了后面車輛駕駛員的炫目感覺，并且有利于節約能耗。

LED的散射角有：5°、10°、30°、45°四種，常用散射角5°聚光型LED體積較大直徑10mm，額定功率500mW。為了獲得較高亮度和可視面積，將多只聚光型LED排成矩形陣列，采用串并聯結合的連接方法，以提高效率，減小驅動電流。

實測紅光高亮度聚光型LED在150mA電流時導通壓降2.25V左右，5只串聯后采用14V電壓供電比較合適。采用3×10矩陣，耗電功率6×150×2.25×5=10.125W。

2.聚光型LED陣列的控制

由于聚光型LED霧燈在正常天氣情況開啟會影響后面車輛的行車安全，不能僅依靠汽車自身霧燈開關控制，需要有自動開啟的裝置。另一方面，霧氣的可視距離不同，LED激光鐳射燈的亮度也要自動調節。

實現上述功能需要測控裝置，需要霧氣濃度的檢測，通過安裝在車尾的濕度傳感器，可以實現霧氣濃度的檢測，濕度傳感器輸出是模擬電信號，要求主控微處理器最好內部集成ADC模塊，如果采用51單片機則需要外掛擴展ADC集成電路，會導致電路復雜 ，增加成本。

開啟霧燈不僅僅是霧天，下暴雨或者重度霧霾環境，也需要開啟霧燈，這時僅僅依靠濕度檢測是不夠的。為此需要增加透光度檢測裝置，這需要發光單元與光敏單元的配合，光敏單元輸出的電信號也是模擬電信號，也需要進行AD轉換。

LED鐳射霧燈的亮度控制，由于LED鐳射霧燈是由上下排列的矩陣單元構成，連接是串并聯組合方式，其工作電流較大，采用PWM調節，只要調制頻率在200Hz以上，就不會產生閃爍的感覺，這樣使得驅動電路工作開關狀態，效率高發熱少，可靠性高。

由于需要PWM輸出來達到調節亮度的目的，因此主控單片機內集CCP模塊。

聚光型LED陣列的偏轉掃描采用由磁感應霍爾三極管和磁鋼構成無接觸位置檢測和無刷直流電機構成。這種全無觸點方式，有利于提高可靠性，延長其使用壽命。

3.單片機的選擇

要求內集ADC模塊和CCP模塊的單片機很多，例如AVRmage16單片機，MSP430單片機，STM8單片機，國產的STC15系列單片機等等，實際上8位單片機最可以滿足要求。考慮可靠性和經濟性的要求，選擇PIC18F4520單片機。其產品廣泛的應用到汽車上和其它嵌入式系統中，可靠性很高，國內價格適中，器件資源豐富。

PIC18F4520單片機含有豐富的內部資源，具有32Kf l shROM、1536BSRAM、256BEEPROM，4個定時器，2個CCP模塊（比較捕捉、PWM輸出），1個增強型CCP模塊，13通道10ADC模塊，DIP40封裝可以兼容取代過去常用的PIC16F877中檔8位單片機。PIC18F4520與過去常用的PIC16 F877增強了不少功能，如提供了時鐘速度，增加了內部兩種RC時鐘模式，運行中可以改變時鐘頻率（這樣有利于降低功耗），增加了定時/計數器的數量，提高了TIM0的性能，增加RA6、RA7兩個端口使得RA口成了完整的8位端口，節省了外部引腳做I/O使用。

圖2 PIC18F4520單片機引腳圖

4.濕度傳感器

采用AM1001傳感器 電阻式濕敏元件，測量范圍 30～90%RH，測量精度 ≤5%RH，輸出電壓 0.9～2.7V，濕度與輸出電壓具有良好的線性關系，電源 5V DC，使用溫度 0℃～60℃測溫元件 熱敏電阻。這樣傳感器直接使用單片機相同的5V電壓供電即可。為了提供可靠性，單片機取多次采集數的平均值。霧天濕度在80%以上，濃霧天濕度高達95%以上，因策濕度測量值能夠判斷有霧滴造成的可視距離的影響，但是如果輕霧濃霾造成影響可視距離，則不能正確反映。此外在高溫高濕的環境中，盡管空氣濕度較大也不會有霧滴出現，因此僅靠濕度檢測是不夠的。

圖3 AM1001濕度傳感器

5.可見度檢測

是否開啟后置式聚光LED霧燈，主要依據后面車輛的可見度檢測，同理本車駕駛員對前面可見度與后面駕駛員是基本相同的，因此可在車尾上安置光敏原件，直接測量其輸出電壓可以判斷是否開啟聚光型LED霧燈。

由于單從一側檢測可見度可能會受到陽光或者車燈的影響而導致誤動作，因此需要在車的兩側均加裝感光元件。當然可以采用帶帽沿的方法遮擋陽光，但是在早晨和傍晚也會受到陽光照射的影響。

NH203T照度傳感器探頭，具有使用壽命長、測量精度高、穩定性好等特點。

6.總體電路設計

■6.1 PWM輸出

TIM2的CCP模塊可實現PWM輸出功能，TIM2是8位定時器，沒有計數功能。RB3為CCP2A，RC1為CCP2B。

由TMR2、PR2和8位比較器構成PWM周期控制部分，其中PR2的值確定PWM脈沖周期。PWM周期:TPWM=(PR2+1)×4×TOSC×N。其中N是定時器TMR2的預分頻比。

由8位比較器和CCPR1寄存器構成寬度控制部分。

如果使用CCP2模塊，操作很簡單，與PIC16F877的CCP模塊相同。只需要設置CCP2控制寄存器CCP2CON，可以選擇唯一一種工作模式。

CCP2CON寄存器（CCP2控制寄存器）:

B7 B6 B55 B4 B3 B2 B1 B0 DC2B1 DC2B0 CCP2M3 CCP2M2 CCP2M1 CCP2M0

B5、B4兩位是PWM占空比的最低兩位，低4位是工作模式選擇位，低4位為11xx時工作在PWM模式下。數據寄存器由兩個8位寄存器組成，即CCPR2L、CCPR2H，所有寄存器均可以讀寫。

CCP2的引腳配置，正常使用RC1（CCP2MX=1），如果該位配置位清零，則CCP2與RB3復用。

在PWM模式下，CCP2引腳可輸出分辨率10位的PWM輸出，由于CCP2引腳與PORTC、PORTB復用，因此相應引腳要設置成輸出狀態。

PIC18F5420的CCP1模塊為增強功能的 PWM標準CCP模塊，這些增強功能包括提供2路或者4路PWM輸出，用戶可選的極性、死區控制以及自動關閉與重啟，這是PIC16F877所沒有的。

圖4 整體電路圖

CCP1CON寄存器：

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P1M1 P1M0 DC1B1 DC1B0 CCP1M3 CCPIM2 CCP1M1 CCP1M0

全橋模式下P1A與P1D極性相同，P1B與P1C極性相同。RC2腳為P1A；RD7為P1D；RD6為P1C；RD5為P1B。

選擇全橋輸出模式，可實現反向2路或者4路輸出，驅動聚光型LED交替輸出。

驅動聚光型LED陣列采用功率開關集成電路TWM8778，其最大輸出電流可達1A，最大輸入電壓30V，驅動電壓大于1.6V即可，5V時驅動電流120μA，適合單片機驅動及汽車14V供電。

■6.2 ADC檢測

PIC18F4520單片機內集了10位8通道ADC模塊，使用了RA口、RE口的第二功能。如果將最低兩位填寫CCP模塊的控制寄存器的相應位置，正好配合了10位的PWM輸出。由于需要檢測模擬信號只有三路，因此可以選擇RA0、RA1、RA3口即能夠滿足（2、3、5腳），直接使用5V電源做ADC轉換參考電壓，其它RA口和RE口做數字量端口移作他用。

PIC18F4520與PIC16F877的ADC模塊基本相同，通過設計ADCON0選擇通道和ADC時鐘，由于不需要快速反應，可以選擇ADC時鐘為主時鐘的64分頻。

ADCON1用于設置ADC轉換結果的存儲方式和端口分配，選擇左對齊。

■6.3 步進電機驅動

由ULN2003驅動12V步進電機，帶動聚光型LED霧燈水平方向掃描運動。

■6.4 顯示單元

由PIC18F4520單片機直接驅動8位LED數碼管顯示，顯示內容可分為兩部分，每一部分占4位寬度。用于顯示發光強度、LED霧燈驅動電流及可見度等。

電路如圖4所示。

LED聚光型霧燈的驅動電流，可以通過占空比大小計算出來，無需模擬量檢測。

7.測試結果

在聚光型LED霧燈不偏轉的情況下靜止狀態，占空比接近1的情況下（20只LED，驅動電流每只150mA），在濃霧（可見度不足50米）的情況下，能夠在800米以外觀察到該燈所發出的紅色光束，說明具有較好的效果。

在汽車靜止不動，但是聚光型LED霧燈以擺角45°，擺動頻率1Hz的情況在600米處亦然能夠看到該燈所發出的紅色光束。如果降低擺動頻率，可以在更遠的地方觀察到紅色光束，但是速度慢則發現的時間推遲，也會影響效果。

如果進一步提高效果，可將聚光型LED霧燈，改為激光二極管構成陣列，這樣距離還能夠提高。

＊ [1]PIC18F 2420/2520/4420/4520PDF中文資料

＊ [2]陳玉斌.PIC18F452單片機原理與實踐[M].北京.人民郵電出版社，2016

＊ [3]張珣張鈺.PIC18F系列單片機原理及C語言開發[M].北京.清華大學出版社，2012

＊ [4]沈潔.自測檢測與轉換技術[M].天津.天津大學出版社，2011

＊ [5]袁光明.新穎電子器件手冊[M].成都.西南交通大學出版社，1993