一種汽車前照燈自動變光系統設計與仿真

孫悅超，廖 聰

（嶺南師范學院機電工程學院，廣東 湛江 524048）

有關證據表明，因駕駛人誤用遠光燈所造成的交通事故占到夜間交通事故的30%左右，即因駕駛員夜間會車時，未及時將遠光燈轉換為近光燈，而導致會車時駕駛員眩目，視線不清，發生交通事故。

《中國人民共和國道路交通安全法》規定，夜間在沒有路燈或照明不良的道路上，當距離對面來車約150m處，雙方車輛必須關閉遠光燈，改用近光燈，以防止因遠光燈導致駕駛人眩目造成交通事故。要從根本上來杜絕此類交通事故的發生，除了依靠駕駛員遵守交通規則，還可從汽車燈光智能控制入手，實現燈光自動切換，降低安全隱患。為此，采用光強檢測系統、AT89C51單片、調光輸出系統進行汽車智能燈光控制電路設計，并利用單片機豐富的I/O端口及其控制的靈活性，實現基本自動變光功能要求，從而設計一款能夠自動切換遠近光燈的智能燈光控制系統，以實現智能控制，避免因遠近光燈不能及時切換產生的安全隱患。

1 設計思路

選用包含電子技術、傳感器技術的AT89C51單片機作為核心控制部分，通過光強檢測系統檢測汽車前方環境的光線強弱。汽車行駛時，前方的燈光會照射在此光強檢測系統的接收裝置上，接收裝置將已經測到的光強信號轉換為可靠的數控直流電源去實現程控，經過A/D轉換器轉換成模擬電壓，進而將該電壓傳送給單片機，與內置參數比對之后，發送指令控制汽車的遠近光燈進行自動切換。

系統總體框圖如圖1所示，由控制開關電路、光檢測電路、時鐘電路以及復位電路向單片機輸入指令，同時單片機根據已輸入的程序語言做分析，向調光控制輸出電路發出指令，令其調控遠近光燈的切換。控制電路開關設置在汽車的遠光燈上，只要遠光燈開啟時自動控制系統就會開始工作。當汽車行駛時，對面有車輛駛來，光檢測模塊就會接收到其燈光或反射鏡的反射光，光檢測輸入電路捕獲信號后向單片機發送出有效的高電平，單片機就可以通過程控來啟動調光控制輸出電路動作，自動將遠光燈切換成近光燈。若對面無車輛，則繼續循環檢測輸入信號。

圖1 智能遠近光燈切換系統原理圖

2 硬件模塊設計

2.1 電源模塊

單片機電源設計采用USB接口轉換交流220V為5V直流為單片機供電，這樣可簡化許多復雜的電壓轉換裝置設計，既靈活又方便取材，一條數據線連接到交流電就可以為單片機提供電源。將電源電路的開關及單片機的輸入控制開關組成的聯動開關與遠光燈的開關并用設計，當駕駛員開啟遠光燈的時候，遠近光燈智能切換系統就通電開始工作。220V的交流信號經過USB接口整流之后轉換為5V脈動直流，電路中電容為470μF，我們利用其充放電特性，使整流后的脈沖直流電變為較為穩定的直流電。但是整流之后的信號仍具有高頻、脈沖干擾信號，而電解電容則帶有電感，不能有效濾波，所以可利用0.1pF的小電容濾去高頻、脈沖的干擾。電源電路圖如圖2所示，其中，電阻R、發光二極管串聯作為供電指示燈。

圖2 電源電路設計圖

2.2 光檢測輸入電路

通過分析各種光電探測器的基本結構、工作原理，并從人眼視覺曲線和常見車燈光譜范圍的角度綜合考慮，選定光敏二極管、放大電路和帶施密特觸發的反向器構成光檢測輸入電路，如圖3所示。通過光敏二極管捕捉來自對面車輛發出的燈光或者發射鏡的反射光，然后將光信號轉換為電信號，再經由放大電路放大和帶施密特觸發的反向器的調整之后，作狀態信號傳遞給單片機P1.1口。用開關K代替進行光敏二極管的仿真測試，當K閉合時，即為汽車會車時接收到光照使電路接通，單片機P1.1口輸入高電平，開始運作。

圖3 光檢測輸入電路圖

2.3 處理器模塊

設計選擇AT89C51單片機為處理器模塊，其主要由運算器、控制器、存儲器（ROM及RAM）和I/O接口組成。

2.3.1 AT89C51單片機時鐘電路

AT89C51單片機和其他微處理器一樣也是一種時序電路。本控制系統中把一個由晶體管振蕩器X和兩個電容器C、C構成的自激振蕩電路連接到單片機的XTAL1和XTAL2之間，再把振蕩器發出的脈沖直接接入內部時鐘電路。時鐘電路產生的振蕩脈沖通過觸發器進行二分頻就成為單片機的時鐘脈沖信號，如圖4所示。

圖4 時鐘電路圖

2.3.2 AT89C51單片機復位電路

如果要使整個控制系統能夠自動運行，AT89C51單片機就必須有一個復位電路，作用是讓單片機在出現程序錯誤或者操作錯誤讓系統處于鎖死狀態時，能夠恢復初始狀態的操作電路，而單片機自身是沒有辦法自動復位的，因此復位電路是不可缺的部分。

復位電路設計如圖5所示。通電時，電容C通過R充電RST端就會出現用以復位的正脈沖。當電源V的上升時間不超出1ms，就能夠實現自動復位。當振蕩穩定后為了確保復位高電平的持續時間大于兩個機器周期的時間，若使用的晶體是12MHz，那么C取10μF，R取8.2kΩ；當采用的晶體頻率為6MHz時，C取22μF，R取1kΩ。當系統出現死機或者需要重新復位的時候，可以直接按下RESET鍵，這時V通過電阻直接把RST端拉高，實現手動復位。

圖5 復位電路圖

2.4 調光輸出電路

調光輸出電路設計為由一個74SL00與非門、小型繼電器JWC-172-3和續流二極管1N4001組成。遠光燈的供電線路接到繼電器的常閉端，近光燈供電線接在常開端。當單片機的P1.1檢測到有效高電平時，通過P1.2口輸出的高電平控制信號經過與非門控制繼電器閉合控制，斷開遠光燈線路，連接近光燈，完成智能控制。經過一段時間延遲，重新恢復P1.2為低電平，繼電器斷開，再次接通遠光燈。由于繼電器的效果展示受到仿真軟件的限制，發光二極管為靜態元件，無法正常發光，所以使用紅色LED燈代替遠近光燈。為了更方便直觀地觀察仿真結果，此處將調光輸出電路進行簡化調整如圖6所示，D為近光燈，D為遠光燈。

圖6 調光輸出電路圖

3 軟件程序設計

軟件設計是控制系統的重要內容，其對系統的穩定性、可靠性、功能是否齊全以及設計是否人性化等起著關鍵作用。匯編語言具有簡易操作性、所占空間儲存小、運行速度快、程序效率高等優點，故選擇匯編語言進行軟件設計。系統主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統主程序流程圖

利用keil uVision4軟件編寫調試與仿真AT89C51單片機程序如圖8所示。

圖8 AT89C51單片機匯編程序

4 仿真控制與分析

4.1 電路仿真

電路仿真軟件采用Proteus軟件，它是由英國Labcenter electronics公司出版的EDA proteus工具軟件。

將USB接口、AT89C51單片機、開關、電容器等相關元件依次連接，繪制出整個智能燈光控制系統電路圖，如圖9所示。因仿真軟件的限制性，用開關K代替光敏二極管，開關關閉就代表汽車會車時，光敏二極管遇到強光照射，光檢測輸入模塊開始工作。接著將圖8編好的程序在keil軟件中調試后，將程序指令編輯輸入Proteus中的單片機進行整個控制的仿真，可以實現預期功能，詳見圖9。

圖9 智能切換遠近光燈控制系統仿真電路圖

4.2 控制分析

駕駛員打開遠光燈行駛時，利用USB插口將電源轉化為5V的低壓電源，此時整個智能控制系統電源接通，單片機上的開關與電源開關是聯動關系，因此，單片機上的開關控制電路也閉合，控制系統開始運行。

當汽車未會車時，單片機P1.1端接收低電平，此時單片機調光輸出電路并未接收到高電平，因此無輸出，遠光燈繼續工作，繼續通過光敏二極管檢測前方燈光，用以判斷是否會車。

當汽車會車時，光檢測輸入電路中光敏二極管觸發，單片機P1.1口此時輸入高電平，單片機內部程序運行計算后向P1.2輸出高電平，繼而調光輸出電路中的繼電器工作，斷開遠光燈，接通近光燈，一段時間的延遲后，P1.2恢復低電平，繼電器斷開，恢復接通遠光燈，汽車繼續以遠光燈在夜間行駛。

5 結語

交通安全日益受到人們的重視，且因誤用遠光燈導致的事故頻發，而智能燈光控制系統能智能地選擇開啟或者關閉遠光燈，可有效降低此類事故的發生率。為此，利用光敏二極管作為感光元件，選擇單片機AT89C51作為核心控制器件進行智能燈光切換系統設計并進行了控制仿真，從功能上實現了汽車夜間會車時遠近光的自動切換控制，可有效防止夜間會車時駕駛員忘記關閉遠光燈而造成對方駕駛員眩目，降低交通事故的發生率。