汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 琪，秦曉軍

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.西安公交客車(chē)總廠(chǎng)，西安710085）

汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 琪1，秦曉軍2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.西安公交客車(chē)總廠(chǎng)，西安710085）

作為汽車(chē)主動(dòng)式安全裝置之一，汽車(chē)照明系統(tǒng)對(duì)行車(chē)安全有重要意義。在分析了現(xiàn)有汽車(chē)照明系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，采用新型固態(tài)光源LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源用于汽車(chē)照明,根據(jù)汽車(chē)各個(gè)車(chē)燈的功能和特點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)，包括控制電路和LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。以單片機(jī)XC164為控制核心，完成參數(shù)實(shí)時(shí)采樣分析，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制LED的狀態(tài)。LED驅(qū)動(dòng)電路部分選用電流模式LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834芯片，針對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)的工作要求，通過(guò)搭建開(kāi)關(guān)電源的升壓、降壓電路，設(shè)計(jì)出一種寬功率范圍的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)的檢測(cè)和控制，具有良好的應(yīng)用前景。

照明系統(tǒng)；固態(tài)光源；驅(qū)動(dòng)；恒流；寬功率；檢測(cè)

1 引言

作為汽車(chē)主動(dòng)式安全裝置之一，汽車(chē)照明系統(tǒng)不但讓駕駛者能實(shí)時(shí)了解汽車(chē)狀況，更是安全駕駛過(guò)程中必備的條件，對(duì)行車(chē)安全有重要意義[1]。LED燈具依靠其功耗低、壽命長(zhǎng)、亮度高以及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)日光燈、白熾燈等能耗高、壽命短、污染環(huán)境的缺點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的技術(shù)之一[2]。用LED光源取代傳統(tǒng)汽車(chē)燈具光源，有利于節(jié)約能源和減少重金屬污染，尤其適合未來(lái)汽車(chē)注重節(jié)能的設(shè)計(jì)理念[3]。輸出穩(wěn)定的恒流LED驅(qū)動(dòng)是整個(gè)汽車(chē)LED照明系統(tǒng)性能的前提，對(duì)汽車(chē)駕駛安全起著十分重要的作用。因此合理設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動(dòng)電路[4]，是LED燈能夠在汽車(chē)照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)是在分析現(xiàn)有汽車(chē)照明系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的恒流限壓系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)可對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，使LED獲得穩(wěn)定輸出。同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下以最佳方式控制LED電流大小，實(shí)現(xiàn)良好的照明[6]。

2 汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 汽車(chē)照明系統(tǒng)分析

根據(jù)汽車(chē)燈的功能、安裝位置及控制方式不同，汽車(chē)燈控制系統(tǒng)可分為前照燈照明系統(tǒng)、車(chē)內(nèi)照明系統(tǒng)和信號(hào)燈照明系統(tǒng)[7-8]。

（1）前照燈照明系統(tǒng)

汽車(chē)前照燈主要用于夜間行車(chē)時(shí)道路的照明，一般安裝在汽車(chē)頭部?jī)蓚?cè)，分為遠(yuǎn)光燈和近光燈，遠(yuǎn)光燈功率一般為45-60W，照射距離較遠(yuǎn)；近光燈功率一般為25-55W，照射距離較近。

（2）車(chē)內(nèi)照明系統(tǒng)

汽車(chē)車(chē)內(nèi)照明系統(tǒng)可以減輕駕駛員的疲勞，提高舒適程度，幫助駕駛員得到大量可讀和清晰的信息。其中，儀表功率一般為2-8W；車(chē)頂燈一般安裝在駕駛室或車(chē)內(nèi)頂部，功率一般為5-8W；閱讀燈功率一般為5-8W；踏步燈用于照明車(chē)門(mén)踏步處，功率一般為5-8W。

（3）信號(hào)燈照明系統(tǒng)

信號(hào)燈主要作用是及時(shí)提示其他車(chē)輛或者行人該車(chē)的行駛動(dòng)態(tài)，提高行車(chē)安全。其中，轉(zhuǎn)向燈分為前轉(zhuǎn)向燈、后轉(zhuǎn)向燈和側(cè)轉(zhuǎn)向燈，分別安裝在車(chē)輛前部、后部和側(cè)部。一般側(cè)轉(zhuǎn)向燈的功率是5W，前轉(zhuǎn)向燈和后轉(zhuǎn)向燈的功率為21-27W。霧燈裝在前照燈附近或比前照燈稍微低的位置，為迎面來(lái)車(chē)提供車(chē)輛行駛信號(hào)。燈的功率一般為35W。示寬燈功率一般為5W左右。剎車(chē)燈通常分為尾部剎車(chē)燈和高位剎車(chē)燈，具備剎車(chē)警示功能，功率一般為21W。倒車(chē)燈裝于汽車(chē)尾部，用于照亮車(chē)后道路和告知后方車(chē)輛行人汽車(chē)的行駛動(dòng)向，功率一般為28W。停車(chē)燈在汽車(chē)臨時(shí)停車(chē)或熄火時(shí)，提示其他車(chē)輛或行人車(chē)輛的行駛動(dòng)向，功率一般為5W。

2.2 汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車(chē)各個(gè)車(chē)燈的功能和特點(diǎn)，以XC164單片機(jī)為控制核心，實(shí)時(shí)采集溫度、亮度、電壓信號(hào)，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制近光燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈和剎車(chē)燈的狀態(tài)，使其保持恒流輸出，設(shè)計(jì)汽車(chē)燈控制系統(tǒng)原理框圖1所示。

圖1 汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)原理框圖

3 汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車(chē)LED燈光控制系統(tǒng)是針對(duì)LED的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的恒流限壓控制電路，利用集成電路技術(shù)將LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。同時(shí)，單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓、環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)LED工作。硬件電路分為L(zhǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)控制電路兩部分。

3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路部分以MAX16834芯片為核心，MAX16834是電流模式大功率高亮度LED驅(qū)動(dòng)器，可組成升壓、降壓、升-降壓拓?fù)洹＿h(yuǎn)光燈是基于Max16834的BOOST電路，其余燈組均為基于Max16834的BUCK電路。

3.1.1 基于Max16834的升壓電路設(shè)計(jì)

Max16834的升壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 基于Max16834的BOOST電路原理圖

輸出指標(biāo)為輸出電壓36V，輸出電流700mA，對(duì)應(yīng)于前照大燈。

3.1.2 基于Max16834的降壓電路設(shè)計(jì)

Max16834的降壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 基于Max16834的BUCK電路原理圖

3.2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測(cè)電路主要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采樣大功率LED燈的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，并且將電壓、亮度和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，供現(xiàn)場(chǎng)直觀(guān)讀取，以便隨時(shí)做出調(diào)整。電路由單片機(jī)主電路、檢測(cè)電路（包括電壓檢測(cè)，亮度檢測(cè)，溫度檢測(cè)）、PWM驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、系統(tǒng)供電電路五部分組成。其中單片機(jī)主電路以XC164為核心，輔以時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和看門(mén)狗電路，如圖4所示。

圖4 單片機(jī)電路

外界環(huán)境亮度檢測(cè)由3組位于汽車(chē)不同位置（前身，側(cè)身，頂部）的亮度傳感器完成。亮度傳感器為置于感光位置的光敏電阻GM5528，它通過(guò)分壓電路輸出隨環(huán)境亮度變化而變化的電壓，如圖5所示。溫度監(jiān)控電路使用熱敏電阻MF58構(gòu)成分壓電路，將溫度值變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，如圖6所示。狀態(tài)監(jiān)控電路通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別采樣各路LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，并以此判斷LED燈的工作狀態(tài)，如圖7所示。

圖5 環(huán)境亮度采集電路

圖6 溫度采集電路

圖7 電壓采集電路

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)不僅要能完成基本的車(chē)燈開(kāi)關(guān)控制，還要能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，車(chē)燈亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和人工亮度調(diào)節(jié)。因此軟件功能包括以下幾個(gè)方面:

（1）車(chē)燈開(kāi)關(guān)控制

功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，完成燈光開(kāi)關(guān)控制。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)

軟件功能可描述為，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED工作環(huán)境溫度，對(duì)采樣的溫度結(jié)果比較判斷，超過(guò)80度時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)過(guò)溫提示信息，并根據(jù)采樣的A/D值動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM輸出脈沖的占空比。

（3）亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)

具體功能表現(xiàn)，環(huán)境亮度變化時(shí)的自適應(yīng)亮度調(diào)整，設(shè)計(jì)模式將環(huán)境亮度按亮度遞減分為三個(gè)等級(jí)，明亮（晴天戶(hù)外等），昏暗（戶(hù)外陰雨，戶(hù)外傍晚，隧道，停車(chē)場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)所），漆黑（戶(hù)外深夜或其他類(lèi)似場(chǎng)合）。在三種模式下，自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車(chē)燈的亮度到4級(jí)，6級(jí)，8級(jí)亮度。環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增強(qiáng)信號(hào)燈的亮度，在環(huán)境亮度減弱時(shí)，自動(dòng)提高照明燈的亮度，提高駕駛安全性的同時(shí)達(dá)到總體節(jié)能的目的。系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著LED的光效提高，成本降低，LED正在逐步取代傳統(tǒng)照明光源，成為汽車(chē)照明領(lǐng)域的重要光源之一。驅(qū)動(dòng)電路部分選用電流模式大功率高亮度LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834芯片，針對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)的工作要求，通過(guò)搭建開(kāi)關(guān)電源的升壓、降壓電路，設(shè)計(jì)出一種寬功率范圍的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路?？刂撇糠忠詥纹瑱C(jī)XC164為核心，完成參數(shù)實(shí)時(shí)采樣分析，并將熱控回路和光控回路的反饋以PWM的形式輸出，控制LED的狀態(tài)。實(shí)踐表明，該測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)的檢測(cè)和控制，具有較好的研究與應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of Automotive LED Light Control System

Wang Qi1，Qin Xiaojun2
（1.School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China；2.Xi’an Bus General Factory,Xi’an 710085,China）

As one of the automobile active safety devices，the light control system is of great significance to traffic safety.In the analysis of the existing automobile light system，a new solid state light source LED is used to replace the traditional one.According to the function and characteristic of each vehicle，the automotive LED light control system，with single chip XC164 as the core，including the control circuit and the drive circuit，is studied and designed.The parameter sampling and analyzing is completed，and the feedback of the thermal control circuit and light control circuit is output in the form of PWM to control the state of LED.MAX16834，a current LED driver chip，is used for LED drive circuit.According to the working requirements of automotive light system，a LED constant current drive circuit with wide power range is designed by seting up boost and buck circuits.The practice shows that the design can realize the detection and control of automotive light system，which has good application prospects.

Illumination system；Solid-state light；Drive；Constant current；Wide power；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.014

TP216

B

1002-2279-（2017）03-0066-05

西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201608）

王琪（1979-），女，山東省淄博市人，副教授，主研方向：嵌入式、電力電子技術(shù)研究。

秦曉軍（1975-），男，河南省林縣人，助理工程師，主研方向：機(jī)械電子、應(yīng)用電子技術(shù)研究。

2016-10-14