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(yè)學(xué)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(yè)學(xué)院

本文詳細闡述了汽車霧燈設(shè)計中如何克服可視距離短容易導(dǎo)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(jié)合側(cè)邊檢測設(shè)計，給出基于PIC18F4520單片機的自控聚光型LED霧燈完整設(shè)計，并經(jīng)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(dǎo)致可視距離在200米以內(nèi)，嚴重霧霾天氣可視距離小于20米。濃霧天氣導(dǎo)致的汽車追尾事故是因為后面車輛不能及時發(fā)現(xiàn)前面車輛，來不及制動造成的。后置霧燈采用黃光，現(xiàn)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(fā)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?？吹揭粋€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(qū)別，同時也因為過去的霧燈是白熾燈經(jīng)過黃色過濾膜產(chǎn)生的黃光，這樣霧燈的光效很低，因此效果較差。

由此設(shè)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(gòu)成圖

1.聚光型LED陣列

汽車后置霧燈應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)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(lián)結(jié)合的連接方法，以提高效率，減小驅(qū)動電流。

實測紅光高亮度聚光型LED在150mA電流時導(dǎo)通壓降2.25V左右，5只串聯(lián)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(guān)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(diào)節(jié)。

實現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(dǎo)致電路復(fù)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(huán)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(fā)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(zhuǎn)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(gòu)成，連接是串并聯(lián)組合方式，其工作電流較大，采用PWM調(diào)節(jié)，只要調(diào)制頻率在200Hz以上，就不會產(chǎn)生閃爍的感覺，這樣使得驅(qū)動電路工作開關(guān)狀態(tài)，效率高發(fā)熱少，可靠性高。

由于需要PWM輸出來達到調(diào)節(jié)亮度的目的，因此主控單片機內(nèi)集CCP模塊。

聚光型LED陣列的偏轉(zhuǎn)掃描采用由磁感應(yīng)霍爾三極管和磁鋼構(gòu)成無接觸位置檢測和無刷直流電機構(gòu)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(nèi)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(chǎn)的STC15系列單片機等等，實際上8位單片機最可以滿足要求?？紤]可靠性和經(jīng)濟性的要求，選擇PIC18F4520單片機。其產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用到汽車上和其它嵌入式系統(tǒng)中，可靠性很高，國內(nèi)價格適中，器件資源豐富。

PIC18F4520單片機含有豐富的內(nèi)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(nèi)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(shù)器的數(shù)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(jié)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(guān)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(shù)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(huán)境中，盡管空氣濕度較大也不會有霧滴出現(xiàn)，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(jù)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(cè)檢測可見度可能會受到陽光或者車燈的影響而導(dǎo)致誤動作，因此需要在車的兩側(cè)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(wěn)定性好等特點。

6.總體電路設(shè)計

■6.1 PWM輸出

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

由TMR2、PR2和8位比較器構(gòu)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(yù)分頻比。

由8位比較器和CCPR1寄存器構(gòu)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(shè)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(shù)據(jù)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(fù)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(fù)用，因此相應(yīng)引腳要設(shè)置成輸出狀態(tài)。

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(qū)控制以及自動關(guān)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(xiàn)反向2路或者4路輸出，驅(qū)動聚光型LED交替輸出。

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

■6.2 ADC檢測

PIC18F4520單片機內(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)換參考電壓，其它RA口和RE口做數(shù)字量端口移作他用。

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

ADCON1用于設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲方式和端口分配，選擇左對齊。

■6.3 步進電機驅(qū)動

由ULN2003驅(qū)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(qū)動8位LED數(shù)碼管顯示，顯示內(nèi)容可分為兩部分，每一部分占4位寬度。用于顯示發(fā)光強度、LED霧燈驅(qū)動電流及可見度等。

電路如圖4所示。

LED聚光型霧燈的驅(qū)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(jié)果

在聚光型LED霧燈不偏轉(zhuǎn)的情況下靜止狀態(tài)，占空比接近1的情況下（20只LED，驅(qū)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(gòu)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(fā)[M].北京.清華大學(xué)出版社，2012

＊ [4]沈潔.自測檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].天津.天津大學(xué)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(xué)出版社，1993