燈光自動調節(jié)裝置的研究與設計

單健萍，徐井華，王澤軍

（通化師范學院 物理學院，吉林通化，134002）

0 前言

隨著科技進步及經濟的發(fā)展，汽車已經成為日常生活必不可少的交通工具。據統(tǒng)計，夜間或黎明的交通只占夜間或黎明的交通雖然只占全天的四分之一，但僅這一段時間的交通事故發(fā)生概率卻很高，使夜間交通事故頻頻發(fā)生的一個重要原因是車輛燈光炫目，使駕駛員看不清周圍事物，在晚上及時變光可以有效避免交通事故。我們對此狀況進行了研究，提出了一種結構簡單，采用STC89C52單片機為核心控制單元，易實現的汽車前照燈光亮度自動調節(jié)系統(tǒng)。

1 國內外研究現狀及趨勢

1.1 國內研究情況

現今，國內已經有關于汽車前照燈自動調節(jié)的產品，但缺乏自主研究的成熟產品，不能滿足國內的市場需求，需依靠由國外引進的技術產品來實現前照燈智能控制。由于國內外路況存在差異，在產品使用上產生了許多障礙。我國對于汽車前照燈自動調節(jié)系統(tǒng)的研究越來越重視，為突破障礙，以完善此類技術，一些公司均在研發(fā)設計。對于此類技術，動態(tài)位置控制功能非常關鍵。

1.2 國外研究情況

如今國外，VARILIS技術已經誕生，一種多功能可變智能燈光系統(tǒng)。在環(huán)境光線錯綜復雜的情況下，該系統(tǒng)能夠使汽車在行駛時，燈光變換自如。雖技術已經成熟，但價格較貴。

1.3 發(fā)展趨勢

伴隨著科技的進步的經濟的發(fā)展，人們愈發(fā)追求汽車的安全性。而燈光自動調節(jié)系統(tǒng)會更加安全。同時，近幾年來，不管是在國內還是在國外，前照燈自動調節(jié)系統(tǒng)始終是汽車安全系統(tǒng)中重要部分，也是照明系統(tǒng)研究中的熱點[1～2]。

2 裝置設計原理及電路結構分析

2.1 裝置原理結構

根據本次設計的要求，設計出一款基于51單片機的自動切換遠近光燈的設計。中央處理器采用了STC89C52RC單片機，另外使用兩個燈珠代表遠近光燈，感光部分采用了光敏電阻，因為光敏電阻輸出的是電壓模擬信號，單片機不能直接處理模擬信號，所以經過ADC0832進行轉化成數字信號，還有顯示部分采用了LCD1602液晶，還增加按鍵部分電路，可以選擇手自動切換遠近光燈，最后還用了超聲模塊進行檢測距離。整體結構圖如圖1所示。

圖1 裝置原理結構圖

2.2 主程序

整體的程序部分分為按鍵部分、超聲檢測部分、液晶顯示部分，以及遠近燈光驅動部分。通過開始程序 經過按鍵處理模塊，控制電路包括設置、增加、減小、手動/自動、遠光、近光按鈕的操作，然后進入光強檢測，光敏電阻將所檢測的物理光信號反饋單片機，一方面將指令信號傳給遠近燈光，一方面將數字信號傳輸給液晶顯示模塊，之后進入超聲檢測，利用超聲波單片機就輸出到了某一個觸發(fā)的超聲波信號，把經過這兩個觸發(fā)的超聲信號就輸入到某一個超聲波測距模塊，分析數據之后，一方面將指令信號傳輸給遠近燈光，一方面將數字信號傳遞給液晶顯示模塊。之后是數據處理包括STC89C52RC單片機、ADC0832芯片處理，而后是LED燈珠模擬遠近燈光，最后通過LCD1602液晶模塊，液晶顯示將距離傳感器和光強傳感器反饋給單片機的距離和光強轉換成的數字信號顯示在液晶屏幕上，進行觀察。

圖2 主程序流程圖

2.3 液晶顯示流程

液晶顯示采用了LCD1602液晶，這是一種常用的液晶，驅動起來方便，使用簡單，顯示數據的整體流程無非是，首先液晶初始化，然后送入要在哪一個地址顯示的地址數據，再送入要顯示的數據即可，但是要注意的是，1602液晶是字符屏，送入的顯示的數據必須是字符。顯示流程圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示流程圖

2.4 遠近燈光模塊

此次設計硬件電路板塊，核心控制器采用了STC89C52RC單片機，另外采用了四個LED燈作為模擬汽車的遠近燈光，檢光模塊采用了光強傳感器。由于單片機可以處理數字信號，卻不能直接處理物理模擬信號，所以通過ADC0832芯片將光強傳感器輸出的物理模擬信號轉變成數字信號，經過單片機的處理后，實時數據的輸出會在LCD1602液晶中顯示，進而可以轉變成數字信號[3]。另外還增加了按鍵功能電路，可以選擇手動調節(jié)遠近燈光。最后還采用了距離傳感器模塊進行檢測距離，將實時數據傳輸回單片機進而反饋到液晶顯示屏，硬件框圖結構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)傳輸模擬結構圖

2.5 小車模塊

設計本次硬件電路模塊，核心部件采用了Arduino控制部件，采用L298N電機驅動板作為小車電機的驅動，另外采用了Sensor Shield V5.0傳感器擴展板作為距離傳感器等的中介連接器，小車前橋和距離傳感器轉向都采用了舵機作為旋轉結構的驅動電機。硬件框圖結構如圖5所示。

圖5 小車驅動結構圖

2.6 硬件設計

2.6.1 按鍵功能電路

按鍵功能電路包括復位電路和控制電路。

復位電路有兩種方式：手動復位以及通電后自動復位兩種方式。大部分的通電自動復位電路是通過外部復位電路的電容充放電來完成的。只要Vcc高電平的上升時間≤1ms，就可以實現自動通電復位。除了這種復位方式外，偶爾也需要按鍵手動復位，按鍵手動復位是本文中設計所用的，按鍵手動復位分為電平方式和脈沖方式。其中電平復位就是通過RST(9)引腳端與電源Vcc高電平接通來實現的。按鍵手動復位電路見圖6。時鐘頻率用12MHz時C取10μF，R取10kΩ。

圖6 復位按鈕原理圖

控制電路：控制電路包括設置、增加、減小、手動/自動、遠光、近光按鈕，如圖7所示。

圖7 按鍵按鈕原理圖

設置按鈕，可以設置距離和光照強度，并設置遠光燈近光燈開啟的條件閾值；增加和減少按鈕用來調節(jié)光強和距離；手動和自動按鈕切換自動和手動模式；遠近光燈分別用來開啟遠近光燈。

2.6.2 距離傳感器

距離傳感器主要是用一種利用吸收了超聲波產生振動特性的各種新功能特性原理所設計研究與制造發(fā)展而成的一類新技術傳感器。

利用單片機輸出產生了的一個超聲波定時觸發(fā)的脈沖信號，把此超聲波觸發(fā)定時脈沖信號直接地輸入給單片機輸入到的一個超聲波測距模塊，再用一臺由超聲波測距模塊所構成的一個超聲波發(fā)射器可以直接地向某一方向上連續(xù)地發(fā)射出一次超聲波，在一次連續(xù)的發(fā)射一次超聲波脈沖的這個過程中同時一個單片機接收器就開始通過另外一個單片機軟件接收器來開始進行一次計時，超聲波會在目標附近的空氣介質層中聲波反復往返傳播，遇到地面有明顯障礙物時反射返回，接收器首先將會接收到另一個反射波后再自動產生射出，另外一個反射脈沖信號然后將反饋脈沖返回發(fā)送給單片機，此時聲波計時也會相應停止，超聲波脈沖在地面空氣系統(tǒng)介質中的最大頻率平均傳播的振動速度一般為每分鐘約是340m/s，根據聲波計時器所記錄下來聲波的實際發(fā)射的時間為時間t，就已經可以由初步的計算可以求出聲波發(fā)射點距地面障礙物間的最大直線距離約為s，即：s=340t/2。即可通過快速聲波檢測技術估算測量出地面障礙物間點距離空氣系統(tǒng)裝置點間的最大距離，從而將物理信號反饋給單片機，單片機分析數據之后，一方面將指令信號傳輸給遠近燈光，一方面將數字信號傳遞給液晶顯示模塊。

圖8 距離傳感器原理圖

2.6.3 液晶顯示模塊

本裝置采用的是LCD1602液晶模塊，液晶顯示模塊具有以下優(yōu)點：顯示質量高、 體積小、重量輕、低功耗。

液晶顯示將距離傳感器和光強傳感器反饋給單片機的距離和光強轉換成的數字信號顯示在液晶屏幕上，使得操作者可以直接觀測到實時數據，進而掌握小車的動向。

2.6.4 光強傳感器

光強傳感器是由光敏電阻組成，某些特殊物質在吸收到了光子產生的能量后，產生的本征能吸收光或將雜質所吸收，從而這些光電量改變或降低了固體物質電導率等的一些物理現象也被人稱為是半導體物質結構上特殊的低光電導效應。利用了一種具有產生高的光電導效應能力的高導電晶體材料就一定可以經過加工處理制成另一種高電導量密度（或電阻）只會隨其入射光的光度量變化而相應變化大小的光電器件，稱為半導體高光電導器件或又稱光敏電阻器。

光敏電阻將所檢測的物理光信號反饋單片機，單片進行分析之后，一方面將指令信號傳給遠近燈光，一方面將數字信號傳輸給液晶顯示模塊，于是就完成了光強信號的檢測與分析。

2.6.5 單片機

STC89C52RC單片機是一種采用極低功耗、高性能設計的嵌入式的8位微控制器，具有可在嵌入式系統(tǒng)存儲器內實現可編程運算的高性能Flash程序存儲器。

表1

2.6.6 ADC0832芯片

圖9 液晶顯示原理圖

ADC0832為新一代高性能的8位高分辨率數字A/D信號轉換專用模擬芯片，其模擬輸出速率最高達到每秒分辨級可達到每秒分辨256級，可以輕松滿足適應于各類一般工業(yè)場合要求的高分辨率數字模擬信號的轉換等要求。芯片的數據轉換和響應轉換時間一般也僅為每分鐘約為32個μs，具有雙數據的校驗功能輸出數據也是可完全獨立的作為單一的數據輸出來接受校驗，以顯著地減少了數據誤差，轉換的響應速度快且系統(tǒng)穩(wěn)定性能保持較強。獨立的芯片輸入，使多路器件間的芯片控制變換和多處理器的自控制變換中的數據轉換也更易加快捷和方便。通過DI數據輸入端，可以更加輕易更便捷的可以實現多通道功能的選擇。

圖10 ADC0832 芯片

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 遠近燈光自動變換功能

整體系統(tǒng)的工作為手動模式和自動模式。手動模式下，由駕駛員自行根據環(huán)境主動控制遠近燈光開關。自動模式下，通過按鍵來設置燈光自動切換的距離和開啟遠近光燈的光強閾值數據，由光敏電阻來檢測當前環(huán)境的光強，再由光敏電阻輸出的電壓信號經過ADC0832轉換成數字信號。當前光強小于我們所設置的光強閾值時，此時環(huán)境較暗，開啟燈光。但是，開啟遠光還是近光燈由超聲測距得到的數據來決定，如果所測得的數據小于我們設置的距離數據，說明前方人或其他物體，此時開啟近光燈，否則開啟遠光燈。

3.2 自動模式與手動模式的轉換

當汽車前照燈開關置于自動狀態(tài)下時，汽車前照燈自動調節(jié)系統(tǒng)便進入自動控制狀態(tài)。汽車燈光自動調節(jié)系統(tǒng)也會對汽車前照燈的遠近燈光切換和開閉進行控制。當開關置于手動狀態(tài)時，駕駛員可以通過手動來完成對前照燈遠近燈光的變換和開閉進行控制。將手動模式調至自動模式即可再次使用燈光自動調節(jié)系統(tǒng)[4]。

4 總結

本文主要介紹了裝置設計原理系統(tǒng)功能分析，及現今研究情況和發(fā)展趨勢。此次裝置的研究與設計是以單片機STC89C51RC為核心控制器研發(fā)的一款汽車燈光自動調節(jié)系統(tǒng)，檢光模塊采用了光強傳感器這種燈光自動調節(jié)裝置更加智能，使得駕駛更加安全。