基于單片機(jī)對(duì)汽車智能防眩光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石玉泉，馬瀟然

（攀枝花學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川攀枝花，617000）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目以汽車前擋風(fēng)玻璃智能調(diào)光為設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要解決車輛在行駛過程中被強(qiáng)光刺激而帶來短暫的眩光不適的問題。根據(jù)系統(tǒng)所需設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，其中包括升壓逆變模塊、光電傳感模塊以及單片機(jī)控制模塊[2]，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)化選擇和研究。汽車智能防強(qiáng)光眩暈系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯控制路線

圖2 感光電路原理圖

圖3 顯示器設(shè)計(jì)原理圖

■1.1 升壓逆變模塊

該模塊要解決的問題是系統(tǒng)提供的電流轉(zhuǎn)化。采用boost 電路將調(diào)光玻璃所需電壓升高，再經(jīng)過DC/AC（直流轉(zhuǎn)交流）轉(zhuǎn)化電路變成交流電由此來控制調(diào)光玻璃工作。

調(diào)光玻璃一般需要電壓值為60V，車載電瓶（民用）輸出電壓值一般為12V，因此需要采用升壓電路對(duì)車載電壓進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換，使其達(dá)到調(diào)光玻璃所需要的電壓值。

由于車載電瓶輸出的是直流電，但是調(diào)光玻璃所需要的電為交流電，因此還需要將車載電瓶輸出的直流電轉(zhuǎn)化成交流電。在此逆變模塊中可用到多諧振蕩器與邏輯非門（該邏輯非門也可用一個(gè)施密特反相器代替），為盡量控制成本，在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)可選擇多諧振蕩器與邏輯非門組合。

當(dāng)然，在逆變升壓模塊中的以上兩個(gè)小組塊均為理想原理設(shè)計(jì)，而在實(shí)體設(shè)計(jì)中可直接選擇目前比較流行的“勝之星X2”型號(hào)的升壓逆變器，該逆變器完全可以實(shí)現(xiàn)車載電壓的升壓與轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到成本低和效率高的目的。

■1.2 光電傳感模塊

該模塊要解決快速收集信息問題。該系統(tǒng)采用光電二極管，它對(duì)光的變化非常靈敏，遭受強(qiáng)光照射時(shí)電阻值變小，光照越強(qiáng)電阻值減小程度越大，在無光照條件下阻值大。因此該元件便可作為整個(gè)系統(tǒng)的感應(yīng)器，將其連接入合適的電路中，即光感電路中，那么根據(jù)光電二極管元件的阻值變化情況來得到相應(yīng)的光強(qiáng)度，便能夠?qū)崿F(xiàn)將光照模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)從而達(dá)到收集光照強(qiáng)度值的目的。

判斷光照強(qiáng)度的大小對(duì)人體眼睛眩光影響主要是對(duì)其眩光指數(shù)研究計(jì)算，眩光指數(shù)便能直接地體現(xiàn)出光強(qiáng)大小以及眩光感應(yīng)的強(qiáng)弱。

眩光指數(shù)（GR）

GR 值在0～100 之間，值越大，產(chǎn)生的眩光效應(yīng)越強(qiáng)，人眼越不適應(yīng)。

一般人體眼睛在剛剛感受到眩光時(shí)，GR 值為50（即臨界值為50），經(jīng)過換算得知，當(dāng)光照強(qiáng)度為600～10000 時(shí)，光照對(duì)人體眼睛產(chǎn)生的眩光感覺相對(duì)較弱，但同時(shí)也要保證光線亮度充足，保證玻璃透光率大于70%（國標(biāo)規(guī)定）因此設(shè)定光照強(qiáng)度上限值為10000，下限值為700[2]。

該電路便可以對(duì)自然光與車對(duì)向光源的入射光進(jìn)行捕獲，并通過光敏元件其本身屬性對(duì)捕獲的光進(jìn)行處理，通過光強(qiáng)大小改變光敏電阻阻值，最后通過DO 引腳將數(shù)字信號(hào)（高電平/低電平）經(jīng)過電路輸入到單片機(jī)（接P2.3 口）。

■1.3 調(diào)光玻璃原理

調(diào)光玻璃是一款將液晶膜復(fù)合進(jìn)兩層玻璃中間，經(jīng)高溫高壓膠合后一體成型的夾層結(jié)構(gòu)的新型特種光電玻璃產(chǎn)品。使用者通過控制電流的通斷與否控制玻璃的透明與不透明狀態(tài)。玻璃本身不僅具有一切安全玻璃的特性，同時(shí)又具備控制玻璃透明與否的隱私保護(hù)功能，由于液晶膜夾層的特性，調(diào)光玻璃還可以作為投影屏幕使用，替代普通幕布，在玻璃上呈現(xiàn)高清畫面圖像[3]。

根據(jù)控制手段及原理的異同，調(diào)光玻璃可借由電壓電流控制、溫度控制、光照控制、壓力感應(yīng)控等各種方式實(shí)現(xiàn)玻璃之透明與不透明狀態(tài)的動(dòng)態(tài)切換，從而達(dá)到控制玻璃透光率的屬性[1]。本論文設(shè)計(jì)研究中主要對(duì)電控調(diào)光玻璃研究選擇。

2 單片機(jī)控制

該模塊用于解決系統(tǒng)調(diào)節(jié)玻璃透光率問題，該系統(tǒng)選用AT89C51 單片機(jī)作為主控制器。

■2.1 硬件部分設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)控制兩種功能，能夠在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示光照強(qiáng)度的參數(shù)。以AT89C51 單片機(jī)作為核心，單片機(jī)對(duì)由光照度傳感組塊輸入的照度信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到照度值大于設(shè)定閾值時(shí)，則單片機(jī)立即做出命令執(zhí)行，控制調(diào)光玻璃電壓值，從而改變調(diào)光玻璃的透光率。

2.1.1 顯示裝置

選用LM016L 作為顯示裝置模塊的顯示屏，采用直接訪問模式，將其八位數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)的32～39 輸出接口相連接。且連有排阻ResPack-8。其顯示電容：16×2 個(gè)字符，電壓為4.5～5.5V 工作電流2.0mA。該部分主要通過感光裝置中光傳感器檢測(cè)當(dāng)前的光照情況并且顯示在顯示屏上，顯示內(nèi)容即為當(dāng)前光照值Light 與上下限閾值，設(shè)置上下限值，上限值設(shè)置為2000Lux，下限值設(shè)置為800Lux。定義端口sbit lcden=P2^2; sbit lcdrs=P2^0;sbit write=P2.^1[4，5]。

2.1.2 電控調(diào)光玻璃

簡(jiǎn)單來說，電控調(diào)光玻璃的原理即是 ：當(dāng)電控產(chǎn)品關(guān)閉電源時(shí)，電控調(diào)光玻璃里面的液晶分子會(huì)呈現(xiàn)不規(guī)則的散布狀態(tài)，使光線無法射入，讓電控玻璃呈現(xiàn)不透明的外觀。電控調(diào)光玻璃主要由5 層陶瓷結(jié)構(gòu)層組成，包括最外圍的兩層導(dǎo)電層（TC），然后依次為：電致變色層（EC），帶有特殊離子的導(dǎo)體層（IC）以及最后一層反電極層（CE）。當(dāng)對(duì)CE 側(cè)的TC 夾層施加正壓時(shí)，鋰離子經(jīng)過IC 層，進(jìn)入EC 層。同時(shí)，補(bǔ)償電子由CE 層脫離，經(jīng)由外部電路轉(zhuǎn)移到EC 層，夾層顏色變深。當(dāng)電源極性改變時(shí)，離子和電子返回至它們?cè)镜耐繉?，玻璃返回至透明狀態(tài)[1]。

2.1.3 調(diào)光玻璃模塊控制連接

將可控按鈕與一個(gè)二極管連接入到P1.2 口，后順序連接升壓逆變器與調(diào)光玻璃，如此可起到單片機(jī)結(jié)合感光電路捕獲的數(shù)據(jù)并通過單片機(jī)分析從而控制調(diào)光玻璃的透光率，使其達(dá)到讓駕駛員降低對(duì)強(qiáng)光眩光效果的感應(yīng)。

單片機(jī)所需要的工作電壓與調(diào)光玻璃的工作電壓不相同，因此需要在單片機(jī)連接調(diào)光玻璃之間再連接一個(gè)升壓逆變器。當(dāng)感光電路感應(yīng)到超出上限值的強(qiáng)光時(shí)，在其電路的DO 引腳上就會(huì)輸出高電平，在P1.2 口輸出高電平，升壓逆變器與單片機(jī)以及調(diào)光玻璃之間形成通路，此時(shí)電控調(diào)光玻璃開始工作，即改變它的透光率，降低強(qiáng)光刺激；當(dāng)感光電路感應(yīng)到的是低于下限值的弱光時(shí)，其DO 引腳上便輸出低電平，調(diào)光玻璃進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)輔助照明燈也會(huì)隨之而打開（D1 為輔助照明燈，D2 為指示燈）。

■2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件程序部分利用C 語言，匯編語言和Kile 編寫，其中顯示屏顯示程序，光照強(qiáng)度獲取并且鏈接計(jì)算分析程序以及按鍵程序等。其中最為核心的便是計(jì)算分析程序，其功能主要是將光感元件所轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，首先判斷得到的光強(qiáng)度值是否在設(shè)定閾值區(qū)間，當(dāng)光強(qiáng)度值大于設(shè)定閾值上限時(shí)，說明此時(shí)光源會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生眩光感覺，便需要調(diào)光玻璃進(jìn)行工作，調(diào)整其透光率，降低眩光效果，當(dāng)光度值位于設(shè)定上下限值之間時(shí)，說明此時(shí)光照強(qiáng)度對(duì)駕駛員產(chǎn)生的眩光感非常小，便不需要調(diào)光玻璃進(jìn)行調(diào)光，調(diào)光玻璃便會(huì)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)光照強(qiáng)度低于下限值時(shí)，此時(shí)輔助照明就會(huì)打開，該輔助照明并不是類似于車前大燈的作用，而是作用于前擋風(fēng)玻璃，使得駕駛員視線透過玻璃看得更加清晰。整個(gè)程序運(yùn)行流程圖如圖5 所示。

圖5 程序流程圖

程序部分主要包括三個(gè)部分子程序（當(dāng)然整個(gè)程序還有其他輔助程序構(gòu)成，在此不做介紹），相應(yīng)如下：

子程序1：讀取光強(qiáng)度

該部分程序主要實(shí)現(xiàn)光感元件感應(yīng)的光源強(qiáng)度將其由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，芯片對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行獲取處理。

由硬件設(shè)計(jì)部分已知，需要實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所感應(yīng)的光照強(qiáng)度，因此當(dāng)前部分程序便能實(shí)現(xiàn)將感應(yīng)的光照強(qiáng)度顯示在LM016L LED 屏幕上。

子程序3：計(jì)算分析

該部分程序根本目的是將感光模塊收集到的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后進(jìn)行眩光指數(shù)GR 計(jì)算，同時(shí)對(duì)GR 值與設(shè)定GR 值（設(shè)定GR 值為65-72）比較，而為使得程序簡(jiǎn)單化，直接設(shè)定光強(qiáng)度為限值即可，和光強(qiáng)度與調(diào)光玻璃感光調(diào)光閾值進(jìn)行比較，在匯編指令中這里主要是用到CJNE指令，當(dāng)CY=0 時(shí)（JNC 指令），就會(huì)控制調(diào)光玻璃連接口打開調(diào)光玻璃對(duì)透光率進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)CY=1 時(shí)（JC 指令），單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令使得輔助照明打開為駕駛員提供光亮度補(bǔ)充[4]。在C 語言程序中便可直接使用IF 語句進(jìn)行嵌套循環(huán)，其C 語言程序段如下：

3 結(jié)語

通過各個(gè)模塊組合連接并且將程序進(jìn)行編譯，生成hex文件，燒入到單片機(jī)中，待其接通電源時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就能開始工作，便能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)光線照度大小來調(diào)整調(diào)光玻璃工作與否從而達(dá)到調(diào)整調(diào)光玻璃的透光率，使得駕駛員的眩光感覺大為降低，保證了駕駛員的駕駛安全性與舒適性，在未來汽車玻璃發(fā)展領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景與利用價(jià)值，即達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷與目的。