汽车自适应前照灯系统的设计(毕业论文)【整理版】.doc

I 汽车自适应前照灯系统的设计 摘 要 传统的汽车照明系统主要由前照灯系统 信号照明系统 车内照明系统三大 部分组成 随着科技的进步 传统照明系统也经历了长足的发展 但是实际的使 用中 传统的前照灯系统依然存在着诸多问题 在面对复杂的道路条件和行车状 况时 交通安全仍然存在巨大的隐患 因此 如何使传统汽车照明智能化 驾车 更安全 更舒适就成为一个十分紧迫而又有重大现实意义的课题 针对传统的汽车照明灯夜间行驶在弯道时无法调节照明角度 在弯道内侧易 出现盲区 在坡道无法调节照明角度等情况 提出了一种前照灯弯道自适应照明 控制系统 以提高夜间行车安全性 本文主要介绍了一种以单片机 STC90C51 为 核心设计的汽车自适应前照灯计算机控制系统 简要的介绍汽车自适应前照灯的 产生的背景 当今国内外发展现状及趋势 分析了该系统的组成 功能和工作原 理 在文章硬件部分 详细设计了汽车自适应前照灯左右转向计算机控制系统的 主控制器及外围电路 在软件部分 设计了系统软件的整体流程 算法程序 实 现了一个可根据道路以及方向盘转角信号随动转向的控制系统 通过最后的系统调试 保证了车辆在弯道行驶时 前照灯能根据路况调整到 合适的位置给驾驶者提供照明 表明了本设计方案的可行性和正确性 在论文的最后 对本次毕业设计进行了总结 提出了一些尚待解决的问题 为今后的进一步完善提出了参考意见 关 键 词 自适应照明 随动转向 安全驾驶 STC90C51 A PROJECT OF AUTOMOTIVE ADAPTIVE FRONT LIGHTING SYSTEM II ABSTRACT Traditional automotive lighting system consists of three major components headlamp system signal lighting and interior lighting system As technology advances the traditional lighting system also continues to develop but in practice there are still many problems in the traditional headlamp system Facing complex road conditions and driving conditions there are colossal security bungles in the traffic safety Therefore how to make the traditional automotive lighting intelligent and how to make the driving more secure and more comfortable have become a very urgent and great practically significant issue The traditional automotive lighting drive at night may be faced some conditions for example inability of adjusting illumination angels at the curve the appearance of blind section at the clip inability of adjusting illumination angels at the ramp based on which a headlamp adaptive lighting control system at the curve is put forward in order to improve the driving safety at night This paper introduces a Computer control system of the automotive adaptive headlamps with STC90C51 microcontroller core design The paper will briefly introduce the background of the appearance of auto adaptive headlamps and its current development situations and trends at home and abroad It will also analyze the composition function and working theory of the system The hardware part in the paper detailed designs the host controller and peripheral circuits of the auto adaptive headlamps left and right tuning computer control system The software part projects the overall process of system software algorithms program finishing a control system that can optional turn according to vehicle speed and steering angle signals The final system debugging ensures that when the vehicles are driving at the curve the headlamps can adjust itsel according to road conditions to a suitable position to light for the drivers The project is of feasibility and correctness At the end of the paper a conclusion of the project is drawn to put forward some problems waiting for solving and to come up with some idea about the later improvement III Key words adaptive lighting tracking turning safe driving STC90C5 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外发展现状及发展趋势 3 1 3 本课题的研究意义与主要内容 5 第 2 章 系统整体方案设计 6 2 1 系统的功能及构成 6 2 2 系统基本功能 8 2 3 系统的工作原理 8 2 3 1 随动转弯角度 9 2 3 2 车身纵倾调光 10 2 4 本章小结 10 第 3 章 系统硬件设计 11 3 1 AFS 主控制器设计 11 3 1 1 微控制芯片的选型 11 3 1 2 信号处理电路设计 13 3 1 3 电源电路设计 15 3 1 4 电机控制电路设计 15 3 2 执行器选择 17 3 3 传感器模块选择 17 3 4 本章小结 19 第 4 章 系统软件设计 20 4 1 程序思路 20 4 2 系统分块程序设计 21 4 2 1 随动转弯程序 22 4 2 2 倾角转动程序 23 4 3 本章小结 24 第 5 章 系统调试 25 5 1 系统硬件调试 25 V 5 1 1 常见的硬件故障 25 5 1 2 硬件调试方法 25 5 2 系统软件调试 26 5 3 基于 PROE 的运动建模 27 5 4 本章小结 28 结 论 29 参考文献 30 致 谢 31 附 录 32 附 录 1 原理图 32 附 录 2 PCB 33 附 录 3 实物图 34 附 录 4 程序代码 35 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 自19世纪汽车诞生以来 已经历了一个多世纪的风雨 想当初 卡尔 本茨 造出的三轮汽车每小时的时速仅为18公里 时 而现在已经诞生了时速600公里 的超级跑车 随着社会的不断进步发展 汽车已成为现代人生活中不可或缺的交 通工具 然而 随着汽车技术的不断进步以及车辆数目的增加 汽车也给现代社 会带来了新的问题 频繁发生的交通事故已经成为不得不严肃对待的世界性问题 据统计 在各种意外事故中 以车祸占首位 占意外死亡总数的50 以上 仅以 汽车交通事故为例 全世界因交通事故而死亡的人数已超过3000万人 比世界大 战所死亡的人数还多 而其中以青少年与老年人的死亡率最高 值得注意的是 儿童青少年一直都是交通事故导致伤亡的高危人群 据估计 近年来全世界每年在车祸中丧生的人数约为30万人 受伤者约3000万人 其中终 身残疾者约为300万人 我国城市每万辆车死亡率为50 10 8人左右 与国外相比 较 为日本的26 5倍 美国的17 8倍 若以万辆车的死亡率作比较 我国车祸的 发生率和死亡率皆居世界之首位 据公安部交通管理局的统计 2005年 全国共 发生道路交通事故450254起 造成98738人死亡 469911人受伤 直接财产损失 18 8亿元 自2001年以来全国交通事故死亡人数首次回落到10万人以下 中国由 于交通事故每年死亡超过10万人 死者大多是年轻人 占全球交通事故死亡人数 的五分之一 居世界各国之首 中国每5分钟有一人因车祸死亡 每一分钟有一 人因车祸伤残 每天死亡280多人 每年死亡10万多人 中国的汽车数量仅占世 界的1 9 而车祸死亡人数占世界15 且每年增加4 5 如何提高汽车的安 全性 减少交通事故的发生已经成为全世界的迫切要求 汽车安全性分为三大部 分 主动安全性 被动安全性和防火安全性 所谓主动安全性 是指汽车设计者 在汽车的配置中 采取一系列技术措施 以预防和减少安全事故的发生 其中包 括汽车夜间照明 各种指示信号 驾驶员视野 制动以及轮胎等 所谓被动安全 性 是指在汽车中采取一系列技术措施 使得安全事故一旦发生时 可最大限度 2 地防止或减少对人员造成的伤害 其中包括车身结构 安全玻璃 座椅 头枕 内外部凸出物以及安全气囊等 汽车照明系统作为汽车最主要的主动安全装置之 一 主要负责前方路况的照明 提供给驾驶者前方的路况信息 使驾驶员能够及 时看清障碍物并做出反应 是保证汽车在夜间或能见度较低的环境下安全行驶的 关键 传统的汽车照明系统主要包括照明装置 照明灯 和信号装置 其中照明灯的 功能是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方的路面 倒车灯照亮汽车后方 在倒车时 也是照亮行驶方向 照明灯主要是指前照灯 前雾灯 倒车灯和牌照灯 其次 像室内灯 仪表等和行李箱灯也属照明灯用 信号装置包括汽车信号灯和回复反 射器 信号灯中又包括转向指示灯 制动灯 后雾灯和位置灯等 信号灯的功能 是向其他道路使用者表明本车的存在 以及本车将要转向某一方向或正在制动减 速等 以引起对其的特别关注 事实上 前雾灯兼有照明和信号的两种功能 它 是在雾 雪 雨或尘埃蔓延等有碍可见度的情况下 为改善车辆前方道路照明和 使迎面来车易于发现车辆的灯具 但是在实际的使用中 传统的前照灯系统存在 着许多的安全隐患 特别是在交通事故多发和高致死率的夜间 传统的照明系统 难以对汽车提供有效的安全保护 世界汽车安全事故统计资料表明 夜间发生的 交通事故是白天的三倍 照明状况不良时的事故率又是照明良好时的三倍 我国 交通事故统计资料显示 仅1994年因灯光问题酿成的安全事故就有近千起 造成 三百多人死亡 而造成夜间事故平频发的主要原因是在晚上驾驶员的可视度与白 天相比大幅度的下降 同时雨雾和空气中的一些污染物在前窗玻璃上形成的水滴 和污物也会让驾驶员的距离感产生失真 严重影响了驾驶员对前方弯道障碍物的 判断 而依靠传统的照明系统即使将近光灯 远光灯和前雾灯全部开启也依然会 存在着照明盲区 从而导致事故的发生 上述这些问题的存在 就使得研制出一 种具有多种照明功能的新型照明系统成为必然的趋势 并且这些功能的切换 出 于安全上的考虑 应该是无需驾驶员手动控制全智能实现的 与此同时 随着科学进步的发展 越来越多的高新技术开始运用在汽车工业 上 汽车虽然本是主要偏向于机械配合的一项技术 不过近几十年随着电子技术 的迅猛发展 各行各业都开始提倡机电一体化 汽车也不例外 安全 节能 环 保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势 与这些要求相适应 汽车电子化 的趋势越来越明显 各类电器元件在汽车成本中所占比例也越来越高 如今的汽 3 车上都是动辄数百个电子元件 数以捆计的汽车线路控制着汽车多个部门的协调 工作 国外专家预测未来3 5年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的 25 以上 汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展 成为所 谓的 电子汽车 可以说汽车电子化已经成为现代汽车发展的重要标志 在现 代汽车制造工艺中引入电子技术不仅提高了汽车的动力性 经济性和安全性 使 汽车产业进入一个新的纪元 而且还开拓了电子产品的市场 推动了电子产业的 发展 将汽车电子技术运用到汽车照明领域 将微控制器 传感器 车载网络系统 自动控制理论与传统的汽车前照明机械系统结构相结合 开发出能够解决由于传 统照明系统带来的安全问题的新型智能车灯 将是未来汽车前照明系统的发展方 向 1 2 国内外发展现状及发展趋势 在欧 美 日等发达地区和国家 从上个世纪几时年代中叶就已经开始投入 研究 在 2003 年初 一种具有 左顾右盼 功能的 Pre AFS 初级 AFS Adaptive Front lighting System 系统诞生了 时至今天 AFS 前照灯系统的研究在 国外已经取得了很大的进展 日趋成熟 日本 欧洲等国的知名汽车制造商都纷 纷推出自己的 AFS 系统 在其高档轿车中标配 AFS 系统的同时 讲 AFS 系统在 中档甚至中低档轿车车型作为选配列出 比如宝马 5 系 奥迪 A8 梅赛德斯 CLS M 系 E 系 雷克萨斯 R 系 大众 B6 等 虽然 AFS 系统已经投入使用 而且效果良好 但致力于行车安全的专家们并不 满足于已经取得的成绩 以德国海拉公司为首的汽车灯具巨头们正在考虑如何让 车灯在多种复杂的道路状况下司机们提供更好的照明 一种被称作 VARILIS 多 功能可变智能灯光系统 的新技术已诞生 除了本课题研究的随动转弯功能之外 它将根据车速在不同范围产生不同的光型 如乡村灯光 城市灯光 高速灯光 远光等 在 VARILIS 系统中 光源和透镜之间不是双疝气前照灯中的遮光罩 而是一种可旋转的柱体 改柱体表面有很多不同的形状 根据智能控制器对更累 传感器信号的处理 使转到不同的角度产生不同的光型 国内关于汽车自适应照明系统的研究起步较晚 目前仅有上海小系车灯有限 4 公司 沈阳北方汽车大灯自动转向器厂 天津欧华汽车研发中心等少数机构在进 行自主研发 据报道 沈阳北方汽车大灯自动转向器厂在 2007 年初研发成功汽 车自动转向前照灯 该产品打破了国外公司在此方面的垄断 在汽车照明领域取 得突破 但与自适应的前照灯还有一定差距 可以说自适应照明系统是近年国际 国内在汽车智能照明系统方面研究的热点 也是汽车主动式安全系统研究有所突 破的领域 目前 己经有很多车辆具备了 AFS 的部分功能 比如全新宝马 530i 奔驰新 E 级 东风日产新天籁 东风雪铁龙凯旋 广州丰田凯美瑞 雷克萨斯 LS460L 以及一汽丰田锐志 3 0L 等 随着科技的进步和人们对于汽车观念的提升 AFS 有着更安全 更环保的发展趋势 随着科技日新月异的进步和人们对汽车安全的追求越来越高 汽车自适应前 照灯系统越来越有着更安全 更环保 更人性化的发展趋势 自适应智能照明系统在汽车主动安全领域的重大突破和显著成效使其成为未 来国内外汽车生产厂商在汽车智能照明系统方面的热门研究方向之一 随着汽车 工业的发展 使用者在考虑车载高新技术的同时 对汽车的安全性也越来越重视 为满足市场的需求 安全 舒适 节能将是未来自适应前照灯系统的发展方向 首先 在未来的汽车智能前照明系统中将会集成图像识别功能以检测行人 车辆 和路边障碍物 为驾驶员提供更加安全的行驶环境 其次 未来的自适应照明系 统将与自适应巡航控制 ACC 和车道偏离警告系统 LDWS 等其他新型汽车主动安 全系统相结合 不仅可以更加精确的预测前方的路面状况从而对光型进行更智能 化地调节 同时也能使系统变得更加集成化 低成本化 并且随着LED技术的不 断发展 LED的性价比不断提高 据专家预测 新一代的汽车自适应照明系统也 将采用LED转向灯 由于LED灯具有寿命长 占用空间小等优点 可以使得整个 系统的节能性和可靠性明显提高 5 1 3 本课题的研究意义与主要内容 随着汽车制造技术的不断进步 汽车的行驶安全成为人们越来越关心的问题 而汽车前照灯作为汽车主动安全的主要组成部分之一 也必须满足使用者越来越 高的要求 一个优秀的汽车照明系统应该满足以下标准 能够为驾驶者提供前方 路段的景象信息 让驾驶者有充足的时间对可能面对的危险做出反应 给驾驶者 提供信息时不会增加驾驶员的疲劳 给本车驾驶员带来方便的同时不会给其它车 道使用者的带来麻烦 汽车自适应前照灯上下左右转向控制系统是综合利用传感技术 计算机技术 控制技术 机电一体化技术设计 使汽车自适应前照灯转向控制系统能够根据车 辆的行驶状态 方向盘的转角提供更加合理的照射范围 为驾驶员的行车安全提 供了更有利的保障 本课题借鉴了当前国际和国内在这方面的技术经验及其设计思想 开发了低 成本的基于STC90C51单片机的汽车自适应照明系统 论文主要研究内容如下 第一章简单介绍了本课题的研究背景 研究目的及意义以及国内外的发展现 状和发展趋势 第二章简单介绍了系统的功能及构成 工作原理 第三章首先根据系统功能需求对AFS主控制器的方案设计进行了介绍 然后 对执行器即电机设计进行了介绍 接下来对系统所用传感器的设计和选择做了介 绍和说明 第四章针对系统的特点 设计了系统控制主程序流程图 并分别设计了随动 转弯子程序 车身俯仰调整子程序的软件算法流程图 第五章介绍了系统调试的各项内容 最后做了运动仿真 6 第 2 章 系统整体方案设计 2 1 系统的功能及构成 在绪论中已经提到夜间是交通事故高发生时间段 而因照明问题引发的交通 事故更是占到了夜间事故的50 以上 而且夜问事故的致死率很高 达到了 50 几乎是白天事故致死率的2倍 可以说 自从汽车诞生以来 安全一直是 人们关注的首要汽车性能 也永远是汽车制造商首要考虑的问题 基于此 无论 是用户还是汽车生产商都希望能开发出一个能够显著减少夜间交通事故发生率的 汽车前照明系统 从而自适应照明系统便登上了舞台 因此 综合国内外研究发 展状况 系统的功能构成主要包括以下两个个方面 当因路面崎岖或汽车前后载荷变化导致车身倾斜时 系统能够根据当前车身 负载和当前路况来改变汽车前照灯的俯仰照射角度 既提供了更适宜的照明范围 又不会影响对面会车的司机使其眩目 图2 1为车身倾角对照明的影响 图2 1 车身纵倾对照明产生的影响 随动转弯 车辆进入弯道时 前照灯产生随动的旋转光型 给予前方弯道足 7 够的照明 其中图2 2是弯道传统照明情况 图2 3为在AFS下的照明情况 图2 2 弯道传统照片 图2 3 AFS的弯道旋转照明 汽车自适应智能照明控制系统主要由获取必要汽车行驶信息的各传感器 信 号调理电路 驱动电路 执行电机 故障诊断等部分组成 可分为以下几个模块 1 前照灯控制模块 包括调整灯光左右随动和调整高度的步进电机 2 AFS主控制器 3 传感器模块 包括倾角传感器模块和车灯左右转动处理模块 系统结构示意图2 4如下 8 图 2 4 系统结构示意图 2 2 系统基本功能 夜晚行驶转弯和坡道行驶时 系统对方向盘的转向信号和车身倾角信号进行 运算 再发出控制信号给步进电机 指示电机转动到指定位置 步进电机根据控 制信号对车灯转向角度进行调整 完成随向灯光角度控制 从而照亮车辆即将行 驶到的前方的路面 2 3 系统的工作原理 利用倾角传感器和方向盘传感器确定车辆的行驶状态 把检测到得信号输入 到单片机进行判断处理 进而发出相应的指令控制前照灯做出相应的调整 从而 实现前照灯的随动转向功能 在 AFS 系统下车辆左转弯时 左前照灯有向左转动的动作 右前照灯没有动 作保持原有状态 同理 右转弯时右前照灯动作 左前照灯保持原有状态 车辆 行驶在起伏路段时 夜晚光束会忽上忽下 在 AFS 下调整这种光束不平衡 使之 适应司机的驾驶行为 驱动执行单元 电源供电 转角信号 倾角信号 STC90C51 步进电机 向 9 2 3 1 随动转弯角度 车辆在行驶中发生状况最极端的应对措施就是制动 根据当前的车速和方向 盘转角 前照灯需要偏转的角度就是要照亮车辆将要行驶到的路面 保证这个有 效的刹车距离内的照明 转弯水平方向偏转模型如图 图 2 5 转弯时水平方向偏转模型示意图 由图中的几何关系和圆弧长公式可得 2 1 2LR 其中 是圆弧长 由转弯时系统的照明要求可得 L 2 2 式中 Lvts 是车速 是反应时间 是制动距离 vts 转弯半径 2 3 RL 轴 si n 式中 是车轮转过的角度 是汽车的轴距 L轴 方向盘和车轮转角的关系 2 4 K 式中 是转向特征系数 是方向盘转角 K 由式子得 2 5 sin K 2 vts L 轴 10 此公式即为计算前照灯转向转角的经验公式 2 3 2 车身纵倾调光 车身纵惭调光是采用安装在车体前部的车身倾角传感器 获取车身倾角变化 量 车身纵倾角度的变化量 就是前灯光轴角度的变化量 通过调光电机的运作 反向调整此角度变化 使之适应行车变化 2 4 本章小结 本章首先给出了本系统的总体组成 详细的阐述了本系统的基本功能和工作 原理 并建立了汽车自适应前照灯转向控制系统基本控制模型 为系统的进一步 研究提供了理论基础 11 第 3 章 系统硬件设计 如前所述 系统的硬件部分设计主要包括 AFS主控制器设计 包括微控制器 信号处理电路 电机控制电路 指示部 分电路及开关电路 执行器设计 包括左右旋转电机总成和车身纵倾调高电机总成 以下分别简 称为旋转电机总成和调高电机总成 传感器模块设计 选用车身倾角传感器模块来实现倾角测控 3 1 AFS 主控制器设计 3 1 1 微控制芯片的选型 在车载电子系统的设计中 微控制器是整个系统的核心部件 其性能的好坏 直接决定整个系统的运行效果 一般来说 选用车载电子系统微控制器时应考虑 微控制器应用的类型 I O接口 主频 功耗 所支持的存储器类型 总线 价 格 封装 产品的生命力和厂家的实力 技术支持以及第三方软件的支持等因素 但最重要的是微控制器的稳定性 安全问题应该永远是车载系统首要考虑的因素 由于高度的通用性和出色的稳定性 本系统采用宏晶公司产的低功耗 高性能 CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器 片内含4k bytes的可系统编程的Flash 只读程序存储器 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼 容标准8051指令系统及引脚 它集Flash程序存储器既可在线编程 ISP 也可用传 统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中 可提供许多高性价比的应用 场合 可灵活应用于各种控制领域 其主要性能参数 与 MCS51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程 ISP Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4 0 5 5V 的工作电压范围 全境态工作模式 0Hz 33MHz 12 三级程序加密锁 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 全双工串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗 WDT 及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在线系统编程 STC90C51芯片管脚图3 1 图3 1 STC90C51芯片管脚图 13 3 1 2 信号处理电路设计 如前所述 系统需要采集的信号主要包括 方向盘转角信号 这里用电位器 模拟转角信号 模拟信号均为 0 5V 线形变化电压信号 这就需要进行 AD 转换 本系统用 PCF8591 是一个单片集成 单独供电 低功耗 8 bit CMOS 数据获取 器件 PCF8591 具有 4 个模拟输入 1 个模拟输出和 1 个串行 I C 总线接口 PCF8591 的 3 个地址引脚 A0 A1 和 A2 可用于硬件地址编程 允许在同个 I C 总线上接入 8 个 PCF8591 器件 而无需额外的硬件 在 PCF8591 器件上输入输 出的地址 控制和数据信号都是通过双线双向 I C 总线以串行的方式进行传输 PCF8591 的功能包括多路模拟输入 内置跟踪保持 8 bit 模数转换和 8 bit 数模转换 PCF8591 的最大转化速率由 I C 总线的最大速率决定 PCF8591 特性 如下 单独供电 PCF8591 的操作电压范围 2 5V 6V 低待机电流 通过 I C 总线串行输入 输出 PCF8591 通过 3 个硬件地址引脚寻址 PCF8591 的采样率由 I C 总线速率决定 4 个模拟输入可编程为单端型或差分输入 自动增量频道选择 PCF8591 的模拟电压范围从 VSS到 VDD PCF8591 内置跟踪保持电路 8 bit 逐次逼近 A D 转换器 通过 1 路模拟输出实现 DAC 增益 图 3 2 为引脚图 14 图 3 2 PCF8591 引脚 引脚含义如下 AIN0 AIN3 模拟信号输入端 A0 A3 引脚地址端 VDD VSS 电源端 SDA SCL I2C 总线的数据线 时钟线 OSC 外部时钟输入端 内部时钟输出端 EXT 内部 外部时钟选择线 使用内部时钟时 EXT 接地 AGND 模拟信号地 AOUT D A 转换输出端 VREF 基准电源端 图 3 3 PCF8591 电路图 15 3 1 3 电源电路设计 目前轿车使用蓄电池一般都是12V 在车辆使用过程中 发电机电压可以达 到13V左右 考虑到车载电源的电压波动 实际ECU的供电电压范围在9 15V 而 微控制器及控制芯片供电电压都是5V 因此为了保证系统的工作 需要电源芯片 进行电压转换 系统选用三端稳压器MC7805ACT作为电压转换芯片 它能提供 固定的输出电压 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 其主要特点有 输出电流可达1A 输出电压 5V 过热保护 短路保护 输出晶体管SOA保护 使用一片MC7805ACT即可将车载12V电源转换为5V为系统提供稳压电源 如图3 4所示 图3 4 电源电路 3 1 4 电机控制电路设计 系统共四个电机 系统选用4相5线步进电机 电压5VDC 电流O 16A 由于 旋转和调高在执行动作时分时进行 因此需要分别控制 由于左右电机旋转角度 不同 所以P1 0 P1 3发送PWM脉冲给旋转电机 P1 4和P1 7发送PWM脉冲给调高 电机 步进电机的驱动器选用达林顿阵列管ULN2003 ULN2003是高耐压 大电流 达林顿陈列 由八个硅NPN达林顿管组成 该芯片特点如下 每一对达林顿都串联一个2 7K的基极电阻 在5V的工作电压下它能与TTL和 16 CMOS电路直接相连 可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据 工作电压高 工作电流大 灌电流可达500mA 并且能够在关态时承受50V 的电压 输出还可以在高负载电流并行运行 其内部结构如下图所示 图3 5 ULN2003芯片引脚 电机控制电路 图3 6 电机驱动电路 17 3 2 执行器选择 本系统选用四相六线的24BYJ48型永磁感应式步进电机 其外形尺寸如下图所 示 图3 7 电机外形尺寸 3 3 传感器模块选择 倾角传感器设计 该系统选用 ADXL345 加速度传感器模块 ADXL345 是一款小而薄的超低功 耗 3 轴加速度计 分辨率高 13 位 测量范围达 16g 数字输出数据为 16 位二 进制补码格式 可通过 SPI 3 线或 4 线 或 I2C 数字接口访问 它可以在倾斜检 测应用中测量静态重力加速度 还可以测量运动或冲击导致的动态加速度 其高 分辨率 3 9mg LSB 能够测量不到 1 0 的倾斜角度变化 下图为该模块的原理图3 8 18 图 3 8 倾角传感器模块原理图 ADXL345 加速度计实际是一种机械传感器 为多晶硅表面微加工结构 置 于晶圆顶部 由于应用加速度 多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上 提供力 量阻力 差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成 能对结构偏转进行测量 加速度使惯性质 量偏转 差分电容失衡 输出的值与加速 度成正比 相敏解调 用于确定加速度的幅度和极性 图 3 9 加速度计工作原理示意图 如图 3 10 所示 物体的翻转和倾斜均可以通过 ADXL345 三轴加速度数据 gx gy 和 gz 来测量 根据 ADXL345 的工作原理有 g2 gx2 gy2 gz2 g 为重 力加速度 gx gy 和 gz 分别为重力加速度在三轴的分量 并且三轴与重力方向 19 的夹角 x y z 可以表述为 x arcsin gx g 其他两轴类推 由此可以确定物 体在空间的姿态 图 3 10 物体的翻转和倾斜 3 4 本章小结 本章首先根据系统功能需求对AFS主控制器的方案设计进行了介绍 然后对 执行器即电机设计进行了介绍 接下来对系统所用传感器的设计和选择做了介绍 和说明 20 第 4 章 系统软件设计 在系统的硬件设计完成后 需要编写源代码程序来控制硬件电路完成系统的 设计功能 系统性能的高效与否 不仅取决于合理的硬件电路设计 同时也需要 优秀的软件程序编写 通常的编程语言有汇编语言和高级语言两种 但是由于使 用汇编语言会遇到很多问题 首先它的可读性和可维护性不强 特别是当程序没 有很好标注的时候 其次是代码的可重用性不强 为提高程序的可移植性与开发 效率 现在很多单片机的开发应用都使用高级语言进行 本系统所使用的C51语 言就是高级语言中的一种 应用C51语言进行编写具有以下优点 不需要了解系 统的硬件结构 编程时寄存器的分配和寻址由编译器自动完成而不需再考虑存储 器的寻址 所使用的操作函数与汇编语言相比更接近人的思维 可直接调用C51 语言中库文件的标注函数 通过C语言的模块化编程技术 可直接将已编制好的 程序运用到到新的程序之中 4 1 程序思路 系统的总体构思如下图 4 1 图 4 1 程序总体构思图 21 主程序是整个汽车自适应前照明系统功能的骨架 它体现了整个系统的逻辑 关系 在本系统中 主程序包括系统初始化子程序 前照灯水平偏转子程序 前 照灯车身上下垂直调整子程序3个功能模块 系统初始化模块对之后系统所使用 的各变量进行定义 同时将内存清零 设置计数器等 前照灯水平偏转子程序 前照灯车身俯仰垂直调整子程序这两个个模块则是在不同的行驶环境中对灯头照 射方向进行调整来辅助驾驶员的驾驶任务 4 2 系统分块程序设计 图 4 2 系统主程序设计流程图 22 4 2 1 随动转弯程序 在汽车驾驶员进行转弯操作时 系统先通过汽车传感器采集的数据判断是否 启动此子程序 当采集到转角信号时 启动子程序 否则不启动 再通过转角传 感器采集的数据判断是否需要进行前照灯的水平偏转及前照灯水平偏转的方向 当采集到的方向盘转角大于系统设定值时 则需要进行前照灯水平偏转 图4 3 随动程序流程图 Y N 开始 采集转角信号 大于设定值 采集转角数据 确定方向 执行电机动作 结束 23 4 2 2 倾角转动程序 汽车在直线路况行驶时 系统通过汽车倾角传感器采集的数据来判断是否需 要进行车身俯仰前照灯垂直调整以及垂直调整的方向 当采集到的倾角数大于系 统设定值时 则需要进行车身俯仰前照灯垂直调整 由于前照灯垂直调整不包含 模糊控制器设计 所以只需要根据步进电机的步进角和灯头的偏转关系计算出输 出的脉冲数 驱动步进电机使灯头偏转到系统设定的角度即可 如果采集到的车 高数据小于系统设定值 则无需进行车身俯仰前照灯垂直调整 只需要将储存在 寄存器中上次的脉冲数取反直接作为最后输出的脉冲数 使得前照灯回复到初始 位置即可 车身俯仰调整子程序如下图所示 图4 4 前照灯倾角流程图 N Y 开始 倾角数据采集 需要调整 车身倾角 输出控制脉冲 步进电机执行动作 结束 24 4 3 本章小结 本章针对系统的特点 设计了系统控制主程序流程图 并分别设计了随动转 弯子程序 车身俯仰调整子程序的软件算法流程图 25 第 5 章 系统调试 5 1 系统硬件调试 5 1 1 常见的硬件故障 1 逻辑错误 硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误 所造成的 主要包括 错线 开路 短路等 其中短路最为常见 在印刷电路板 布线密度高的情况下 极易因工艺原因造成短路 2 器件失效 元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求 或者是由于组装错误造成的元器件失效 如电解电容 二极管的极性错误 集成 块安装方向错误等 3 可靠性差 系统不可靠可能受多种因素影响 如金属化孔 接插件接触 不良会造成系统时好时坏 内部和外部的干扰 器件负载过大等造成逻辑电平不 稳定 另外 走线和布局的不合理等也是系统可靠性差的重要因素之一 4 电源故障 若系统中存在电源故障 则加电后将造成器件损坏 5 1 2 硬件调试方法 拿到印刷电路板后 用万用表直接检查线路板各处是否有明显短路 断路的 地方 尤其是电源是否短路 接着 焊接各元器件及插座 在焊接过程中要对各 元件做逐一检查 比如二极管极性 电容容量及耐压 电阻值大小等 在插座 元件焊接完毕后 仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象 焊接 面的各焊点间 焊点和近邻线有无连接 最后 再给电路板空载上电 未插芯片 检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确 特别是单片机管脚上的各点电压 若上述的一切都正常 则硬件调试的准备工作完成 5 2 系统软件调试 对系统软件编写完成之后 可以利用 Keil C51 仿真软件进行仿真运行调试 26 其调试界面如图 5 1 所示 图 5 1 Keil C51 软件调试截面图 在具体的调试过程中 采取以下方法进行调试 在 Keil C51 编译环境中编写 编译软件模块 进行软件仿真调试 对功能模块的软件仿真 通过 Keil C51 的调 试窗口观察各个寄存器 变量以及并行口输出的结果 监测软件模块运行的状态 在调试过程中不断地调整修改系统的软件程序 使系统实现预定功能 调试过程中单步运行和断点运行调试只能验证程序正确与否 而不能确定定 时精度 CPU 的实时响应等问题 故在单步和断点调试之后 又进行了连续调试 待全部完成后 应反复运行调试多次 对系统的稳定性和操作是否符合原始设计 要求 安排的操作是否合理等都要进行详细的观察 必要时作适当的修正 在软 件调试仿真无误后 即可用编程器烧写到单片机中运行 观察系统运行结果 这 样 通过不断烧写 试验 最终完成整个软件 准确实现车灯转动的功能 5 3 基于 PROE 的运动建模 经过系统软件调试 证明设计方案是可行的 为了更加深入了解系统的运动 特性 我们对其进行运动的仿真 通过对比选择了使用 PROE 以达到运动仿真 系统通过接受信号控制电机的转动 再通过减速机构 从而使车灯系统能转动 机械部分总体建模如下图 5 2 27 图5 2 机械总体建模 内支架建模 图5 3 内支架建模 外支架建模 28 图5 4 外支架建模 5 4 本章小结 本章首先详细描述用 Keil C51 对软件进行调试的过程以及其方法 通过输入 不同的数据对系统进行调试 以确定本设计方案的正确性 其后通过 PROE 建模 并通过 PROE 对其进行运动仿真 本章工作内容使得硬件部分能通过机械结构和 软件算法实现系统的功能 通过 PROE 的运动仿真 能更加深入的了解其运动特 性 29 结结 论论 汽车自适应照明系统目前正处于迅速发展时期 国内研究尚处于起步阶段 基础理论还不完善 这给研究工作带来很大的机遇和挑战 本论文针对传统汽车 照明系统光型单一 无法进行故障预知 安全系数不高的背景 整合了全车灯光 系统 设计了一种自适应的照明系统 以最简单的方式实现了汽车的低成本 智 能化照明 课题的研究开发工作经过两个月的不懈努力取得突破性进展 现将所完成的 主要工作总结如下 1 系统总体设计方案是正确 可行的 创造性的整合了全车灯光系统 通 过机电一体化技术实现了汽车照明系统的智能化 2 课题设计的灯光控制系统实现了原定的功能要求 且具有较强的抗干扰 能力和故障自诊断能力 能够保证驾驶过程的安全 舒适 3 采用模块化方法进行了系统的软硬件开发 从原理图 PCB设计到各种传 感器的选择 器件采购 软件设计 调试 获得了宝贵的实践经验 4 硬件电路采用的元器件经过多方面的选折比较 能够完成系统功能要求 在市场上又容易采购 价格合理 具有良好的性价比 为今后的系统功能扩展打 下基础 5 软件设计在完成基本功能的基础上 尽量做到程序的优化 30 参考文献参考文献 1 世界汽车发展大事记 J 湖南现代道路交通 2002 3 28 30 2 2009年下半年全国道路交通情况 2010 1 20 3 2009年全国道路交通事故统计数据情况 2010 2 23 4 2010年全国道路交通安全形势总体平稳 2011 1 27 5 徐大伟 世界汽车安全性技术法规与标准研究 D 武汉 武汉理工大学 2007 6 D Decker C Schmidt Adaptive Systems for Motor Vehicle Front Steps and Future SAE World Congress 2005 It USA Detroit Michigan 7 H Shadeed J Wallschek Concept of an Intelligent Adaptive Vehicle Front Lighting Assistant System Proceeding of the 2007 IEEE Intelligent Vehicle Symposium 2007 C Turkey Istanbul 8 郑乃金 智能灯光系统的发展 功能及技术动向 J 世界汽车 1996 6 18 22 9 雷雨海 前照灯智能话控制 J 交通科技与经济 2004 5 42 43 10 魏春园 等译 汽车电气与电子 M 北京 北京理工大学出版社 2004 11 戎辉 龚进峰 等 AFS系统关键技术研究 J 汽车电器 2008 5 15 一18 12 谢明志 主动式灯头控制系统之研究 D 台湾 大叶大学 2003 13 戎辉 龚进峰 等 自适应前照灯运动学建模及系统开发 J 汽车工程 2008 12 30 1079 1082 14 李礼夫 邓前 汽车自适应前照灯转弯模式的数学模型研究 设计 计算 研 究 2010 10 43 45 15 谭浩强 C 程序设计 第三版 清华大学出版社 2005 1 376 31 致致 谢谢 本论文是在导师任德志老师的悉心指导下完成的 两个多月来 老师渊博的 专业知识 严谨的治学态度和平易近人的气质 给我以深深的教诲和启迪 是我 今后学习和工作的榜样 同时 老师还在生活上对我无微不至的关怀 并给予良 好的学习环境和科研条件 使我能够全身心的投入到学习和工作中 感谢我的父 母和家人对我的学业一贯的支持与关心 是他们在背后默默地为我提供了物质保 障和不断进取的精神动力 让我顺利的完成学业 感谢教研室各位同学的关心和 帮助 感谢你们在学业上不断给予我的支持和帮助 同时也感谢曾经无私帮助过 我的其他老师和同学 限于本人水平 在论文中还存在许多缺陷和不足 真诚希望各位老师对本论 文提出宝贵意见 河南科技大学毕业设计 论文 32 附附 录录 附附 录录 1 原理图原理图 河南科技大学毕业设计 论文 33 附附 录录 2 PCB 河南科技大学毕业设计 论文 34 附附 录录 3 实物图实物图 河南科技大学毕业设计 论文 35 附附 录录 4 程序代码程序代码 include include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int include dianji h include tuoluoyi h include ad h uint jiaodu 0 uchar bz 0 uchar add 0 uchar bza1 0 uchar bza2 0 主程序 void main uchar devid P1 0X00 delay 500 上电延时 InitLcd 液晶初始化 ADXL345 Init ADXL345 初始化 ADXL345 devid Single Read ADXL345 0X00 读出的数据为 0XE5 表示正确 add Read AD 0 if add 127 bza2 1 while 1 河南科技大学毕业设计 论文 36 初始化 ADXL345 Init ADXL345 连续读出数据 存储在 BUF 中 Multiple read ADXL345 读取 xyz display x display y display z delay 200 延时 0 到 20 20 到 40 40 到 60 if jiaodu1 190 motor ffw bz 1 if jiaodu1 390 motor ffw bz 2 if jiaodu1 590 motor ffw bz 3 if jiaodu1190 motor ffw bz 5 if jiaodu1 390 motor ffw bz 6 if jiaodu1 590 motor ffw bz 7 if jiaodu1 55 K 2 motor ffw K 2 motor ffw K 2 motor ffw add Read AD 0 if add 127 bza2 0 河南科技大学毕业设计 论文 37 if bza1 1 bza1 0 K 1 motor ffw2 if bza1 2 bza1 0 K 2 motor ffw2 sbit I2C SDA P2 7 数据线 sbit I2C SCK P2 3 时钟线 define uchar unsigned char define uint unsigned int void Delay 10 uS void char i 10 while i 启动 SCL 为高 SDA 由高变为低