【《基于STM32单片机的汽车前照灯智能控制系统设计与调试研究》10000字（论文）】

基于STM32单片机的汽车前照灯智能控制系统设计与调试研究摘要汽车前照灯智能控制系统，主要是通过微控制器作为主要的控制系统来控制所要实现的其它功能模块，其中包括，远近光切换，左右转向灯智能开启，雷达测距模块，通过IO口连接单片机，测距模块将采集到的信息，传到单片机，再由单片机控制前照灯做出相应的反应，从而实现对汽车前照灯的智能控制。灯光开启的前提是通过光敏元件的对外界光强的采集决定是否需要开启前照灯。主要目的是为了夜间行驶保证安全驾驶，确保灯光的不会对其它车辆造成影响。使之具有自动开启近光灯、会车的时候调节灯光、转向灯智能打开等的功能。其中主控使用的是STM32F103C8T6单片机，其处理速度快、运算性能强大、下载速度快以及使用方法简单。关键词：STM32F103C8T6单片机；微控制器；前照灯智能开启；智能控制系统目录摘要： 汽车前照灯智能控制系统的总体方案设计2.1系统的总体构成2.1.1汽车前照灯智能控制系统的总体组成图2-1系统总体组成2.2汽车前照灯智能控制系统的基本工作原理根据光敏传感器感应实时的光照强度，雷达测距测出与前车相距的距离，判断是否超过了安全距离来判断是否需要切换远近光灯，通过角度传感器测量是否发生转动，再利用处理电路将这些检测出来的信号转化为电信号，将电信号通过串口的I/O口送入的单片机，通过主控制器对信号进行比较和处理，从而开启相应的程序，决定远近光是否需要切换左右转向灯是否需要开启，各个模块之间需要相互配合，通过其它模块的反馈来调节其它模块做出响应.最终通过整体的设计实现了对于汽车前照灯的智能控制。采用的软件AltiumDesigner,来设计电路的原理图，通过所要实现的功能对原理图进行的设计，将整个布局合理分配，再对原理进行完善修改，然后完成PCB封装，设计好最后要用到的电路板。编写程序时主要用到的语言是C语言，C语言程序的特点是通俗易懂和可移植性高，还会用到烧录程序的软件KeiluVision5,通过这一软件来设计程序以及将写好的程序下载到单片机中，通过程序来控制各个模块来做出相应的动作。从而实现整体的设计。2.3汽车前照灯智能控制系统的基本功能根据整体的设计方案和所要求的基本功能，来实现汽车前照灯的智能控制系统的以下几个功能：第一，首先前照灯智能控制系统的实现主要是为了解决光线较暗的时候行车的灯光问题，在黑暗环境中有作用，有时在白天的时候也会遇到光线较暗的情况，例如，在比较黑暗的阴雨天，或者在隧道行车的时候时，照明条件较差的环境下驾驶员观察道路时以及夜间开车时也会有不能看清道路的情况出现的，当环境的光亮的强度达到光敏传感器工作的条件时，汽车会自动开启近光灯，当离开光线较暗的地方的时候，近光灯就会自动关闭。第二，夜间会车前照灯自动控制远、近光灯自动切换。根据两车会车的最小相距距离，来设定打开近光灯的条件，当大于这一距离时，通过测距模块将测好的距离发送到单片机，通过单片机启动相关的程序，来控制远光灯的开启，在行驶过程中，随着两车的间距不断地缩短，则会小于最小的安全距离，这是通过测距模块测得距离，将信号传到单片机，来启动相关程序，来控制切换到近光灯，当两车会车结束时，由于两车的距离不断地拉大，汽车的前照灯智能控制系统又会重新恢复到远光灯，这样的汽车前照灯的远、近光灯切换，使得驾驶员不会因为对向来车的灯光对其造成炫目，看清路况从而减少了由于灯光问题造成的交通安全事故。第三，前照灯智能控制系统自动开启左、右转向灯。在车辆行驶到需要转弯的弯道，必须打转向灯告知在路口或者主路的车辆，此车将会转弯，请其它的行驶的车辆注意。但是有时人们总会不注意去打开自己的转向灯，从而使得其它车辆错误判断。左、右转向灯的智能控制系统实现主要通过角度传感器以及舵机来实现的，主要通过舵机来模拟方向盘的转动，使得车辆发生角度变化，模拟转弯时的状态，将将收集到的转过幅度的数据信号通过传感器电路转化为微小的电信号，传输到单片机，启动相应的程序控制左右转向灯打开。在晚上开车的时候，在进入转弯道路时，自动打开转向灯提醒路口来车，这样由此可以实现智能控制左、右转向灯。第四，汽车前照灯智能控制系统的实现，测距模块的实现尤为重要,超声波测距是我们在测距时比较常用的方法，它的原理基于我们所学的回声的原理，产生声波信号的发生器向前方发射信号，从发射的那一瞬间开始计时，在以空气为介质的介质中传播，途中信号碰到其它车辆就立即被反射回，信号的接收装置收到反射的信号时，就会马上停止计时。超声波异常性强，中间距离分布长，因此常采用超声波来测量距离，而超声波检测的使用往往比较快、方便、准确、容易实现。主要用于前照灯在远光灯和近光灯之间切换。第五，人体红外报警模块，当有行人经过时车辆会自动发出报警信号，这时的声音会告诉我们前方有人正在通过道路，让我们集中注意力降低车速，并且也可以停下车来等待他们通过。主要用到人体红外传感器，通常是在外界环境中收集来自人体发出的热辐射，由传感器将这些信息收集到然后给到主要的处理的电路之中，将它转化为微电信号然后再经过电路检测处理后，然后控制蜂鸣器发出报警输出，通过这种方式来实现有人经过时报警。2.4本章小结本章介绍了汽车前照灯智能控制系统的总体方案的设计。在满足设计的各项的要求和想要实现的基本功能的前提下构建了前照灯智能控制系统的总体框架，并且介绍了本次研究的智能控制系统的基本工作原理以及功能，为整个前照灯智能控制系统的应用与研究提供了一个基本的研究范围。汽车前照灯智能控制系统的硬件设计3.1汽车前照灯智能控制系统的硬件总体设计本系统基于意法半导体公司推出的基于Cortex-M3内核的32位微控制STM32F103CT86单片机设计了汽车前照灯智能控制系统，系统硬件设计的总体框图如图3-1所示。图3-1系统硬件总体框图图3-2系统硬件原理图3.2汽车前照灯智能控制系统主控制器的选择本次前照灯智能控制系统的主控制选用STM32F103CT86单片机，其内部结构如图3-2所示图3-3STM32F103CT86的内部结构STM32F103CT86的内核采用的是Cortex-M3内核的32位微控制器，硬件采用LQFP48封装，拥有37个GPIO，分别为PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1，还有2个12bitADC合计12路通道ADC_Channel_16和内部参考电压通道ADC_Channel_17，内部时钟8MHz时钟HIS最高倍频到64MHz，外部8MHz时钟HSE最高可倍频到72MHz，可在系统编程（ISP）。3.3汽车前照灯智能控制系统的各个模块设计3.3.1光照状态检测光敏传感器是用于收集外界的光照强度信号数据的一种装置，也可以将所收集到的信号转化为其它的信号的形式，例如电信号。光敏电阻的阻值取决于根据光强的变化，即照射光越强，电阻的导电性能越好，入射光越弱，电阻的导电性能越不好。它可以收集光的强度光影变化，输出小的电信号，并通过特定的简单而简单的电路结构进行放大，以控制灯具的自动切换。通过对于外界的光照的强度的感知，控制灯光对于外界的适应性比较强，通过敏感电阻对于外界环境的自适应变化，改变电流强度来控制电路的通断。图3-4光敏电阻光照强度越大，光敏电阻的对电流的导通性越好，电阻越小。相反，光强度越弱，光敏电阻的对电流的导通性越不好，电阻越大，这次项目的智能控制系统中的光敏电阻采用MG45型号光敏电阻，它的主要性能参数如表3-1所示。表3-1MG45光敏电阻的主要参数在开车时，利用光敏电阻收集周围环境的光强信息转换成微弱的电信号送到放大器进行放大，通过与设定值比较，把采集到的电压与阈值进行比较，送进单片机I/O的Pin12，由主控制器判断处理，当光照强度较弱时，打开近光灯；当光照强度较强时，关闭近光灯。3.3.2转向灯的设计当汽车在行驶过程中，在转弯过程中，MPU-6050可以快速的追踪慢动作，当转弯的过程中，陀螺仪的原理主要用来模拟汽车的左右旋转。在不受外力影响的情况下，旋转物体的轴线所指示的方向不会改变其运动状态。因此，我们可以根据这一原理控制方向，通过各种方法计算读数方向，并将数据信号传输到控制系统。当汽车开始转弯时，我们会通过旋转方向盘来改变汽车的状态，当向左旋转方向盘时，车辆的姿态偏左，由传感器检测车辆偏转的角度，将角度偏转的状态信号传给单片机，当车头左偏转角度为45度时，单片机控制灯开启左转向灯，当车头右偏转角度为45度时，单片机控制开启右转向灯。3.3.3远近光灯设计在前照灯的设计中通常采用的是发光二极管，但是这样无法控制灯的打开，无法通过单片机对于二极管进行控制，通常会采用一些中间的控制器，这里我们通常采用的是继电器，可以通过单片机控制继电器作为开关来控制灯的开关，主要用到的是三极管构成的放大器来驱动电路工作。规定当输出为高电平时，二极管和三极管都处于截止状态；当输出为低电平时，二极管和三极管都处于导通状态，单片机输出高电平，则前照灯关闭；则单片机输出低电平，则前照灯开启。主要通过控制继电器开关。夜间会车时远近光切换主要配合的是超声波测距模块，通过测距的模块，测量与对象来车的距离，来控制灯光的切换，当与车辆进行会车时，测距模块，主要是用到超声波的原理。通过发射超声波，如果前方有车辆的话会有声波返回，通过返回的时间，以及声音在空气中传播的速度，从而达到测距的效果。如果测量的距离超过20cm，则打开远光灯，如果测量的距离少于20cm，则打开近光灯。3.3.4超声波模块的设计超声波测距主要的原理来自于仿生学，来自人们对于自然界的观察，观察蝙蝠的测距的原理，通过发出低频的超声波信号，可以准确的判断猎物的位置，从而可以准确的捕猎，而这一原理用到汽车中通过汽车发射超声波，途中遇到障碍物时，就会将信号反射回来，通过超声波一来一回的时间差来，还有根据超声波在空气中的传播速度来计算距离的长短，更加的精确且简单易操作。图3-5超声波模块当车辆发生会车时，在超声波传感器中的压电式传感器，利用电致伸缩现象而制。发出超声波，当遇到所会车的车辆时，超声波信号会停止这时发射放会接收到前方有车辆的信号，根据声波传播的时间以及声波在空气中的传播速度，从而达到测距的目的。3.3.5人体红外报警系统的设计主要由红色的发光二极管与红外传感器构成，主要的原理利用采集人体发出的红外辐射信号，将信号通过串口发送到单片机，单片机控制红外模块动作，并且发出警报，它的范围较小，主要是预防行人，当有行人经过时，行人会将发出的红外线挡住，以这一方式来控制报警。当夜间行车时有由于人的视线和视野盲区较大有行人通过时，会无法及时发现，红外报警系统，当有行人出现在车辆前时将红外对管阻挡便会给车辆发送回一个前方有行人的信号，从而蜂鸣器会发出警告。图3-6人体红外3.4前照灯智能控制系统的电源设计汽车前照灯智能控制系统的电源是非常重要的是由单片机以及变压模块组成，其中电源主要用的电池供电，220V电源将电池转换为输出为5V的电源，以单片机作为主要组件，利用电源适配器以及变压器共同共同构成电源处理电路系统。在这次的实验设计中主要用到5V和3.3V的电压，通过电源适配器来转换。图3-7电源模块3.5本章小结本章对整个电路的总体硬件设计进行了介绍。将电路中所用的单片机加以描述，对每一所要实现的功能的模块进行了详细的介绍，以及各类传感器应用的条件，各类参数的设定，电源模块的设计。汽车前照灯智能控制系统的软件设计当我们在进行一个项目的设计时，我们首先会通过绘制原理图去把握整个项目的电路结构，然后设计出完整的硬件结构，相当于我们在建设房屋时需要先画图纸，并且筑好地基搭好框架，一个简单明了的硬件设计，也必须有细致的软件设计，软件设计代表着系统的实现功能的基本逻辑，串联整个系统，使得整个系统可以有秩序的运行，实现预期的功能，软件的设计应当精密可靠、可及时修改、程序易读、不易发生错误、稳定。我们学习过了解过的编程语言较多，其中主要对C语言有过比较深的理解，可以比较熟练的去编写程序并且调试成功，且C语言的语法结构简单，逻辑、函数等简单易学，而且C语言主要是面向过程的语言，我们可以围绕我们需要实现的事件，一步一步的实现。为了可以将程序烧录到单片机中去以控制系统的运行，我们通常会利用Keil5的软件，可以直接利用C语言在在这个软件中去编写，集成的环境较好，对于软件设计提供了很大的便利。4.1汽车前照灯智能控制系统主程序设计要想实现汽车前照灯自动化控制的系统的功能，软件设计中主程序的编写是最主要的，这是因为主程序包含着可以调控全局的基本的逻辑功能，程序能否有序的运行，取决于主程序的逻辑功能能否合理的调配各个模块，根据我们需要实现的一些的功能，可以分为以下几个部分：主程序模块、夜间开灯模块、夜间会车切换远近光灯模块、左右转向灯开启模块、超声波测距模块、人体红外报警模块共有六个模块。首先，我们已经明确了所要实现的功能并且将所用到的元器件设定好相应的参数，设定好各个模块的变量参数，对其进行初始化。汽车前照灯智能控制系统的主程序框图如图4-1所示。图4-1系统主程序框图4.2汽车前照灯智能控制系统的子程序设计4.2.1汽车前照灯智能开启的子程序在晚上的时候，以及在通过一小段的光线较暗的环境中去，我通常需要去打开灯光以便于我们能够去看清楚前面的道路，这里工作的主要的元器件是光敏电阻模块，实现这一功能的时候必须要先设定好一个临界值，将从外界收集好的光照强度的数据，在信号处理电路中与设定好的值进行比较。如果小于设定值，这个时候输出低电平，电路导通，再由单片机控制前照灯开关打开，实现开灯；如果大于设定值，这个时候输出高电平，电路不导通，在由单片机控制前照灯关闭。汽车前照灯智能开启子程序框图如图4-2所示。图4-2汽车前照灯智能开启子程序框图4.2.2汽车会车时的远近光灯切换的子程序当我们在夜晚开车时，总会遇到会车的情况，会车时自动切换灯光的功能是非常重要的，主要通过测量两车的间距是否超过安全距离以及是否小于安全距离，来控制打开近光灯还是远光灯，与暗时开灯的原理一样，也需要设定好安全距离，通过将收集到的数据与之比较。如果小于设定值，则处理电路输出为低电平，则单片机控制打开近光灯；如果大于设定值，则处理电路输出高电平，则单片机控制打开远光灯。汽车会车时远近光灯切换的子程序框图如图4-3所示。图4-3汽车会车时远近光灯切换的子程序框图4.2.3汽车左右转向灯的智能控制子程序当我们在开车的时候，除了会遇到会车的情况，还会遇到路口需要转弯的时候，会旋转方向盘来转弯，这个时候能够通过收集方向盘转过的角度以及车身的转动角度，将数据给到处理电路与设定值比较，通过单片机控制转向灯开关。通过感应汽车方向盘的转动角度。当方向盘的角度超过10度时，则信号处理电路输出信号，将输入信号输入到单片机中，由单片机控制继电器开启灯光，并且规定左转为正角度，右转为负角度。依此来判断左、右转向灯的开启。汽车左右转向灯的智能控制子程序框图如图4-4所示。图4-4汽车左右转向灯的智能控制子程序框图4.2.4超声波测距模块子程序汽车通过超声波传感器发射超声波信号，当信号遇到前方车辆时，超声波信号会被反射回来，信号由传感器电路处理，将输入信号发送到单片机中，经过一系列的运算之后得到两车的间距，测距主要用到超声波在空气中的传播速度。测距模块的子程序框图如图4-5所示。图4-5测距模块的子程序框图4.2.5红外报警系统子程序在夜间行车时，当遇到前方有行人时，人体会发出辐射信号，传感器将采集的信号，送到处理电路中，电路将处理后的信号，传到单片机，从而单片机控制蜂鸣器发出警报。红外报警模块子程序框图如图4-6所示。图4-6红外报警模块子程序框图4.3本章小结本章设计了整个系统的主程序框图、汽车前照灯智能开启的子程序、汽车会车时的远近光灯切换的子程序、汽车左右转向灯的智能控制子程序、超声波测距模块子程序、红外报警系统子程序，汽车前照灯智能控制系统的软件设计的需求。汽车前照灯智能控制系统的调试5.1汽车前照灯开启的调试图5-1.1汽车处于较亮环境图5-1.2汽车处于较暗环境通过遮挡光敏电阻模块来模拟较暗环境5.2汽车会车时远近光灯切换的调试图5-2.1汽车会车时图5-2.2汽车没有会车5.3汽车驶入弯道时左右转向灯的开启的调试图5-3.1汽车左转的模拟图5-3.2汽车右转的模拟图5-3.3汽车直行时的模拟5.4红外报警模块的调试图5-4.1车辆前方有行人图5-4.2车辆前方无行人5.5本章小结本章对于汽车前照灯智能控制系统进行了调试，主要有汽车前照灯开启的调试、汽车会车时远近光灯切换的调试、汽车驶入弯道时左右转向灯的开启的调试、红外报警模块的调试，通过一系列的调试，最终实现了汽车前照灯智能控制系统。结论与展望随着科技的发展，汽车工业也随之发生了巨大的变化，现代的科技融入了汽车工业之中，电子技术与汽车行业进行了深度融合，推动了汽车制造业的发展与进步，汽车电子化的程度逐步成为衡量汽车现代化的重要标志。通过对汽车前照灯的智能控制系统的设计，能够简化驾驶员的操作流程，降低开车过程中的发生危险的系数，从而减低因切换前照灯的问题而引发的交通事故，保证我们在开车时的安全性。总结归纳本文做了如下工作：第一，研究了当前国内以及国际上的研究的现状，以及未来的发展前景以及现阶段的研究探索现状。第二，本次项目用到的各个各样的元件，设计了汽车前照灯智能控制系统的总体设计方案。第三，汽车前照灯智能控制系统中的硬件进行了设计，主要包括主控制器、远近光灯模块、左右转向灯模块、超声波测距模块、红外报警模块以及电源模块设计。第四，汽车前照灯智能控制系统的软件进行了分析和设计，给出了系统的所有的程序框图。汽车前照灯智能控制系统的设计，对于我们在黑暗的环境中开车有着重要的作用，所以必须保证它的可靠性。此项研究仍然存在许多的不足与可以改进的地方：硬件和软件的设计还有待完善和优化，左右转向灯的设计不够完善，不够准确，当我们在弯道处行车时，转向灯只会在车辆发生转完之后才会亮起，起到的警示作用很有限，远近光灯切换的安全距离不够精确。第二，在实际情况下会车时，对象来车可能不会及时切换近光灯，我方车辆可以通过远近光灯闪烁切换来提醒对方切换近光灯。在恶劣天气下，如在大雾中行驶车辆时，看不清车辆周围的情况，可以打开雾灯。在今后的研究中，应根据汽车前照灯的智能控制系统的实际发展需求和最新发展趋势，对于现代的制造业进行功能的更新和拓展，让人们的出行更加安全，让出行更加智能化。参考文献[1]孙晓红.汽车前照灯模糊智能驱动控制策略于系统设计研究[D].扬州：扬州大学，2018.[2]李超.主动安全的汽车前照灯自适应控制系统研究[D].贵州：贵州师范大学，2018.[3]翟羽佳等.基于STM32F103单片机的汽车前照灯智能控制系统的设计与实现[J].科技与创新，2019，07(1):54-55.[4]朱丹等.汽车前照灯自适应系统的控制研究设计[J].电子设计工程，2020，28（21）：125-126.[5]赵蕾等.汽车灯光智能控制系统的设计与实现[J].电子世界，2019，08（21）：207.[6]杨阿弟等.汽车LED前照灯智能控制系统[J].长春师范大学学报，2018，37（10）：59-60.[7]郭瞻等.汽车智能灯光控制系统的设计与实现[J].计算机产品与流通，2020，19（11）：276.[8]赵永浩.汽车智能前照灯系统的控制方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2017.[9]刘永斌.多种路况下智能前大灯控制系统研究[D].河南：河南科技大学，2018.[10]吴会成