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刹车灯故障提醒电路设计

本科毕业论文（设计）

题目：

刹车灯故障提醒电路设计

学院：

学院

专业：

电子信息与科学技术

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

20年月日

**大学本科毕业论文

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

刹车灯故障提醒电路设计

姓名：

学号：

学校：

学院指导教师：

摘要

随着社会的不断进步与发展，交通工具越来越成为人们生活中不可缺少的部分。

而所有的交通工具说到底都是速度的控制问题，通过对速度的控制达到了走走停停的目的，所以这就关系到刹车的问题。

因而作为传达刹车信号的刹车灯在交通行驶的作用显得犹其重要。

本设计主要侧重于对刹车灯的检测，通过相关硬件设计从而达到对刹车灯是否存在故障做出判断，经相关电路的传输显示,给于驾驶员准确的信息提示，从而起到防止汽车追尾的作用。

本设计具有实时状态提醒、检测人性化、实用性等优点。

有了这个电路的存在，驾驶员就可以在不用下车或借助于它物的情况下，就可以知道刹车灯是否发生故障的状况，为驾驭带来方便。

关键词：

刹车灯；光敏三极管；光电转换控制；故障提醒

Automobilebrakinglightsfaultremindingcircuitdesign

Abstract

Withthedevelopingofthesociety,thetraffictoolsarebecomingmoreandmoreessentialinlife.Butthetransportationvehicleistosomedegreethespeedcontrolquestioninthefinalanalysis,thevehiclecanstopsfromtimetotimethroughthecontrolofthespeed,sothisrelatesthebrakingquestion.Thereforethebrakinglampwhichisusedtotransmitthebrakingsignalismostimportantinthetransportationtraveling.Thepaperismainlydesignedtoexaminethebrakinglamp.Throughthedesignofrelatedhardware,itcanmakeajudgmentwhetherthevehiclelampexistsomequestionornot.Then,throughtheelectrictransmission,thedrivercangetaccurateinformation,thusitcanpreventsthetrafficaccident.Thisdesignhasadvantagesofreal-timemeritsandconditionreminder,examinationhumanized,usabilityandsoon.Hadthiselectriccircuit'sexistence,ithasbeenpossibleforthedrivertoknowwhetherthebrakinglampdidhavebreakdownornot.Allthiscanbedonewithoutgettingoutordrawingsupportinotherthings.Thisbroughtconvenienceforthedriving.

Keywords：

Brakelamp;Photosensitivetriode;Electro-opticswitchingcontrol;Breakdownreminder.

第1章刹车故障提醒的研究背景及意义

1.1前言

关于刹车灯故障提醒的设计，因其实用性强、商业空间大所以，近年来研究的人不少。

本设计主要从导致刹车灯故障的原因入手，然后对各种原因进行分析，就可以找到解决刹车灯故障的办法，从而有目的性、针对性的去解决相关问题并作出故障的提醒。

导致刹车灯不出故障而不正常发光或不亮的原因很多，总的来确只有电源和其本身两方面[1]。

因而只要对这两方面进行相关的检测，就可以知道刹车灯是否能够正常工作，当两项指标都正常时，则刹车灯可以正常工作，这

时只要踩下刹车，刹车灯即正常发光，当其中的某一方面出现异常，则刹车灯不亮或发光不正常。

在本设计采用光敏三极管作为光—电转换器，将其从刹车灯处所接收到的光转换成电流，然后经放大电路放大，放大后再接信号提醒装置，从而搞高刹车故障的准确判断和光电转换的控制准确度；另外光敏三极管需放在距车灯较近的主光方向的地方，这样可获取更多的光，此外还需用黑色胶布将三极除了灯光主光

方向除外的其它地方密封，达到避免其它光的干扰的目的；提醒信号可以通过峰鸣器或是发光二极管实现。

目前国内中低档轿车以及各类客、货车等都存在对车灯缺乏监测的问题，特别是安装在车尾的刹车灯损坏不易察觉，给驾驶员造成安全隐患[2]。

对于刹车灯故障的检测大都还停留在原始水平，即采用人工的方法，找一观察者观看刹车灯是否会发光，或者就在光线比较暗的时候，将车尾靠近并正对墙壁，通过观察墙壁的光亮程度结合光学原理从而知道刹车灯是否存在故障。

该方法虽不需要任何附加装置，但是却不够方便灵活，受环境制约大。

车速的提高给汽车的安全监视系统带来了新的挑战，对于灯光信号的要求与越来越高，于是便出现了各种不同的灯光检测报警装置，主要是刹车灯（照明灯、倒车灯、防雾灯）灯光检测器。

现有的灯光检测器有两种类型：

一种是独立设置的灯光检测器，这种灯光检测器是在汽车出厂后加装的，主机需要固定在驾驶室内驾驶员容易查看到的地方。

独立设置的灯光检测器主机安装布置不方便也不美观，并且影响到了车灯工作的可靠性。

另一种是在汽车出厂时作为标准配置已经安装好的，这种报警系统结构复杂，再加上灯光检测传感器是由电磁线圈和舌簧开关组成的，工作可靠度低，而且还存在电磁干扰[3]。

与此同时加拿大多伦多大学研究人员李中海和保罗·密尔格拉姆表示，他们已设计出一种动态刹车灯系统，可使汽车尾灯在紧急刹车时缩小或放大，这种系统将有助于缩短后车驾驶员的反应时间，减少追尾事故的发生。

研究人员发现，在使用新的动态刹车灯系统的情况下，被测试者的反应速度会提高300毫秒至500毫秒[4]。

梅赛德斯一奔驰推出的闪光刹车灯技术正式获得了欧共体相关机构的批准，这项技术将进一步有效防止汽车追尾事故的发生，成为梅赛德斯一奔驰为汽车驾驶全性能做出的又一贡献。

1.2刹车灯故障的研究背景

由于道路交通条件的发展及汽车自身性能的改善提高，在高速公路上行驶的车辆中的“追尾”事故不断发生，此外大型车辆在近距离时驾驶员因难以观察到设置较低的小车常规刹车灯而造成的相撞事故日见增多。

鉴于此为确保行车安全，必须使驾驶员对前面车辆的刹车及减速能够更快地作出反应[5]，这对于汽车的要求就是要使汽车的刹车信号更加明显更加醒目。

本设计出发点是基于现代驾驶的需要：

由于刹车灯在汽车驾驶中，存在着传递交通信息的重要作用，所以为了不至于在汽车行驶时，刹车灯的亮、灭不正常从而致使错误驾驶发生错误判断，导致交通事故的发生。

刹车灯的检测为安全行驶提供了保障。

此外本设计还具有实进状态提醒、检测方便人性化、实用性强等优点：

将该装置安装在汽车上后，驾驶员可以通过显示电路装置，知道当前状态下刹车灯是否正常发亮或熄灭，放心的行驶。

同时司机可以坐在驾驶室实现对刹车灯的检察，不像传统的检测一样需要下车或者他人，才能实现检测。

除了可用刹车灯的检测，外还可以用前照灯、转弯灯等的检测，路灯监控管理等。

1.3刹车灯故障的必要性

1.3.1刹车灯的作用

刹车灯作为汽车身体的一部分，虽然对于汽车的车身而言，刹车灯所占的体积是那么的小，但是却也有其十分重要不可取代的作用。

通常刹车灯被安装在车辆的尾部，主体颜色为红色的灯，以便于其后面行驶的车辆易于发现前方车辆的刹车，从而达到防止追尾事故发生的目的[6]。

试想汽车匆匆行驶的车流中，如果各车辆的及时信息不能得到相应的表达和传递，那将会造成什么后果是难以想象的。

因此对刹车的故障问题做检测就成为一件势在必行的重要工作，如果少了这一环节，那么驾驶员就无法获取正确的交通信息，进而造成追尾事件。

在当前的追尾事件中，虽然导致其发生的原因有很多，但是你只要去用心去总结就不难发现，在诸多因素中，其罪魁祸首当属刹车灯故障。

因为刹车灯的亮灭不正常，使得后面的驾驶员无法获得正却的信息，进而不能做相关的正确反应，才导致一桩桩的交通追究尾事件在我们的身边上演。

通常简单的车型就是电源通过保险，然后到刹车开关，踩下制动踏板进行刹车时，开关联通，电被送到两个刹车灯和一个高位刹车灯那里，通过负线与车体连接构成回路。

1.3.2刹车灯的分类

汽车刹车灯，按位置分，分为3种：

汽车尾部的刹车灯、汽车仪表盘上的刹车灯（即刹车指示灯）、高位刹车灯。

按使用材料来分，分为2种：

气体汽车刹车灯、LED汽车刹车灯。

尾部刹车灯是指安装在，汽车尾部的刹车灯，其作用是提醒后面的车辆注意减速，保持适当的车距；高位刹车灯的作用就是对常规刹车灯（安装于汽车尾部的保险杠上）信号的加强，使后面汽车的驾驶员能够更清楚明显地看到前面汽车的刹车信号；仪表盘上的刹车灯，则是提醒驾驶员自己，当前是否处于刹车状态。

1.3.3高位刹车灯的特点

高位刹车灯的安装位置。

一般在汽车后窗上部或下部的中央，或在后行李箱盖顶部的中央，所以又称中央高位刹车灯。

理想的高位刹车灯应具有如下特点：

（1）高的发光强度和合理的分布

为了使后方驾驶员能清晰地看到前方车辆的刹车信号，高位刹车灯在基准轴线上的红色发光强度及各方向上的光强分布必须满足一定的要求，技术部门对此作有详细规定。

（2）快的发光上升前沿时间

从刹车动作开始，到光源的发光强度从零增加到最大值的90％所用的时间称光源的发光上升前沿[7]。

显见，这一时间越短后方驾驶员接收到信号越早，采取相应措施也越及时。

另外．人眼的响应时问还与发光体的面积和强度有关：

发光强度越高，发光面积越大，人眼的响应时间越快。

（3）长寿命、低能耗。

（4）开关耐久性强。

（5）抗振动冲击。

1.3.4常见的汽车高位刹车灯的底坐型号

图1-1W5W高位刹车灯图1-2W16W高位刹车灯

（1）W5W，也可称为直插或扁插，功率是5W，灯泡直径是10.29mm，灯头型号是W2.1×9.5d。

（2）W16W，也可称为直插或扁插，功率是16W，灯泡直径是15.2mm，灯头型号是W2.1×9.5d。

W5W和W16W的最大区别就是灯泡的直径不一样，还有就是功率。

第2章总体方案设计

2.1设计方案的选择

汽车故障提醒电路设计的关键在于，刹车灯是否能正发光的检测。

除了电路故障导致电压过低度外，还有可能是灯泡本身存在问题，常见的方法有：

方案一：

从刹车灯的正负极分别接出两条线，然后将其连接于一个万用表的两端，观察其电压、电流变化，再根据刹车灯的相关参数与所测量的数据作比较，从而得出相应的判断。

方案二：

用一个采样电阻，将采集到的刹车灯的电流信号转换成电压信号，经差分放大后得到单片机可以接收的电压差绝对信号，再经A／D转换，单片机将根据输入数字值进行比较[8]，判断车灯是否损坏，从而达到故障检测的目的。

方案三：

用光敏三极管将光信号转换成电信号，经过差分放大，逻辑判断，然后经单片机输出提醒信号。

方案一思路简单、清晰明了，但却有一个不足之处，漏掉了因灯泡自身的损坏等原因，而导致判断失误，另外测量工具的误差也会造成判断不准。

只能适合简单的，要求不高的场合，但对于汽车行驶，却满足了要求；方案二其工作程序繁复，精准较方案一要准，但同样存在一个不足，忽略了灯泡因素这一问题；所以本设计选择方案三，该方案繁简适中，而且考虑周全，既考虑到了外在的表面现象，同时还考虑到了内在的电路故障的问题。

从电路到灯泡整个过程只有任何一个环境出现了问题，都可以对刹车是否正常发光做出正确的判断。

2.2汽车灯光检测存在的问题

刹车灯故障与否，最根本的问题就是刹车灯是否能正常发光。

关于这问题，在本设计中采用的是，利用光敏三极管的光电效应，将光信号转换成电信号接入电路中，观察电路能否正常工作。

由于灯光检测是整个系统中，最关键的环节，因而对于该环节必须控制好每一个细节问题。

2.2.1灯光检测可能存在的问题

灯光检测的中存在的问题主要来自电流强度不够、灯泡的发光情况、光敏三极管的性能和光源[9]等问题。

（1）电流强度问题

由于驱动灯光的乌丝发光时，需要达到一定的电流强度才可以视实现，反之如果电流过小，那么灯光就可能不发光或者光线强度太暗不够明亮。

另外如果电流太大的话，会使乌丝熔化，导致灯泡的损坏而无法发光，所以电流不宜过大也不宜过小，要严格按照灯泡的相关标准规定，匹配相应的电压和电流。

（2）灯光的问题

由于不同类型的灯泡制作工艺、材料和环境各不一致，所以也就有着它们的不同的标准，对电压与电流的要求也不相同。

有的灯泡的额定电流较大，而有的则要求较小的额定电流，总之当使用的灯泡有什么变化时，所对应的电流与电压应作相应的改变，务必使灯泡在安全工作的额定功率内处于，光照最强状态[10]。

因为在信号转换时总会存在损耗现象，为了使信号后不致于太小，所以保证灯泡的正常工作是必须的。

（3）光敏三极管的问题

由于光电三极管也是晶体管中的一种，所以除了受光照强度的影响外，同时还会受到时温度的影响。

当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。

因此其输出的电流也会随之而起变化。

另外随温度的升高，光敏三极管的明电流与暗电流均呈非线性升高[11]的趋势，所以在使用时除了应把握控制光照强度外，还应控制好相应的温度。

与光敏二极管相比，光敏晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。

但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。

（4）光源问题

发生在光源这一环节的问题有很多，如光束照射位置调整不当、灯泡的发光强度达不到标准要求、光柱中心位置确定不准[12]等。

如当灯泡位置发生偏移，或者灯座不正时，都会对所发出的光束造成一定的影响，可能会使主光束照射不到光敏三极管的相应的位置。

灯泡的光照强度不够时，也会对检测结果造成不良影响。

灯罩外壳有污垢、老化或破裂等明显缺陷：

刹车灯灯泡老化；刹车灯线路接触不良等原因将引起汽车前照灯灯光发光强度达

不到要求。

光柱中心位置确定不准，主要表现为灯泡与光敏三极管的距离放置不当，距离过在或过小都会对检测结果造成负面影响。

此外其它的外来光源，也会对检测造成一定的影响。

这些光包括自然光和其它灯光所发出来的光，因为我们没有对这些光作相应的强度控制，所以必须排除它们所带来的干扰。

（5）其它问题

除了上述因素外，在机械制作加工可能产生不可避免的误差，它的存在直接导致后续许多工作的精确度不够。

另外在操作时也会造成一定的误差，因为误差随时随地的都存在，所以怎样尽可能地减小误差，也是必须考虑的问题。

2.2.2问题解决方案

对于检测中存在的种种问题，首先应该要做的就是按照规范要求，进行相关操作。

如灯泡的使用必须要使其在额定电流范围内工作，同时应尽可能地使其光照强度最大。

由于光敏三极管对光照比较敏感，当光照强度不够时，效果很差，所以当满足了温度等条件时，还应尽可能地增在大光照的强度。

除此之外还应阻止其它外来光源的干扰，在实际应用中当固定好了灯泡与光敏三极管的距离后，应用黑色的不透光的胶布将除了主光束外的其它地方密封[13]，这样可能保证光源的单一性，以便于不受其它干扰光的影响。

第3章硬件设计

本设计的硬件系统主要由信号采集、单片机和提醒系统三部分组成。

各个都有着自己相应的功能，将这些功能整合在一起，从而组成了整个系统—刹车灯故障提醒电路系统。

其系统框图如下：

3.1信号采集部分

信号采集系统如图3-2，本部分主要有三大功能，分别为光电转换功能、信号放大功能和对输出信号的控制功能。

它们分别由元器件OPTOCOUPLER-NPN、Q2和Q1完成，其中元器件OPTOCOUPLER-NPN包含了刹车灯和起光电转换作用的光敏三极管两部分，Q2和Q1则分别为NPN三极管和PNP三极管，其中Q2起放大作用，Q1则起一个开关作用。

K1表示刹车，B1为电源，R1控制放大倍数，R2则和Q1一起控制输出信号。

当R1和R2两者中任何一个发生变化时都会引发，Q1端的输出信号的变化，当R1或R2中一个变大而另一个保持不变或两者都变大时，输出信号也会随之相应的变大。

为了使输出端的信号尽可能地接近数字电路的电压信号要求（+5V），所以R1、R2应取值分别为100欧与10千欧。

图3-2信号采集部分电路图

3.1.1三极管的功能与特性

晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电，故称为双极型晶体管，又称半导体晶体管，简称晶体管。

晶体管是硅片上参杂而制成的，拥有两个P-N结，所以常用的晶体管有PNP型和NPN型两种。

它们的电路符号如图3-3所示。

图3-3两种型号的在极管符号

三极管的基本作用是放大，为了达到此要求应满足三极管的发射结正向偏置，集电结反偏。

通常有共射、共集和共基三种连接方法。

其中共射电路既可以放在电流，又可以放大电压；共集电路只放大电流，而不能放大电压；共基电路则是只能放大电压，不能放大电流。

三极管的特性主要体现在，它有三个不同的工作区，截止区、放大区和饱和区，放大与饱和又可以看作是一种类型即导通。

所以又可以说三极管的特性具有两种状态，导通和截止，因而这种状态又被称为开关状态。

表3-1三极管特性表

工作区

UCE与Uon的关系

UCE与UBE的关系

特征

截止区

UCE≤Uon

UCE>UBE

发射结电压小于开启电压且集电偏

放大区

UCE>Uon

UCE≥UBE

发射结正偏且UBE大于发射结电Uon

饱和区

UCE>Uon

UCE

发射结与集电结均处于正向偏置

3.1.2光敏三极管的功能与特性

光电三极管的工作原理分为两个部分：

一是光电转换；二是光电流放大[14]。

工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证发射结正偏，集电结反偏。

光电转换过程在集—基p-n结区内进行，与一般光电二极管相同。

光激发产生的电子—空穴对在反向偏置的p-n结内电场的作用下，电子流向集电极区所收集，而空穴流向基区与正向偏置的发射极的电子流复合，形成基极电流Ib=

基极电流将被集电结放大

倍，与一般的三极管的放大原理一致。

为了改善频率响应，减小体积，提高增益，常将光电二极管、光电三极管或三极管制作在一个硅片上构成集成光电器件。

在本设计中采用的是光敏三极管与发二极管构成的集成光敏器件OPTOCOUPLER-NPN，如图3-4所示。

图3-4集成光敏器件OPTOCOUPLER-NPN

将上述光敏集成器件与三极管相连接在一起就构成了，具有达林顿结构的光敏集成三极管器件，如图3-5所示。

图3-5具有达林顿结构的光敏集成三极管

达林顿管又称复合管，通常由两个三极管组成，以组成一只等效的新的极性只认前面的三极管。

这两个三极管可以是同型号的，也可以是不同型号的；可以是相同功率，也可以是不同功率。

无论怎样组合连接，最后所构成的达林顿三极管的放大倍数都是二者放大倍数乘积。

达林顿管电路连接一般有四种接法：

即NPN+NPN、PNP+PNP、NPN+PNP、PNP+NPN。

在本设计中所采用为NPN+NPN接法。

具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样。

达林顿管的性能特点如下：

（1）放大倍数大（可达数百、数千倍）；

（2）驱动能力强；

（3）功率大；

（4）开关速度快；

（5）可做成功率放大模块；

（6）易于集成化。

3.2单片机系统部分

本部分内容比较简单，主要负任时钟、复位、输入信号的逻辑判断和输出作用。

其中时钟电路与复位电路和单片机一起组成了单片机的最小系统，这是每个需要作用单片机的系统所必须的。

在本设计中使用的是上电复位电路，也就是说当按下复位电路的开关按钮时，系统就会进行一次复位操作。

由于单片机所工作的信号是数字信号，而信号的输入端输入的是模拟信号，因此需用一个器件对此信号作A/D转换，方能使系统正常的工作。

因为本设计的信号转换只需一位，所以为了系统的简洁性，就没有选用常用的A/D转换器，而使的是一个二位输入端的，异或门电路（XOR-2）来完成这一功能。

XOR-2的一个输入端接地，另一个输入端接信号采集系统所提供的输入信号，然后这两个信号通过门电路作异或运算，就可以得也只有两种状态的输出信号，从而实现了A/D转换功能。

当信号采集系统提供的输入信号为0时，与接地端的0（低电平）作异或运算，其输出为1（高电平）；当当信号采集系统提供的输入信号不为0时，与接地端的0（低电平）作异或运算，其输出为0（低电平）。

图3-6单片机系统部分电路图

3.3信号提醒部分

信号提醒电路如图3-7所示，这部分应安装在驾驭室内，用来提醒驾驶员当前的刹车灯状况，是否正常，以便于他好提前作相应的预案处理。

本部分的提醒包括可视性提醒和声音提醒，它们分别通过闪烁的灯和扬声来完成。

当刹车灯没

有问题时，提醒电路的信号灯会闪烁，同时扬声器也会随着发出“哒哒”声。

反之当刹车灯存在问题时，则信号灯不亮，扬声大器也不会发声。

图3-7信号提醒电路

第4章软件设计与仿真

该模块部分主要完成单片机的状态切换及各引脚的信号控制。

为了设计的稳定性，单片机开始执行程序前有一定的初始化时间，同时各状态之间也有一段缓冲时间。

复位电路部分中，采用由电容串联电阻构成的手动复位电路，并结合

"电容电压不能突变"的性质，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定，当人工按下开关按钮时，电流方向发生改变从而实现复位作用。

晶振电路部分中，晶振取12MHz便于产生精确的uS级时歇,方便定时操作，瓷片电容采用1uF。

4.1程序流程图

4.2仿真结果

本设计的仿真是基于Proteus软件和Keil软件联合使用而完成的。

Keil软件的优点就是支持C语言编程，因此具有一定的灵活性。

的本设计中Proteus软件主用于电路图的绘画，而Keil软件则主要用于软件的编写、仿真及可执行文件的生成，两者联合在一起才完成了系统的模拟仿真。

仿真时在所绘画的电路图中的单片机中添加入相应的程序，然后在按下启动仿真的运行按钮，即可视而不见住址功能。

根据数字电路的电压的要求，输出信号在经过放大后其电压值应为5V左右，所以在调节好了相应的电阻值之后，终于可以得到一个恰当的输