汽车远近灯自动控制.docx

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汽车远近灯自动控制

汽车远近灯自动控制系统设计

摘要

汽车远光灯是为了让驾驶者在夜间高速行驶时看清远方路况，但是在会车时如果不及时切换到近光，其强烈的光线会使对面车辆无法看清道路，极易发生交通事故。

国内统计，在夜间发生的交通事故中，与远光灯有关的事故占到三四成，且成上升趋势。

本文以单片机为核心，构成汽车前大灯自动调光控制系统，当夜晚行车远光灯打开时，系统能通过光检测输入模块察看前方是否有相对行驶车辆，若有则自动启动调光输出模块，关闭远光并打开近光。

能很好地解决传统方式下，手动调光延迟时间长和驾驶员因频繁手动调光而分散注意力等问题，从而大大减少事故的发生。

关键词：

单片机；光探测器；自动控制

Automaticcontrolofvehicledistancelight

Abstraet

Whenautomobiletravelsathighspeed,thehighbeamisusedtoallowdrivertoseedistanttraffie.Butifwedonotswitchtolastlighttimelywhentwoautomobiletravelatoppositedireetionandveryadjaeent,thestronglightwillmakethedriversnotbeabletoseeacrosstheroad,sotrafficaccidentscaneasilyoccur.Nationalstatisticsshowsthattheaccidentoccurredatnightwithhighbeamrelatedaccountedforas34%,andintoanupwardtrend.Microcontrollerasthecoreofthispaperconstitutesavehicleheadlightdimmingcontrolsystemforautomatic,highbeamisturnedonwhendrivingatnight,thesystemlookthroughtheopticalinputmoduletestingwhetherthereisarelativelymovingvehiclesinfront,iftheoutputmodulestartsautomaticallydimming,Closeandopenthenearlightbeam.Cansolvethetraditionalway,manuallyadjustthedelaytimeoflightforlongandfrequentmanualdimmingdriverdistractedbyotherissues,thusreducingaccidents.

Keywords:

microcontroller;lightdetector;automaticcontrol

目录

第一章绪论1

1.l引言1

1.2国内外对汽车远光灯控制的研究状况及最新成果1

1.2.1国内汽车远光灯控制的研究现状1

1.2.1.1汽车防眩远光前照明灯1

1.2.1.2利用偏振光防眩目2

1.2.1.3汽车前照灯自动变光器2

1.2.2国外汽车远光灯控制的研究现状2

1.2.2.1红外夜视系统2

1.2.2.2单色光防眩3

1.2.2.3液晶变光装置3

1.2.2.4美国GENTEX公司开发成功了智能变光汽车前照灯3

1.2.3汽车远光灯控制的研究发展趋势3

1.3课题研究的目的3

第二章基于C51单片机汽车远近灯自动控制的方案5

2.1任务分析5

2.2设计方案5

2.2.1设计思想5

2.2.2总体框图5

2.3常见的光电探测器件6

2.3.1光电池6

2.3.2光电二极管6

2.3.3PIN管8

2.3.4雪崩光电二极管8

2.3.5光电晶体管8

2.3.6阵列式或象限式结型光电器件9

2.3.7光电开关与光电耦合器9

2.4半导体光探测器的特征参数9

第三章系统硬件实现12

3.1主控电路设计12

3.1.180C51系列12

3.1.280C51的基本结构13

3.1.380C51单片机的的封装和引脚14

3.1.480C51单片机的时钟15

3.1.580C51单片机的复位15

3.1.6I/O引脚16

3.2外围接口电路设计18

3.2.1光检测输入电路18

3.2.1.1对数放大器19

3.2.1.2LOG100对数放大器19

3.2.1.3施密特触发器21

3.2.2调光控制输出电路23

3.2.2.1关于继电器的正确使用24

第四章软件流程及实物展示26

4.1软件流程26

4.2实物展示27

第五章系统调试28

结论29

参考文献30

附录一整体电路图31

附录二实物设计的软件部分32

致谢34

第一章绪论

1.l引言

当夜晚行车远光灯打开时，若前方有相对行驶车辆，则驾驶员通常会将远光变为近光，避免对面车辆因受强光照射而无法正确判断前面路段情况，造成危险的情况。

但在传统方式下，驾驶员手动调光所需延迟时间较长，并且驾驶员因频繁手动调光容易造成注意力分散，极易因此而引发交通事故。

为了人身的安全以及驾驶员的舒适驾驶，设计构思了一种汽车远近灯自动控制系统。

关于汽车夜间行车远光灯的使用，《中华人民共和国道路交通安全法》做出了明确规定，但是在实际驾驶中不按规定在会车及通过路口时关闭远光的情况十分严重，比如汽车交会时开远光灯，强光直射对面司机眼睛，形成视觉盲区，极易造成车祸。

不按规定使用远光灯主要有三种情况：

一是刚拿到驾照的新手，不知道如何使用灯光，乱打灯。

二是有的司机明知违规用灯却依然我行我素。

三是在有些路段需要频繁的切换远近光灯，驾驶员在打开远光灯后往往忘记关掉。

因此而导致的交通事故给人们的生命和财产安全带来了极大的危害，也在一定程度上影响了经济的发展。

要最大程度减少这种事件发生，在加强交通执法力度的同时，对夜间行车远光灯的使用进行自动控制是一个有效地解决办法。

目前国外一些汽车公司己经开始远光灯的自动辅助控制系统的试验，德国巴伐利亚汽车制造厂研制了一种远光灯辅助系统，主要构件是安装在后视镜外壳前面一个传感器，传感器内包含一架照相机，相机拍摄的图像被反馈到一个电子评估系统里，由该系统分析前方的物体从而自动控制远光灯的开闭。

这个系统计划在该公司的宝马5系、6系和7系中加装。

当前对汽车远光灯炫目的问题，有许多不同的解决方案，但都存在着这样或那样的问题。

当前的趋势是研制一种确保安全、简单有效、成本低廉、易于推广的远光灯自动控制系统。

[1]

1.2国内外对汽车远光灯控制的研究状况及最新成果

1.2.1国内汽车远光灯控制的研究现状

1.2.1.1汽车防眩远光前照明灯

汽车防眩的技术特征是根据灯光测试平面上眩目光线区间的界线与光线反射平面的关系确定灯丝的安装空间，其防眩光形可以根据不同测试标准变化，具有远光的照射距离和近光的防眩光形。

但是从眼睛的感光角度来说，光觉是最基本的视觉。

眼的感光最早由视网膜的两种视细胞，即视杆细胞和视锥细胞开始，视杆细胞在甚暗的环境，可对微弱的光产生感觉，即暗视觉。

视锥细胞则在较亮的光线下，产生光觉，即明视觉及颜色感觉。

而锥细胞主要分布在眼球的中心凹。

也就是说眼球正常固视前方的情况下，中心视野30°范围内对光的敏感度最强;30°以外的周边视野光敏感逐渐减弱。

当两车夜间交会车时，往往有些开车的人视觉会不自觉地跟随对方的车灯，也就是瞪视对方来车，这样眼睛的中心视野正对着对方的车灯，所以远光灯眩目的问题依然存在。

[2]

1.2.1.2利用偏振光防眩目

其基本原理是根据马斯吕定律（两个起偏器的偏振轴互相垂直时，对光的透射率几乎为零;而两个起偏器的偏振轴相互平行时透光率最大），在每辆车的风挡玻璃和车灯玻璃加上偏振片，其偏振轴与水平面成45度角，则两车相向行驶时，一方风挡上偏振轴与对方车灯上偏振轴正交。

根据马斯吕定律，对方车灯发出的光线经过车灯玻璃和本方风挡玻璃的透射率几乎为零。

当前，偏振片的透光率很不理想，单片透光率只有36%左右，因此需要加大车灯功率，提高车灯亮度。

这种方式由于偏振片性能有待提高，尚未达到实用化程度。

[3-5]

1.2.1.3汽车前照灯自动变光器

其工作方式是利用光敏传感器探测前方来车的远光灯，当距离对面车辆200m左右时，自动变光器可根据对方车辆灯光变换作相应的变换，如果对方车辆远光超过2s不变换时，本车能自动恢复远光，提醒或迫使对方车辆变光。

此装置存在一定的弊端，如果对方未关闭远光，本车也不关闭远光，使得会车时的危险加倍;如果对方关闭远光，本车装置要在安全距离以外及时准确的发现对方车辆较为困难，故实际使用效果不理想，目前一直未能得到广泛应用。

远光灯的控制问题一直没有得到妥善解决。

[6-8]

1.2.2国外汽车远光灯控制的研究现状

1.2.2.1红外夜视系统

红外夜视是利用目标与周围环境之间由于温度或发射率的差异所产生的热对比度进行成像。

由于热对比度的差异而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为热像，再通过热像将红外图像变为可见光图像。

[9-10]目前应用的红外夜视主要分为两种，远红外夜视系统能够看清前方300m。

显示辐射热能物体，物体越热，光线就越强，主要是人和动物。

近红外夜视系统能够看清前方150m，但画面更为明亮，显示信息更为丰富。

红外夜视系统只能作为远光辅助，不能完全解决远光危害问题，且其价格昂贵，国外最低售价也在人民币两万元左右。

目前只有在奔驰S级，宝马740以上的豪华汽车中才装配。

1.2.2.2单色光防眩

单色光防眩是利用单色光的远光灯来照明。

研究发现，饱和照明时，人眼对黄光有比白光更佳的敏感度;人眼睛被黄光眩目后暗视野的恢复相对较快。

可以在紧急情况出现时争取宝贵时间。

这种方法利用的仅是黄光这一段较窄波长范围的光，通常照射效率低，视野较暗。

效果不理想。

1.2.2.3液晶变光装置

液晶变光的基本原理是在车灯前加液晶版，利用光敏传感器探测外界光照强度，自动平稳地随外部照明情况改变液晶的透射率，从而控制远光灯的眩目问题。

问题在于系统的造价高，液晶面板的耐温特性差，此技术尚不成熟。

[11-13]

1.2.2.4美国GENTEX公司开发成功了智能变光汽车前照灯

该前照灯利用传感装置感测前方光源。

当迎面来车时会自动降低前照灯的光照度，当会车毕又恢复强光。

此种光照度变化十分柔和，是渐进的。

但如前方车流突增，如转弯行驶时光照度亦会立刻减弱。

福特林肯车系（Lineoln-Mereeury）己决定从2004年起装用此种变光照度前照灯。

该灯现在存在的问题是成本价稍高些，现Gentex已在做着将其成本降到150-200美元的工作，以期向低价车种进行普及。

1.2.3汽车远光灯控制的研究发展趋势

违章使用汽车远光灯造成的交通事故不在少数，每年新增车辆越来越多，由远光灯使用不当造成的夜间交通事故比例更是急速上升。

对国内外研究情况的分析发现，多数远光灯炫目问题的解决方案都不完善，不能完全解决远光灯危害问题。

根据实际情况需求，对于汽车远光灯探测与控制系统，一定要确保安全，简单有效;目前除去极少数豪华型车辆外，大多数路上行驶的车辆都不具备远光智能控制功能，这主要是汽车工业生产特点决定的，每一点点成本的增加都会改变一款车销售情况，甚至影响一款车的市场定位，要想做到好的效果，系统一定要具有成本低廉，易于推广的特点。

简而言之，确保安全，简单有效，成本低廉，易于集成是今后这类产品的发展趋势。

1.3课题研究的目的

本课题研究的目的是拟开发一种夜间行车远光灯自动控制系统，通过对各种汽车远光灯照度的分析，制作合适的传感器捕捉远光灯信号，发现前方车辆远光开启，及时减弱以至将其换到近光。

辅助驾驶者进行自我约束，确保汽车夜间行车远光灯的按章使用，提高行车安全，减少因车远光灯造成的交通事故。

第二章基于C51单片机汽车远近灯自动控制的方案

2.1任务分析

单片机应用系统可以分为智能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪一类，都必须以市场需求为前提。

所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。

简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。

根据论文的设计需求：

（1）、熟悉protues环境；

（2）、熟悉有关传感器的理论知识；

（3）、给出设计方案

2.2设计方案

2.2.1设计思想

此次设计选用了80C51单片机。

其中包含了电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的汽车远近灯自动控制系统。

80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和控制电路设备。

当前方的光强达到传感器能识别的数值时，传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输入。

单片机经过处理后再对我们的控制电路进行控制，从而达到自动控制的目的。

2.2.2总体框图

工作原理图如图2.l所示。

控制开关电路置于汽车大灯远光开关上，当远光灯打开时即启动自动控制系统工作。

当对面有车时其灯光或其反射镜的反射光可被“光检测输入电路”捕获，电路向单片机发送有效高电平，单片机通过程控方式检测到来自“光检测输入电路”的有效信号则启动“调光控制输出电路”自动变为近光；否则继续检测输入信号。

图2.1系统框图

2.3常见的光电探测器件

常见的光电探测器件主要有以下几种：

2.3.1光电池

光电池的基本结构就是一个PN结。

按材料分，有硅、硒、硫化福、砷化稼和无定型材料的光电池等。

按结构分，有同质结和异质结光电池等。

光电池中最典型的是同质结硅光电池，国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。

2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。

受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。

衬底方面的电极称为后极或下电极。

为了减少反射光。

增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si4N3，SiO2-MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。

光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。

当光电池短路时，短路电流Isc。

与照度E成线性关系，S=Isc/E称为灵敏度。

在一定的照度下，曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。

曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。

硅光电池的Uoc一般为0.45-0.6V，最大不超过0.756V，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。

硅单晶光电池短路电流Isc为35-40mA/cm。

[14]

2.3.2光电二极管

光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。

它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。

光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。

按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、饰化铅光电二极管等许多种。

按结构分，也有同质结与异质结之分。

其中最典型的还是同质结硅光电二极管。

国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列，以P-Si为衬底。

2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。

2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。

光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。

SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。

这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N-Si连通起来。

当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。

为了减小暗电流，设置一个N-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N-Si环上引出一条引线，SiO2使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。

这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。

如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。

2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。

光电二极管的用法只能有两种。

一种是不加外电压，直接与负载相接。

另一种是加反向电压，如上图所示。

实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。

由于多数场合光电二极管都是加反向电压，所以其伏安特性曲线常画成如图2.2所示的形式。

图2.2伏安特性曲线

上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。

一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图（a）。

这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。

二是因为开路电压Uoc一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图（b）的形式。

在一定的照度下，光电二极管的伏安特性曲线几乎是平直的，可把它看成是恒流源。

[15]

2.3.3PIN管

PIN管是光电二极管中的一种。

它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。

这样，PN结的内电场就基本上全集中于Ⅰ层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。

另一个特点是，因为Ⅰ层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。

由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。

所不足的是，Ⅰ层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。

目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。

2.3.4雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。

这种管子工作电压很高，约100-200V，接近于反向击穿电压。

结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。

因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。

当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。

这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。

噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。

由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。

2.3.5光电晶体管

光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。

只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。

所以光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线。

制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。

正常运用时，集电极加正电压。

因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。

当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流。

光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。

光电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，多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。

2.3.6阵列式或象限式结型光电器件

利用集成电路技术使两个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。

这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。

这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理。

就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。

2-4个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。

几十个至几百个或更多并列的光敏元，可用来摄取光学图象或用作空间频谱分析。

象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。

多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。

光电位置探测器（PSD，PositionSensitiveDeteetors）是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。

当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。

这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。

2.3.7光电开关与光电耦合器

光电开关和光电藕合器都是由发光端和受光端组成的组合件。

光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。

光电祸合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透风的管壳内。

发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。

光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。

光电祸合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。

2.4半导体光探测器的特征参数

表征半导体光电探测器性能的参数主要有：

1、响应度：

响应度的定义是信号量除以它接收的辐射度量，记作R，不同的响应度用下标来表示。

如：

对辐通量的电流响应度RΦ=I/φ

对辐照度的电流响应度RE=I/E

探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。

测量不同的辐射度量，应当用不同的响应度。

2、噪声：

探测器的噪声源通常有以下几种：

（l）散粒噪声：

它是由光子流以间断入射的形式投射到探测器表面以及探测器内部这些光子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性所造成的。

（2）产生一复合噪声：

光电导型探测器的产生-复合噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过程中其导带上的电子和空穴数随机起伏所形成的。

（3）热噪声:

它是电阻材料中离散的载流子的热运动所造成的。

3、响应速度

当阶跃光入射到探测器时，一般探测器的输出信号不能完全随输入光变化。

同样，在光照突然停止时也是这样。

故用响应时间来描述器件的响应速度。

相应光入射和停止的状态，有上升响应时间和下降响应时间。

4、量子效率

量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数。

它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。

5、线性度

线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。

即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。

在这规定的范围内探测器的响应度是常数。

这一规定的范围称为线性区。

光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。

因此要获得所要的线性区，必需设计有相应的电子线路。

线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。

光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变