汽车智能灯光器的设计毕业作品.docx
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汽车智能灯光器的设计毕业作品
任务书
设计题目：
汽车智能灯光器的设计
1．设计（论文）的主要任务及目标
（1）根据课题要求进行调查研究
（2）拟定总体方案，确定主要的技术参数；
（3）进行智能灯光器的原理方案设计；
编制控制程序并进行相关零件设计及结构设计通过可变光源进行不同光强变换，分析光的性质，对光的信号，强弱进行判断比较，通过计算机CPU进行一系列运算和程序的运行，从而自动打开或关闭（延时关闭）电路，通过继电器再控制汽车车灯。
从而实现灯光自动控制，提高行驶安全性。
减轻司机劳动强度，提高行驶安全性，减少交通事故，提高安全性，降低经济损失。
2．设计（论文）的基本要求和内容
（1）毕业设计论文一份；
（2）智能灯光器工作原理图及其控制程序
（3）智能灯光器主要零件图；
（4）智能灯光器结构装配图；
3.主要参考文献
汽车灯光控制器，现代电子电路基础，论文及期刊等。
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
进行调查研究，查阅资料，完成开题报告
2014.02.15—2014.03.08
2
了解掌握车辆灯光工作原理及工作步骤
2014.03.9—2014.04.012
3
确定总体方案，完成原理方案设计
2014.04.13—2014.04.22
4
车辆灯光工作原理、结构简图，编制控制程序
2014.04.23—2014.05.23
5
撰写并编制论文、打印，准备毕业答辩资料
2014.05.25—2014.06.5
汽车智能灯光器的设计
摘要：
道路交通事故是当今世界面临的重大问题之一，全世界每年死于交通事故的人数超过百万。
我国每年交通事故数十万起。
由于驾驶员在夜间行驶过程中不正确使用汽车灯光，是夜间交通事故的一个重要原因。
对汽车前大灯的使用，我国交通法规有机动车夜间会车“须距对面来车150m外互闭远光灯”的规定。
但现实中相当部分驾驶员因为素质问题，或者是操作疏忽经常强行用远光与对方会车，造成对方驾驶员炫目而酿成交通事故。
随着计算机的发展，计算机已在汽车上广泛应用，如电子燃油喷射系统、ABS、电子导航系统等。
所以汽车灯光智能化也是技术发展的趋势和必然。
汽车智能灯光器是通过可变光源进行不同光强变换，分析光的性质，对光的信号强弱进行判断比较，通过计算机CPU进行一系列运算和程序运行，从而自动打开或关闭电路，通过继电器再控制汽车车灯。
从而实现灯光自动控制，减轻司机劳动强度，提高行驶安全性，减少交通事故。
关键词：
智能车灯，控制系统，光强，电路
AutomotiveIntelligentLightingDesign
Summary：
Roadaccidentsareoneofthemajorissuesfacingtheworldtoday,thenumberofdeathsworldwideeachyearmorethanonemilliontrafficaccidents.Hundredsofthousandsoftrafficaccidentseveryyearsince.Duetoimproperuseofcarlightsdrivetravelingatnightduringthenightisanimportantcauseoftrafficaccidents.Useofcarheadlights,trafficlawsofthecarwillhaveanighttimevehicle“shall150mawayacrossthecaroutsidethebeamcross-closing”requirement.Butinreality,aconsiderablepartofthedriverbecauseofthequalityproblem,ornegligentoperationoftenforcedtousethecarwillbeamwitheachother,resultingindazzlingotherdriversandleadtoaccidents.Withthedevelopmentofthecomputer,thecomputerhasbeenwidelyusedinmotorvehiclessuchaselectronicfuelinjectionsystems,ABS,electronicnavigationsystems.Sotheintelligentcarlightsandalsotheinevitabletrendoftechnologicaldevelopment.
Smartcarlightsarecarriedoutbydifferentvariablelightintensitytransformation,analysisofthenatureoflight,thelightofthejudgmentsignalstrengthcomparedtotheCPUviaacomputerprogramtorunaseriesofoperationandtoautomaticallyopenorcloseacircuitthroughtherelaythencontrolthecarheadlights.Inordertoachieveautomaticlightingcontrol,reducelaborintensityofdrivers,improvedrivingsafety,reducetrafficaccidents.
Keyword：
Intelligentlights，ControlSystems,Lightintensity,Circuit
1前言
随着我国经济的不断发展,产业结构调整外资与技术的不断涌入，汽车产业这个十几年前在我国还相对薄弱的一个产业，经过大量的资金投入与广阔的市场的支持，如今已经发展成为我国重要的经济支柱之一。
很多知名的汽车公司与世界上知名的汽车品牌携手，如一汽大众、华晨宝马、广州本田等，合力生产出很多高性能的车型。
并且在政府的大力支持下，这种趋势会继续保持下去。
尽管现在我国的汽车工业技术水平与发达国家相比，还有很大的差距，但是在可以预见的将来，这种差距会逐渐缩小，我国将会成为世界上汽车工业技术最发达的几个国家之一。
在这样的大环境下，以汽车为研究对象，深入探索有关的技术环节是非常有实际意义的。
2汽车光源种类及研究
2.1汽车用光源的种类
汽车工业的飞速发展对汽车照明提出了越来越高的要求。
从最早使用电光源开始，汽车光源先后经历了白炽灯、卤钨灯、气体放电灯、以及半导体发光灯等几个阶段。
2.1.1白炽灯和卤钨灯
白炽灯和卤钨灯是目前主要的汽车光源，在汽车内外的照明和信号装置中有着广泛的应用。
汽车灯中最先使用的电光源就是白炽灯，经过几十年的发展，白炽灯的性能得到了很大的提高，并在白炽灯的基础上发展出了卤钨灯。
白炽灯和卤钨灯都属于热辐射光源，灯丝在通过电流时由于电流的热效应而温度升高，变成白炽状态，从而发射可见光。
白炽灯的功率一般较小，用与对照度要求不是很高的场合，如S25（21W／5W）和T20（21W／5VO可用于刹车灯／尾灯，$25（21W）和T20（21W）可用于转向灯和倒车灯，T10（SW）可用于尾灯和牌照灯，TIO（IOW）n--J用于车内灯和车门灯。
这类光源的特点是驱动电路简单，价格便宜，发光体灯丝尺寸小且发光稳定，有利于灯具系统的光学设计。
卤钨灯与白炽灯相比更具有体积小，功率大，光效高，灯丝紧凑等特点，是目前理想的汽车光源。
例如最常见的碘钨灯，在灯泡的玻璃壳中充入碘和一些惰性气体，大大减少了钨丝的蒸发量，使其寿命提高至普通白炽灯的1．5倍，发光效率提高30％，而相同功率情况下，体积却只有其百分之几。
2.1.2高强度气体放电灯
卤钨灯虽然有很多优点，但也存在着一些问题。
卤钨灯的光效较低，达到一定的光输出水平需要消耗较多的电力；其色表偏红偏黄，给驾车者的感觉不如白光舒服；寿命较短，平均在1500小时左右不仅有更换灯泡的麻烦，还可能在驾驶时出现故障导致发生事故；辐射中红外线占的比例较高，产生的热效应会对制作灯具的高分子材料产生影响。
为了克服上诉这些不足之处，人们又开始研制高强度气体放电灯（以下简称HID灯）来应用与汽车照明。
HID灯的工作原理是灯管内的气体在电场的作用下产生电离，形成低温等离子体，等离子体中的激发态原子、分子、离子在向基态跃迁时将激发能转变为辐射能，从而发射可见光。
HID灯如今主要有四个品种，D1S和D2S用于远光照明和投影式系统的近光照明，D1R和D2R用于反射式系统的近光照明。
HID灯的发光亮度比卤钨灯高得多，大约在3倍左右，照射距离比其远约40％，而功耗平均只有卤钨灯的60HI灯对制造技术要求较高，其使用的电路、灯具的设计也更为复杂。
这种电路要求在12V的直流电源下工作，要能将灯瞬时点燃，灯关闭后要能够马上再启动，电路的辐射要低于一定的水平。
高强度气体放电灯的发射光谱成份复杂，有强烈的自吸收，发光体等离子体部份的尺寸也不像卤钨灯的灯丝那样容易确定，这些都给灯具的设计带来难度，再加上价格偏高等因素，目前HID灯在汽车照明中应用还是十分有限的。
2.1.3半导体发光灯
半导体发光灯，也就是指发光二极管LED。
它利用固体半导体芯片作为发光材料，当其两端加上正向电压时，半导体中的载流子复合，放出过剩的能量，从而引起光子的发射，产生可见光。
伴随着半导体物理研究快速的发展，LED也在发生着翻天覆地的变化，光效从最初的0．1lm／W，发展到现在的501m／W有了质的提高，颜色也更加丰富、饱满。
LED车灯的特点包括快速达到设定亮度，更高的效率，更长的使用寿命等。
一般普通的大功率LED可以在lms内达到最大亮度，从而使汽车行驶更加安全；与白炽灯相比，LED灯的功耗可降低至它的80％之低；而且LED一般具有几万小时的工作寿命，超过了汽车的使用年限，故又被人们称作“一生不用更换的光源”。
由于LED光源的单色性，不需加滤色片便可以直接选用不同波长的LED元件设计具有不同功能的如转向灯、制动灯、倒车灯等，且不加滤色片也更使光的透过率增加（使用透明的聚酸酯或有机玻璃的滤光罩透光率达92％一95％），从而提高了光的利用率。
但由于目前LED的发展程度，单颗LED还达不到最理想的光效，一般需要多颗LED组成一组车灯，这对光线的一致性、汽车灯具的设计提出了新的要求。
综上所述，在汽车工业的发展史上，每一种不同的车灯都有各不同的特点也都占据了很重要的位置，而本文要讨论的汽车灯光集中控制系统的首要问题就是选取合适的光源作为研究对象。
表2.1列出了在当今车灯的平均生产条件下，各种车灯的一些参数比较。
表2.1各种车灯的参数对比
在光效上，HID灯是目前最出色的光源，而LED目前也有很高的表现，而使用寿命这一点LED则是最为突出，色温也可满足各种不同功能的车灯所使用，而且按照世界上对LED车灯的重视程度来看，LED已经成为了未来汽车光源的最佳的选择。
故本文选取LED作为汽车灯光集中控制系统的光源，进行接下来的研究，而在后续的章节也会陆续的阐明LED光源在此系统中所不可比拟的优势和作用。
2.2光纤照明的发展及应用
光纤照明，这个近年来才新兴的照明方式还远不如LED那样频频出现在各种高档汽车上而为人们所熟识，但他的发展速度还是及其迅猛的。
如果说LED照明是当今绿色环保光源的代言人，那么光纤照明就是该光源的绝对拥护者，是一种极具生命力的绿色照明方式。
受光纤的生产技术所影响，用于光纤照明的光源有很特殊要求，如光源体积要小、发热量要低、发光角要窄等，因此LED是很好的选择，目前有一半光纤照明设备中都采用LED作为其光源。
1841年DanielCollation通过实验观察到光线能沿着盛水的弯曲通道而传播[7-9]。
1927年，英国的J．CBaird首先提出了应用光的全反射原理而制成石英纤维。
1930年，德国的H．Lanm将直径为40um的石英纤维有规则的排列起来用于肠胃检查，但效果不理想。
1951年，荷兰的A．C．SVanHeel和英国的H．H．Hopkins以及N．S．Kapany分别进行了光纤的研究工作，1953年，VanHeel将一种折射率为1．47的塑料涂敷在玻璃纤维上，制成了玻璃芯一塑料涂层的光纤，满足了全反射条件，但因塑料涂层不均匀使得传光效果不理想。
1954年，美国的J．S．Courtneypratt提出用熔合法制造光纤面板用作电子束管的屏板。
1958年，Kapany提出了拉制复合光纤的新工艺，并在纤维丝上增加吸收套层以减少杂散光影响，使得光纤面板得到了实用，随着光纤理论的发展、工艺的改进，光纤在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，“纤维光学’’逐渐发展成为一个新兴的学科。
南京玻璃纤维研究设计院（现改名南京春辉有限公司）自20世纪70年代中期从事非通信光纤研究，已经形成多组玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、等生产线，建立了国家工程中心非通信光纤及其制品开发基地。
几十年来我国的光纤研究和制造从无到有、从实验室到规模化生产发展很快，在取得了许多具有自主知识产权的科研成果。
汽车仪表盘照明是最早采用光纤照明的应用，选用的是杜邦牌号为Crofon和日本三菱RAYON公司牌号ESKA的塑料光纤，该光纤可编织成带状，便于对光纤的保护和布线，也使仪表盘的光线更加均匀、柔和。
Visteon公司为SSS轿车研制出高光强放电式车头灯，它包括小巧的灯光发生器、标准光缆和聚光灯。
光缆把光发生器发出的光传递给聚光灯，这种聚光灯是用一种聚丙烯酸酯光波导通过折射使光束成形。
类似的光纤技术还用于过汽车的尾灯、高位刹车灯、内部照明等等。
美国GE公司在20世纪末提出“汽车光引擎"的概刽，如图2.2所示，汽车内部多个灯具可共用一个光源，通过光纤把光源发出的光功率传导至车身相应的位置。
该光源可放置于便于维修的位置上，光纤可简化车身复杂的电子线路，灯具的设计更加新颖，光照的范围也更加灵活。
图2.2汽车光引擎示意图
2.3课题所研究的内容
本文以LED车灯和光纤照明为主要研究对象，设计一款新颖的汽车灯光集中控制系统，并在实验中讨论系统的可行性与实际效果。
首先对LED，尤其是用于汽车照明的LED光源进行深入的探讨，分析该光源的特点与实用参数。
因为LED是恒流器件，必须使用精确的电源控制其工作，所以接下来选取合适的LED光源并设计出该光源的驱动电路。
然后本实用新型采用了两个不同是敏度的光敏传感器，其中一个只要接收到大于某一光照强度就输出控制信号，另一个则需接收到大于某一光照强度才输出控制信号，这就需要对LED车灯做相关研究。
还要设计相应的控制电路。
3LED的性能参数与选择
从1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅罩观察到电致发光现象，到2008年12月美国LED巨头Cree公司宣布开发出光效达1611m／W的白光LED这段时间，LED技术发生了翻天覆地的变化。
本章主要针对LED的发光原理、光学性能、电学性能、以及在汽车照明中使用最多的大功率LED（又称HB．LED）进行研究，目的于选取性能最合适的LED作为汽车灯光系统的光源。
3.1LED结构与发光原理
LED是英文LightEmitDiode（发光二极管）的缩写。
如图3.1所示，分别为普通LED和大功率LED的结构剖面图。
5毫米LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封核：
大功率LED则一般由半导体芯片、金线、散热基板、和塑料透镜构成，芯片采用新式的半导体倒装焊，与热沉紧密相连，结构封闭性好，寿命更长。
图3.15mmLED（左）和大功率LED（右）的结构图
LED核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，一般为GaAS（石申化镓1、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成。
在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结，如图3．2所示，当P．N结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。
由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。
由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
图3.2LED发光原理示意图
3.2LED的技术参数
光电参数及热学性能是选择一个LED必须要考虑的因素，1深入对LED参数的了解有利于我们接下来的工作开展。
3.2.1LED的电学特征
由LED的发光原理可知，其电学特性主要就是伏安特性。
LED的伏安特性曲线如图3.3所示，分为4种不同的工作区。
（1）正向截止区：
（图oa或oa’段）a点对于Vo为开启电压，当V尚未克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时电阻很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1．2V，GaP为1．8V。
（2）正向工作区：
电流IF与外加电压呈指数关系，，。
Is为反向饱和电流。
V>0时，V>VF的正向工作区JF随珞指数上升。
（3）反向截止区：
V<0时PN结加反偏压，V=-VR时，GaN反向漏电流。
（V=一5V）为10uA。
（4）反向击穿区：
V<-VR，VR为反向电压；VR电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V<-VR时，则出现厶突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
图3.3LED的伏安特性曲线
该特性表征LED芯片PN结制备性能的主要参数，由LED的伏安特性分析可知，该曲线具有非线性、整流性、单向导电性。
3.2.2LED的光学特性
LED的光学性能主要涉及光谱、光度和色度等方面的性能要求。
根据新制定的行业标准《半导体发光二极管测试方法》，主要有：
发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。
在照明用LED的应用中，以下几个参数是重要指标，在此做详细的介绍。
（1）光通量：
通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口发射的光通量。
（2）发光强度：
光源在单位立体角内发射的光通量，可表示为K,=dm／d．Q。
（3）相对光谱能量（功率）分布在光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量分布情况。
（4）峰值发射波长：
光谱辐射功率最大的值所对应的波长。
（5）光谱半波宽△五（FullWidthHalfMaximum，FWHM）．峰值发射波长的辐射功率的1／2所对应两波长的间隔。
由“参数（4）一可知，LED所发出的光并非单一波长的光，而是有一定波长范围的，但其光的颜色由峰值发射波长Ap所决定，如表3．1所示，这里只列出可见光即380---780nm范围内的颜色分布。
表3.1各种车灯的参数对比
3.2.3LED的热学特征
LED发光是靠电子在能带间跃迁产生的，其光谱中不包含红外部分，LED的热量不能靠辐射散出，因此LED是“冷’’光源。
目前LED的发光效率仅能达到10％，也就是说，还有80％～90％的能量转换成了热能，如果LED芯片的热量不能散出去，会加速芯片的老化，还可能导致焊锡的融化，使芯片失效，具体表现为：
（1）发光强度降低，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率效率也会随之减少，芯片结温越高，发光强度下降越快。
（2）发光主波长偏移，当LED的温度升高时，LED的波长的大致变化规律为每升高lO度，波长红移lnm，主波长的变化将会引起混色效果的变化，还会偏移黄色荧光粉的激发峰值，致使转换效率下降。
（3）严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。
所以芯片的温度不能超过125℃，LED芯片的温度可由下式求出：
其中，Ta为环境温度，P为LED的功率，Rj-a为芯片和环境之间的热阻。
热阻为LED热学特性的一个重要指标，是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比，单位为℃／W，该数值越低，表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。
这有利于降低芯片中的P．N结的温度，从而延长LED的寿命。
对于大功率LED的封装结构，热能中只有很少一部分通过封装材料直接散发到周围环境中，大部分热量通过下列途径散发到周围环境中：
发光层（热量产生）一衬底一芯片键合层一金属线路板一周围环境。
这样，功率型LED的热阻模型如图3.4所示，热阻由四个串联部分组成，可表示为：
式中，Rj-s代表PN结到衬底的热阻，Rs-b为衬底到芯片键合层的热阻，Rb-m为键合层到金属线路板的热阻，Rm-a为金属线路板到空气的热阻。
图3.4大功率LED的热阻模型
在实际应用中，为了降低金属线路板到空气的热阻，往往需要在金属线路板上再外接一个散热器（热沉），这样上式中金属线路板到空气的热阻如叫变为金属线路板到热沉的热阻如一咖和热沉到空气的热阻R抽。
两个部分，式（2．2）又可改写为：
3.3LED在车灯中的应用
汽车用LED根据需要可分为配光用灯和装饰用灯两种情况，配光用灯适用于仪表指示灯背光显示、前后转灯、刹车指示灯、倒车灯、雾灯、阅读灯等功能性方面；装饰用灯主要用于汽车灯光色彩变换，起美化汽车内外作用。
3.3.1LED车灯的现状
迄今为止，最流行的LED应用一直是中央高位刹车灯（CHMSL）。
至少40％的汽车装有LED的CHMSL，因为它可以更快的达到设定亮度、更高的效率、更长的使用寿命以及体积小便于安装，lms的启动速度更加安全可靠，减少了追尾的事故率。
目前，大功率LED已被大量用于汽车尾灯中。
预计到2010年LED将占据绝大部分汽车尾灯照明（包括倒车灯和牌照灯）。
全部LED后车组合灯（尾灯、刹车灯和转向灯）已经出现在2000型凯迪拉克和S系列奔驰车上，另外LED还可为车灯物体提供独立的局部照明，例如顶灯、阅读灯、抓柄、车锁、开关、杯托、安全带搭扣、镜子边框等，用途日益广泛。
目前应用广泛的LED的颜色主要为蓝、红、黄等，白光LED用于汽车车灯才刚刚起步。
安捷伦科技有限公司推出一系列采用PLCC．2（塑料有引线芯片载体）和PowerPLCC-4行业标准的高亮度白色表面封装的发光二极管。
这些白色LED可以便利地替代汽车内部照明应用中使用的TopLEDPowerTopLED产品。
安捷伦HSMW．A10xx和HSMW．A40xx系列白色表面封装（SMT）LED具有120度的超宽视角，特别适合汽车车厢内部仪表盘、按键或普通背光等应用领域。
这些LED顶部的发光表面是扁平的，可以接插在灯槽上。
公司推出新型6引脚MultiLED，这款集内部和外部照明于一体的照明模块有助于增强汽车色彩和设计总体效果。
6引脚的MultiLED在单一封装中集成了Osram的红（625nm）、绿（525nm）、蓝（470rim）LED芯片，具有产品级最低热阻，可实现对专用驱动器芯片的单独控制、其SMT封装及高光效的组合将具有装饰效果的照明模块用于通用汽车的车头灯中。
采用Osram大功率白光GoldenDragon系列LED
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