灯光自动调节装置的研究与设计

单健萍，徐井华，王泽军

（通化师范学院 物理学院，吉林通化，134002）

0 前言

随着科技进步及经济的发展，汽车已经成为日常生活必不可少的交通工具。据统计，夜间或黎明的交通只占夜间或黎明的交通虽然只占全天的四分之一，但仅这一段时间的交通事故发生概率却很高，使夜间交通事故频频发生的一个重要原因是车辆灯光炫目，使驾驶员看不清周围事物，在晚上及时变光可以有效避免交通事故。我们对此状况进行了研究，提出了一种结构简单，采用STC89C52单片机为核心控制单元，易实现的汽车前照灯光亮度自动调节系统。

1 国内外研究现状及趋势

1.1 国内研究情况

现今，国内已经有关于汽车前照灯自动调节的产品，但缺乏自主研究的成熟产品，不能满足国内的市场需求，需依靠由国外引进的技术产品来实现前照灯智能控制。由于国内外路况存在差异，在产品使用上产生了许多障碍。我国对于汽车前照灯自动调节系统的研究越来越重视，为突破障碍，以完善此类技术，一些公司均在研发设计。对于此类技术，动态位置控制功能非常关键。

1.2 国外研究情况

如今国外，VARILIS技术已经诞生，一种多功能可变智能灯光系统。在环境光线错综复杂的情况下，该系统能够使汽车在行驶时，灯光变换自如。虽技术已经成熟，但价格较贵。

1.3 发展趋势

伴随着科技的进步的经济的发展，人们愈发追求汽车的安全性。而灯光自动调节系统会更加安全。同时，近几年来，不管是在国内还是在国外，前照灯自动调节系统始终是汽车安全系统中重要部分，也是照明系统研究中的热点[1～2]。

2 装置设计原理及电路结构分析

2.1 装置原理结构

根据本次设计的要求，设计出一款基于51单片机的自动切换远近光灯的设计。中央处理器采用了STC89C52RC单片机，另外使用两个灯珠代表远近光灯，感光部分采用了光敏电阻，因为光敏电阻输出的是电压模拟信号，单片机不能直接处理模拟信号，所以经过ADC0832进行转化成数字信号，还有显示部分采用了LCD1602液晶，还增加按键部分电路，可以选择手自动切换远近光灯，最后还用了超声模块进行检测距离。整体结构图如图1所示。

图1 装置原理结构图

2.2 主程序

整体的程序部分分为按键部分、超声检测部分、液晶显示部分，以及远近灯光驱动部分。通过开始程序 经过按键处理模块，控制电路包括设置、增加、减小、手动/自动、远光、近光按钮的操作，然后进入光强检测，光敏电阻将所检测的物理光信号反馈单片机，一方面将指令信号传给远近灯光，一方面将数字信号传输给液晶显示模块，之后进入超声检测，利用超声波单片机就输出到了某一个触发的超声波信号，把经过这两个触发的超声信号就输入到某一个超声波测距模块，分析数据之后，一方面将指令信号传输给远近灯光，一方面将数字信号传递给液晶显示模块。之后是数据处理包括STC89C52RC单片机、ADC0832芯片处理，而后是LED灯珠模拟远近灯光，最后通过LCD1602液晶模块，液晶显示将距离传感器和光强传感器反馈给单片机的距离和光强转换成的数字信号显示在液晶屏幕上，进行观察。

图2 主程序流程图

2.3 液晶显示流程

液晶显示采用了LCD1602液晶，这是一种常用的液晶，驱动起来方便，使用简单，显示数据的整体流程无非是，首先液晶初始化，然后送入要在哪一个地址显示的地址数据，再送入要显示的数据即可，但是要注意的是，1602液晶是字符屏，送入的显示的数据必须是字符。显示流程图如图3所示。

图3 液晶显示流程图

2.4 远近灯光模块

此次设计硬件电路板块，核心控制器采用了STC89C52RC单片机，另外采用了四个LED灯作为模拟汽车的远近灯光，检光模块采用了光强传感器。由于单片机可以处理数字信号，却不能直接处理物理模拟信号，所以通过ADC0832芯片将光强传感器输出的物理模拟信号转变成数字信号，经过单片机的处理后，实时数据的输出会在LCD1602液晶中显示，进而可以转变成数字信号[3]。另外还增加了按键功能电路，可以选择手动调节远近灯光。最后还采用了距离传感器模块进行检测距离，将实时数据传输回单片机进而反馈到液晶显示屏，硬件框图结构如图4所示。

图4 系统传输模拟结构图

2.5 小车模块

设计本次硬件电路模块，核心部件采用了Arduino控制部件，采用L298N电机驱动板作为小车电机的驱动，另外采用了Sensor Shield V5.0传感器扩展板作为距离传感器等的中介连接器，小车前桥和距离传感器转向都采用了舵机作为旋转结构的驱动电机。硬件框图结构如图5所示。

图5 小车驱动结构图

2.6 硬件设计

2.6.1 按键功能电路

按键功能电路包括复位电路和控制电路。

复位电路有两种方式：手动复位以及通电后自动复位两种方式。大部分的通电自动复位电路是通过外部复位电路的电容充放电来完成的。只要Vcc高电平的上升时间≤1ms，就可以实现自动通电复位。除了这种复位方式外，偶尔也需要按键手动复位，按键手动复位是本文中设计所用的，按键手动复位分为电平方式和脉冲方式。其中电平复位就是通过RST(9)引脚端与电源Vcc高电平接通来实现的。按键手动复位电路见图6。时钟频率用12MHz时C取10μF，R取10kΩ。

图6 复位按钮原理图

控制电路：控制电路包括设置、增加、减小、手动/自动、远光、近光按钮，如图7所示。

图7 按键按钮原理图

设置按钮，可以设置距离和光照强度，并设置远光灯近光灯开启的条件阈值；增加和减少按钮用来调节光强和距离；手动和自动按钮切换自动和手动模式；远近光灯分别用来开启远近光灯。

2.6.2 距离传感器

距离传感器主要是用一种利用吸收了超声波产生振动特性的各种新功能特性原理所设计研究与制造发展而成的一类新技术传感器。

利用单片机输出产生了的一个超声波定时触发的脉冲信号，把此超声波触发定时脉冲信号直接地输入给单片机输入到的一个超声波测距模块，再用一台由超声波测距模块所构成的一个超声波发射器可以直接地向某一方向上连续地发射出一次超声波，在一次连续的发射一次超声波脉冲的这个过程中同时一个单片机接收器就开始通过另外一个单片机软件接收器来开始进行一次计时，超声波会在目标附近的空气介质层中声波反复往返传播，遇到地面有明显障碍物时反射返回，接收器首先将会接收到另一个反射波后再自动产生射出，另外一个反射脉冲信号然后将反馈脉冲返回发送给单片机，此时声波计时也会相应停止，超声波脉冲在地面空气系统介质中的最大频率平均传播的振动速度一般为每分钟约是340m/s，根据声波计时器所记录下来声波的实际发射的时间为时间t，就已经可以由初步的计算可以求出声波发射点距地面障碍物间的最大直线距离约为s，即：s=340t/2。即可通过快速声波检测技术估算测量出地面障碍物间点距离空气系统装置点间的最大距离，从而将物理信号反馈给单片机，单片机分析数据之后，一方面将指令信号传输给远近灯光，一方面将数字信号传递给液晶显示模块。

图8 距离传感器原理图

2.6.3 液晶显示模块

本装置采用的是LCD1602液晶模块，液晶显示模块具有以下优点：显示质量高、 体积小、重量轻、低功耗。

液晶显示将距离传感器和光强传感器反馈给单片机的距离和光强转换成的数字信号显示在液晶屏幕上，使得操作者可以直接观测到实时数据，进而掌握小车的动向。

2.6.4 光强传感器

光强传感器是由光敏电阻组成，某些特殊物质在吸收到了光子产生的能量后，产生的本征能吸收光或将杂质所吸收，从而这些光电量改变或降低了固体物质电导率等的一些物理现象也被人称为是半导体物质结构上特殊的低光电导效应。利用了一种具有产生高的光电导效应能力的高导电晶体材料就一定可以经过加工处理制成另一种高电导量密度（或电阻）只会随其入射光的光度量变化而相应变化大小的光电器件，称为半导体高光电导器件或又称光敏电阻器。

光敏电阻将所检测的物理光信号反馈单片机，单片进行分析之后，一方面将指令信号传给远近灯光，一方面将数字信号传输给液晶显示模块，于是就完成了光强信号的检测与分析。

2.6.5 单片机

STC89C52RC单片机是一种采用极低功耗、高性能设计的嵌入式的8位微控制器，具有可在嵌入式系统存储器内实现可编程运算的高性能Flash程序存储器。

表1

2.6.6 ADC0832芯片

图9 液晶显示原理图

ADC0832为新一代高性能的8位高分辨率数字A/D信号转换专用模拟芯片，其模拟输出速率最高达到每秒分辨级可达到每秒分辨256级，可以轻松满足适应于各类一般工业场合要求的高分辨率数字模拟信号的转换等要求。芯片的数据转换和响应转换时间一般也仅为每分钟约为32个μs，具有双数据的校验功能输出数据也是可完全独立的作为单一的数据输出来接受校验，以显著地减少了数据误差，转换的响应速度快且系统稳定性能保持较强。独立的芯片输入，使多路器件间的芯片控制变换和多处理器的自控制变换中的数据转换也更易加快捷和方便。通过DI数据输入端，可以更加轻易更便捷的可以实现多通道功能的选择。

图10 ADC0832 芯片

3 系统功能分析

3.1 远近灯光自动变换功能

整体系统的工作为手动模式和自动模式。手动模式下，由驾驶员自行根据环境主动控制远近灯光开关。自动模式下，通过按键来设置灯光自动切换的距离和开启远近光灯的光强阈值数据，由光敏电阻来检测当前环境的光强，再由光敏电阻输出的电压信号经过ADC0832转换成数字信号。当前光强小于我们所设置的光强阈值时，此时环境较暗，开启灯光。但是，开启远光还是近光灯由超声测距得到的数据来决定，如果所测得的数据小于我们设置的距离数据，说明前方人或其他物体，此时开启近光灯，否则开启远光灯。

3.2 自动模式与手动模式的转换

当汽车前照灯开关置于自动状态下时，汽车前照灯自动调节系统便进入自动控制状态。汽车灯光自动调节系统也会对汽车前照灯的远近灯光切换和开闭进行控制。当开关置于手动状态时，驾驶员可以通过手动来完成对前照灯远近灯光的变换和开闭进行控制。将手动模式调至自动模式即可再次使用灯光自动调节系统[4]。

4 总结

本文主要介绍了装置设计原理系统功能分析，及现今研究情况和发展趋势。此次装置的研究与设计是以单片机STC89C51RC为核心控制器研发的一款汽车灯光自动调节系统，检光模块采用了光强传感器这种灯光自动调节装置更加智能，使得驾驶更加安全。