郭全民，楊 惠，王 健

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，西安710021）

隨著我國科技和經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的普及范圍也越來越廣．汽車在為我們帶來便利的同時，由于照明等問題的影響，道路交通事故頻繁發(fā)生．據(jù)統(tǒng)計，夜間發(fā)生交通事故的比例占事故總數(shù)的50%，對事故的原因統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)照明條件差是重要原因之一［1］．因此設計更實用、更智能的車燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當務之急．

關(guān)于汽車前大燈遠近燈光的自動控制問題，前人也有所研究，也制作出了相應的電子產(chǎn)品．傳統(tǒng)的汽車車燈控制系統(tǒng)有很多特點，但是使用壽命短，采用純電路設計模式，線路復雜［2］．目前在汽車的前大燈遠近燈光的控制問題上，汽車生產(chǎn)廠家大多設計為手動轉(zhuǎn)換裝置控制，人工手動操作，車燈亮度單一，視距較短，不能隨外界環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)亮度和模式［3］；在汽車轉(zhuǎn)彎照射范圍調(diào)整的控制中，汽車前照燈大都不能隨車輪的轉(zhuǎn)向而同步轉(zhuǎn)動，在夜間行駛轉(zhuǎn)彎時就會存在照明死角，轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的路面沒有燈光照明而看不清楚，帶來了巨大的安全隱患［4］．針對汽車車燈控制系統(tǒng)存在的問題，文中設計了以單片機為核心的控制系統(tǒng)．

系統(tǒng)可以對環(huán)境亮度、車速和方向盤轉(zhuǎn)角進行精確感測和判斷，可根據(jù)需要實現(xiàn)前照燈的自動關(guān)閉和隨動轉(zhuǎn)彎，為駕駛員提供最佳照明，同時本系統(tǒng)可以自我診斷，減少汽車前照燈的故障率，將安全事故減小到最低．采用LED作為前照燈，可以延長車燈壽命、提高光質(zhì)量，并且對環(huán)境保護和抑制溫室效應也有重要意義．

1 汽車LED組合燈控制系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用帶控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線接口的單片機為控制器，以各傳感器輸入電路、各開關(guān)量輸入電路、信號調(diào)理電路、步進電機和繼電器驅(qū)動電路、故障報警電路、系統(tǒng)電源等構(gòu)成外圍硬件電路．控制系統(tǒng)通過CAN收發(fā)器與車輛控制器實現(xiàn)信息的交互．系統(tǒng)總體框圖如圖1所示．

1．2 系統(tǒng)基本功能

系統(tǒng)主要實現(xiàn)前照燈自動開閉、會車遠近光燈自動切換、前照燈隨動轉(zhuǎn)彎、前照燈延遲關(guān)閉、故障報警以及車輛中控交互等功能．

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig．1 System overall block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 主控制器

主控制器選擇內(nèi)部集成CAN控制器的AT89C51CC01單片機，該單片機是Atmel公司生產(chǎn)的一種高性價比單片機．自帶CAN控制器，內(nèi)部提供32K 字節(jié)Flash Memory、2K 字節(jié)的Bootloader、2K 字節(jié)EEPROM 和1．2K字節(jié)的RAM，且內(nèi)部自帶10位A／D轉(zhuǎn)換和PWM發(fā)生器等其他功能．擁有34個輸入／輸出（I／O）管腳，最大時鐘頻率40MHz．

2．2 傳感器模塊設計

2．2．1 光照強度檢測模塊

系統(tǒng)選用光敏電阻GL4526來檢測光照的強度．將光敏電阻安裝在汽車前部擋風玻璃前感應外界光強；安裝在后視鏡支架上感應會車時光照強度．光敏傳感器感測光照強度，其阻值大小隨光照強度變化而變化，并將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號．光敏傳感器的信號調(diào)理電路如圖2所示，利用放大器LM324和比較器LM339對信號進行放大、比較后，分別通過單片機I／O口P1．0和P1．1送入單片機進行判斷處理，調(diào)節(jié)電位器Rf的阻值可以設定負端的門限電壓．在電壓比較器中加入正反饋，形成滯回比較器，可以提高比較器的抗干擾能力，避免輸出電壓在閾值點反復跳變．

圖2 光敏傳感器信號調(diào)理電路Fig．2 Light sensors signal conditioning circuit

2．2．2 車速檢測模塊

系統(tǒng)用霍爾車速傳感器，將傳感器安裝在汽車變速軸輸出軸上，頂端靠近帶齒的轉(zhuǎn)子處，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，線圈上就會產(chǎn)生交流信號，車速傳感器將交流信號轉(zhuǎn)化成為電壓信號，輸入到單片機，然后計算出采樣周期內(nèi)累積的脈沖數(shù)，式（1）計算出車輛的速度

式中：N為單位時間內(nèi)傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；R為車輪半徑；T為脈沖采樣周期；Z為信號齒的齒數(shù)；i為主傳動比．

車速傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示，由于傳感器輸出的信號比較小，通過電容C8的充放電來實現(xiàn)準確檢測信號，經(jīng)RC濾波和光電隔離后通過P1．2口輸入到單片機進行計數(shù)處理．

圖3 車速傳感器信號調(diào)理電路Fig．3 Vehicle speed sensor signal conditioning circuit

2．2．3 方向盤轉(zhuǎn)角檢測模塊

張華軍：當我們把關(guān)注點放到“關(guān)系”上時，我們可能就要打破新手教師和成熟教師的界限，因為我們可以看到，新手教師對課堂非常藝術(shù)的處理，他能自覺地在一個不斷生成的課堂允許很高質(zhì)量的創(chuàng)造發(fā)生，而這種情況可能不會在一個經(jīng)驗豐富的成熟教師身上發(fā)生。我們不能完全把它歸結(jié)為天賦，它一定是與一個人的思維品質(zhì)和他對教育的深層次理解有關(guān)，也與教師是否愿意探究課堂教學技術(shù)層面之外的更深層次的東西有關(guān)。

由光電編碼器原理可知，當方向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時，光電編碼器便會發(fā)出與角度值成比例的A、B兩路數(shù)字脈沖信號，相位差90°，正轉(zhuǎn)時A超前B90°，反轉(zhuǎn)時B超前A90°．通過對脈沖的計數(shù)可以得到方向盤轉(zhuǎn)角的大?。?］．系統(tǒng)選用光電編碼器ZSP3806，分辨率為360個脈沖／圈．需要對編碼器的輸出信號進行鑒相后才能計數(shù)．

鑒相計數(shù)電路如圖4所示．由一個D觸發(fā)器、2個與非門和3片74LS193計數(shù)器組成．在系統(tǒng)上電初始化時，先對CLR信號進行復位，再將LD信號初值設為800H，即2048．當方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，A超前B 90°，上面與非門關(guān)閉，下面與非門打開，計數(shù)脈沖送至計數(shù)器的加脈沖輸入端CPU進行加法計數(shù)；當方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，B超前A 90°，下面與非門關(guān)閉，上面與非門打開，計數(shù)脈沖通過波形送至計數(shù)器的減脈沖輸入端CPD進行減法計數(shù)．

圖4 鑒相計數(shù)電路Fig．4 Phase counting circuit

2．2．4 電流檢測模塊

系統(tǒng)選擇ACS712系列霍爾元件電流傳感器測量電路中電流變化．該器件為5V單電源操作，輸出靈敏度185mV／A，可測±5A的電流，能輸出與檢測的電流成比例的電壓．傳感器檢測線路中電流變化量，通過P0．0口輸入到單片機，經(jīng)過內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換、判斷處理，當線路中電流變化大于等于±10%時，單片機P2．7輸出高電平，蜂鳴器報警．

2．3 發(fā)動機和車門檢測模塊

系統(tǒng)通過用I／O口檢測發(fā)動機和車門的工作狀態(tài)，其電路如圖5所示．發(fā)動機工作狀態(tài)和車門狀態(tài)都是開關(guān)量，采用RC濾波和PC827光電隔離后通過I／O口P3．0和P3．1輸入到單片機．圖中的發(fā)光二極管分別用來指示車門和發(fā)動機的工作狀態(tài)．當汽車發(fā)動機停止工作且車門打開時，延時照明功能才開始工作．

圖5 發(fā)動機工作狀態(tài)和車門狀態(tài)檢測電路Fig．5 Engine operating condition and door state detection circuit

2．4 繼電器模塊

繼電器分別控制前照燈的打開和關(guān)閉以及遠近光燈的自動切換，其電路如圖6所示．

光電耦合器和三極管分別對信號進行隔離、放大，驅(qū)動繼電器工作．系統(tǒng)中并入一個續(xù)流二極管，防止繼電器釋放時線圈兩端產(chǎn)生較高的反向感應電動勢損壞三極管．本系統(tǒng)的設計是在晚上讓前照燈的遠光電路一直工作，在會車時遠光燈切換近光燈，會車結(jié)束遠光燈繼續(xù)工作．

圖6 前照燈自動開閉和遠近光燈自動切換電路Fig．6 Headlight automatic opening and closing circuit andhigh beam and low beam lights automatic switching circuit

2．5 步進電機驅(qū)動模塊

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件．系統(tǒng)采用四相六線混合式步進電機，型號為42BYG015，步距角為0．9°或1．8°．系統(tǒng)步進電機的控制采用雙四拍的方式，當通電順序為AB→BC→CD→DA→AB時，步進電機正轉(zhuǎn)；當通電順序為BA→AD→DC→CB→BA時，步進電機反轉(zhuǎn)．本系統(tǒng)采用步進電機專用控制器L297和雙H橋驅(qū)動芯片L298N來完成步進電機驅(qū)動電路的設計．步進電機驅(qū)動電路如圖7所示．

圖7 步進電機驅(qū)動電路Fig．7 Stepper motor drive circuit

2．6 CAN控制模塊

2．7 電源模塊

汽車上的蓄電池輸出電壓為＋12V，電源經(jīng)三端穩(wěn)壓管LM7805穩(wěn)壓，將電壓穩(wěn)定在 ＋5V供單片機控制電路使用．

3 系統(tǒng)軟件設計

由于汽車行駛時道路情況、行車參數(shù)變化較快，軟件設計主要要求功能的可靠性和準確性，根據(jù)控制的主要功能，車燈控制系統(tǒng)運行時，以前照燈控制為主．采用C語言編程，程序全部實現(xiàn)模塊化設計，按照系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)程序分為幾個模塊：主程序模塊、前照燈自動開閉子程序模塊、會車自動變光子程序模塊、前照燈水平偏轉(zhuǎn)子程序模塊、前照燈延遲關(guān)閉子程序模塊、故障檢測子程序模塊．系統(tǒng)上電初始化時，定義系統(tǒng)所使用的各個變量，同時將內(nèi)存清零、設置計數(shù)器初始值．系統(tǒng)不斷地對各個程序進行掃描和檢測，實現(xiàn)系統(tǒng)各個模塊的功能。電流傳感器檢測線路中電流信號，當電流變化值大于或者等于10%時，蜂鳴器報警，當電流變化值小于10%時，發(fā)動機開啟，前照燈自動開閉子程序模塊、會車自動變光子程序模塊、前照燈水平偏轉(zhuǎn)子程序模塊開始工作，當夜間汽車停車，發(fā)動機停止且車門打開時，前照燈延遲關(guān)閉子程序模塊開始工作，開啟延時照明功能，延遲10s，延遲結(jié)束后，前照燈關(guān)閉，系統(tǒng)停止工作．

4 系統(tǒng)模糊控制策略

4．1 輸入輸出論域以及量化因子的確定

前照燈轉(zhuǎn)動角度模糊控制器的輸入是將速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測到的信號模糊化，將精確量模擬成所能感知的大中小模糊矢量［7］．論文確定輸入變量為車速v和方向盤轉(zhuǎn)角φ，輸出為車燈偏轉(zhuǎn)角度θ．其基本論域確定如下

① 車速基本論域：由實際行車經(jīng)驗可得汽車轉(zhuǎn)彎時速度一般低于直線行駛時速度，根據(jù)車輛右轉(zhuǎn)彎速度的預報方法研究表明，85%的車輛轉(zhuǎn)彎速度是27．4～46．7km·h-1．取速度的基本論域為［0，50］，將其量化為9個等級｛0，1，2，3，4，5，6，7，8｝，車速的量化因子k1＝8／50＝0．16．偏差語言變量取5個，即｛VS（很?。?，S（?。?，M（中），B（大），VB（很大）｝．實際檢測到的車速與量化論域車速的關(guān)系式為

② 方向盤基本論域：方向盤的轉(zhuǎn)角為±900°，取方向盤轉(zhuǎn)角的基本論域為［-900°，＋900°］，量化為13個等級｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，方向盤轉(zhuǎn)角量化因子k2＝6／900＝0．007．偏差語言變量為7個，即｛NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）｝．實際檢測到的方向盤轉(zhuǎn)角與量化論域方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系為

③前照燈轉(zhuǎn)動角度基本論域：取車燈水平偏轉(zhuǎn)角度范圍為［-30°，＋30°］，將其量化為13個等級｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，轉(zhuǎn)角的量化因子k3＝30／6＝5．偏差語言變量為7個，即｛NB （負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）｝．

4．2 模糊控制規(guī)則的確定

模糊控制規(guī)則是操作員總結(jié)控制經(jīng)驗，得出的模糊條件語句的集合，它是模糊控制器的核心．本系統(tǒng)中方向盤轉(zhuǎn)角是控制車燈偏轉(zhuǎn)的主要因素，對車燈手動控制經(jīng)驗的總結(jié)，得出一組模糊控制規(guī)則表，見表1．

表1 模糊控制規(guī)則表Tab．1 Fuzzy control rule table

利用Matlab模糊控制工具箱，將規(guī)則表導入到模糊控制系統(tǒng)中，其規(guī)則觀察器、輸入輸出曲面關(guān)系，分別如圖8～9所示．

圖8 模糊規(guī)則查看器Fig．8 Fuzzy rule viewer

圖9 模糊推理輸入輸出曲面Fig．9 Input and output surfaces of fuzzy inference

4．3 模糊控制表的建立

文中選用 Mamdani控制規(guī)則為模糊控制規(guī)則．建立模糊控制推理語句

式中：μθ為模糊控制隸屬度函數(shù)值；θk為模糊輸出值．

對輸入空間論域中的全部組合計算出相應的輸出控制量，可以得到一個實時查詢的控制表，見表2．

4．4 輸出量的清晰化

需要把模糊控制表得到的輸出值去模糊化，變成實際的控制量．根據(jù)模糊控制表得到模糊輸出量論域上的值，并且轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)實際所需控制量φS＝K3φN＝5φN．

表2 模糊控制表Tab．2 Fuzzy Control Table

5 仿真測試

5．1 仿真環(huán)境

通過Keil軟件和Proteus軟件聯(lián)合實現(xiàn)仿真．在Keil 2中編寫程序源代碼并且進行調(diào)試產(chǎn)生HEX文件，在Protues畫出每個模塊的原理圖，由于Protues中沒有該系統(tǒng)單片機，系統(tǒng)單片機AT89C51CC01是Atmel公司成產(chǎn)的一種八位微控制器，與8051系列單片機兼容，因此選用AT89C51單片機，設置控制器的晶振頻率為11．0592Hz，將生成的源代碼導入到單片機中，進行仿真，驗證系統(tǒng)的可行性．

5．2 仿真結(jié)果及分析

在Protues中對步進電機進行交替的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，測試前照燈能否實現(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)，仿真原理圖如圖10所示．

圖10 步進電機Protues仿真原理圖Fig．10 Simulation schematic of stepper motor protues

由Protues自帶的虛擬示波器觀察加在步進電機各相繞組上的脈沖控制信號的順序，可以看出加在步進電機每一相繞組上的脈沖控制信號可以判斷和預期的效果是否一致．仿真結(jié)果如圖11～12所示．由仿真結(jié)果可以得到步進電機正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)勵磁狀態(tài)，見表3～4．

通過測試可知，文中所設計的步進電機原理圖，以及編寫的步進電機驅(qū)動程序，可以實現(xiàn)對步進電機的預期控制，從而實現(xiàn)前照燈的水平偏轉(zhuǎn)．接下來對每一個模塊在Protues中進行系統(tǒng)仿真和調(diào)試，最后在實物中調(diào)試，實現(xiàn)預期效果．

圖12 步進電機反轉(zhuǎn)Fig．12 Reverse rotation of stepper motor

表3 步進電機正轉(zhuǎn)勵磁狀態(tài)表Tab．3 Stepper motor forward excitation state table

表4 步進電機反轉(zhuǎn)勵磁狀態(tài)表Tab．4 Stepper motor reverse excitation state table

6 結(jié) 論

文中將模糊邏輯推理應用到系統(tǒng)控制中，方向盤轉(zhuǎn)角和車速作為控制器的輸入，車燈偏轉(zhuǎn)角度作為控制系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)了對前照燈水平偏轉(zhuǎn)的控制，通過Protues軟件進行系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同仿真驗證，LED前照燈智能控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)汽車照明系統(tǒng)手動控制的弊端，實現(xiàn)了前照燈的自動開閉，遠近光燈自動切換，前照燈隨動轉(zhuǎn)彎等各種功能，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，可廣泛應用．由于目前模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)完全由經(jīng)驗來制定，所以進一步優(yōu)化控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)為下一步工作的重點．

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