鄒镕江,張美琪
(鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224000)
據(jù)公安部統(tǒng)計(jì),截至2021年9月,全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.90億輛,其中汽車為2.97億輛,而2021年前三季度新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車為2 753萬輛,同比增加436.3萬輛。隨著汽車數(shù)量的不斷增加,以及交通事故對(duì)人們所造成的災(zāi)難與損失愈發(fā)嚴(yán)重,人們愈加注重汽車安全。
在能見度差的霧天、雨天或夜晚等情況,因?yàn)橐暰€受阻、所??康穆愤厽o路燈、路燈的燈光昏暗或者??柯愤叺能囕v辨識(shí)度不高等諸多客觀因素,駕駛員會(huì)暫停在路邊停靠,這會(huì)與過往車輛發(fā)生刮蹭,甚至可能發(fā)生重大的交通事故。有些汽車品牌利用路邊停車燈的停車警示功能來降低上述風(fēng)險(xiǎn)。
路邊停車燈是當(dāng)車輛停靠路邊時(shí),左側(cè)的停車燈始終閃爍,以此提醒過往車輛避免發(fā)生擦碰。除此之外,路邊停車燈的耗電量很低,即使停一整晚也不會(huì)造成汽車電瓶虧電的情況。本文采用單片機(jī)定時(shí)器中斷方式設(shè)計(jì)一款能夠滿足車輛需要的路邊停車燈控制器。在保證不會(huì)造成汽車電瓶虧電的情況下提高汽車停車時(shí)的安全性。
本研究設(shè)計(jì)的路邊停車燈控制器工作原理:當(dāng)司機(jī)根據(jù)自身的需求在路邊停車并主動(dòng)按下路邊停車燈的控制按鈕時(shí),單片機(jī)可以檢測(cè)到信號(hào)變化,由其內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生500 ms的信號(hào),從而控制路邊停車燈的亮、滅變化,使汽車尾部左側(cè)的停車燈產(chǎn)生閃爍的效果,以此提醒過路車輛,從而避免擦碰。系統(tǒng)的相關(guān)需求如下:
(1)電源:輸入為DC12 V;輸出為DC12 V/0.5 A;5 V/0.2 A。
(2)系統(tǒng)輸入信號(hào)數(shù)量及種類:1路開關(guān)信號(hào)。
(3)系統(tǒng)輸出信號(hào)數(shù)量及種類:1路驅(qū)動(dòng)1 W/12 V LED型停車燈的亮、滅閃爍。
1.單片機(jī)型號(hào)的選擇
通過上述系統(tǒng)效果及相關(guān)需求分析可知:該路邊停車燈控制器系統(tǒng)為一個(gè)不太復(fù)雜控制系統(tǒng),對(duì)單片機(jī)的存儲(chǔ)器沒有過高要求,所以從性價(jià)比、開發(fā)成本等方面比較SST公司的SST89E52 RC、NXP公司的P89C51X2、Atmel公司的AT89C51,最終選用AT89C51單片機(jī)。
2.輸入接口的方案設(shè)計(jì)
考慮到路邊停車燈控制器系統(tǒng)只有一路開關(guān)控制信號(hào),因此,可以選擇與單片機(jī)具有上拉電阻的I/O口相連接,所以選用AT89C51的P1.0引腳作為輸入接口。
3.輸出接口的方案設(shè)計(jì)
考慮到路邊停車燈控制器系統(tǒng)只有一路開關(guān)控制的輸入信號(hào)用于控制1 W/12 V LED型停車燈的亮、滅閃爍,所以選用AT89C51的P2.4引腳作為驅(qū)動(dòng)端口。
4.電源的方案設(shè)計(jì)
由于汽車本身的電源可以直接提供12 V直流低壓電源,因此,電源設(shè)計(jì)只需要將12 V轉(zhuǎn)換為+5 V即可。
5.硬件與軟件的功能劃分
硬件具備的功能有:直流12 V/5 V穩(wěn)壓;AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng);路邊停車燈控制開關(guān)輸入接口;路邊停車燈輸出隔離驅(qū)動(dòng)接口。
軟件具備的功能有:系統(tǒng)初始化;路邊停車燈控制開關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)及判斷,路邊停車燈的閃亮控制。
6.采取的可靠性措施
因?yàn)槠囯娫床粌H有蓄電池提供的直流電,還有發(fā)電機(jī)輸出的較大紋波的直流電,對(duì)電源的干擾相對(duì)較大,所以在電源的設(shè)計(jì)中采用濾波技術(shù)。
路邊停車燈控制器電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
單片機(jī)的外圍電路包括12 V/5 V的穩(wěn)壓電路、路邊停車開關(guān)、振蕩電路、復(fù)位電路以及停車燈隔離驅(qū)動(dòng)控制電路。路邊停車開關(guān)作為輸入信號(hào)與單片機(jī)帶有上拉電阻的P1.0引腳相連;停車燈隔離驅(qū)動(dòng)控制電路作為輸出與單片機(jī)的P2.4引腳相連。文章主要采用Proteus對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
電源電路如圖2所示。
電源電路主要由電感1、兩個(gè)電容值為220 μF的電容1和2、兩個(gè)電容值為0.1 μF的電容3和4、線性穩(wěn)壓電路78M05組成。因?yàn)槠囯娫纯梢灾苯犹峁?2 V的直流低壓電源,所以本文采用輸出額定電流為0.5 A的78M05進(jìn)行12 V/5 V的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換。
因?yàn)槠囯娫粗邪l(fā)電機(jī)輸出的直流電紋波較大,對(duì)電源的干擾相對(duì)較大,所以在電源的設(shè)計(jì)中要采用濾波技術(shù),故輸入采用將電感器和電容器串聯(lián)后形成的電路進(jìn)行濾波和高頻去耦濾波,輸出采用高頻去耦濾波。
石英晶體振蕩器通常被稱為晶振,主要利用晶體的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作。振蕩電路如圖3所示,主要是由12 MHz的晶體振蕩器和兩個(gè)電容值為33 pF的電容組成。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要進(jìn)行精確的定時(shí)中斷處理,所以晶體振蕩器采用12 MHz進(jìn)行時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),其中電容值取33 pF,以確保定時(shí)中斷的計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為1 μs。
復(fù)位電路作用是在上電或復(fù)位過程中,控制中央處理器(Central Processing Unit, CPU)的復(fù)位狀態(tài),這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài),而非一上電或剛復(fù)位完畢就工作,防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤指令、執(zhí)行錯(cuò)誤的操作。
在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì),上電復(fù)位電路如圖4所示,單片機(jī)的第9腳為硬件復(fù)位端,與電源直接相連。
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中停車燈的額定工作電流為0.083 A,取2倍的電流裕量,這樣的驅(qū)動(dòng)方式有三極管或場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)放大驅(qū)動(dòng)、光耦加放大的固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)以及達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)陣列等。本文選用每路驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)0.2 A的達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)陣列集成電路ULN2003A來進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng),該芯片最大驅(qū)動(dòng)電壓為50 V,最大驅(qū)動(dòng)電流為0.5 A。驅(qū)動(dòng)端口選用AT89C51的P2.4引腳。
整體電路圖如圖5所示。
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件功能主要有系統(tǒng)初始化、路邊停車判斷、車尾左側(cè)停車燈閃爍控制、定時(shí)器中斷定時(shí)控制。
因?yàn)閱纹瑱C(jī)的晶振頻率為12 MHz,所以其一個(gè)機(jī)器周期為1 μs,雖然定時(shí)器工作于定時(shí)模式1的定時(shí)時(shí)間是最長(zhǎng)的,但也只有2μs=65.536 ms。而本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求的定時(shí)時(shí)間為500 ms,所以采取定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1工作于工作方式1,定時(shí)時(shí)間為50 ms,中斷10次的方式,控制車尾左側(cè)停車燈亮或滅一次。
根據(jù)系統(tǒng)功能分析,設(shè)計(jì)出如圖6所示的主程序流程圖。
根據(jù)上述所說的軟件功能分析,設(shè)計(jì)如圖7所示的中斷服務(wù)程序流程圖。
路邊停車燈打開時(shí),停車燈滅如圖8所示。
路邊停車燈打開時(shí),停車燈亮如圖9所示。
本文從汽車停車的安全角度考慮,為提高汽車停車的安全性,以AT89C51為電機(jī)控制單元,利用定時(shí)器中斷方式設(shè)計(jì)了一款能夠滿足車輛需求的路邊停車燈控制器。通過控制系統(tǒng)的相關(guān)需求制定方案設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上完成硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件方面的設(shè)計(jì)。最后在Proteus軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真,并取得預(yù)期的效果。