汽车远近灯自动控制系统设计

新疆农业大学机械交通学院机电一体化课程（设计）论文题目：汽车远近灯自动控制系统姓名与学号：田普083731245指导教师：郭俊先年级与专业：机械设计及其自动化082班所在学院：机械交通学院课程评分：二零一一年十二月十七日-1-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，自动控前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。1.基于C51单片机汽车远近灯控制方案1.1设计思想设计选用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。1.2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。-2-图2.1系统框图1.3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：1.3.1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。1.3.2PIN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。1.3.3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。1.3.4光电晶体管控制开关电路光检测输入电路AT89C51调光控制输出电路时钟电路复位电路-3-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。1.3.5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。1.4半导体光探测器的特征参数1.4.1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。1.4.2噪声：探测器的噪声源通常有以下几种：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；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；热噪声:它是电阻材料中离散的载流子的热运动所造成的。1.4.3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。1.4.4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。1.4.5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-4-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。1.4.6工作温度工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探测器的重要性能参数之一。光电探测器工作温度不同时，性能有变化，例如象HgCdTe探测器一类的器件在低温(77K)工作时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性能逐渐变差，以致无法使用。本章对半导体光探测器件的原理与特性进行了分析，以利综合考虑人眼视觉曲线和常见车灯光谱范围选择合适的光敏器件。综合考虑后，本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。2.系统硬件实现2.1主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面接受传感器传来的信号，另一方面，将接收到的信号经过处理后送给输出端，从而达到自动控制的目的。2.1.180C51系列80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。[16-17]2.1.280C51的基本结构-5-图3.180C51的基本结构2.1.2.180C51的微处理器（CPU）运算器：累加器ACC；寄存器B；程序状态字寄存器PSW。控制器：程序计数器PC；指令寄存器IR；定时与控制逻辑2.1.2.280C51的片内存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间：内部ROM容量4K字节，范围是：000H-0FFFH；内部RAM容量128字节，范围是：00H-7FH2.1.2.380C51的I/O口及功能单元四个8位的并行口，即P0-P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线；有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；有2个16位的定时/计数器；有1套完善的中断系统。2.1.2.480C51的特殊功能寄存器（SFR）内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，IE，IP等21个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80H-FFH。2.1.380C51单片机的的封装和引脚80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3.2所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字节RAM128字节SFR21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工2个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS-6-图3.280C51的引脚和封装电源:VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端；时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线:控制线共有4根，ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源，Vpp，I/O线：80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。2.1.480C51单片机的时钟8051