基于加速度的汽车刹车灯控制器设计

王楠，芦锦焕，黄秋霞

（台州职业技术学院浙江台州318000）

基于加速度的汽车刹车灯控制器设计

王楠，芦锦焕，黄秋霞

（台州职业技术学院浙江台州318000）

为了使汽车刹车灯给后车提供刹车深度的信息，根据最新实施的国家标准选装紧急制动指示装置要求，采用单片机+加速度传感器的模式，设计了一种基于减速程度的刹车灯控制器。将减速度分为紧急刹车，中度刹车和轻度刹车3种状态，并给出不同频率的闪烁灯光，提醒后车注意。控制器直接串接于原车刹车灯的驱动线中，安装方便、可靠，它对避免汽车被追尾有较大的实用价值。

汽车安全；刹车灯；加速度；闪烁

在我国高速公路事故中，追尾碰撞数据约占了三分之一，在德国约占17%，美国占到了31%［1］。在国内，随着汽车保有量的大幅提升，新手越来越多，追尾事故更是层出不穷。追尾的原因，一方面是新手对制动距离把控不准，另一方面，由于制动灯信号没有区别，后车误把前车的急刹车当成普通减速而没有及时采取“同步刹车”［2-4］。所以前车紧急制动时通过某种方式及时提醒后车驾驶员，为后车提供更多的减速刹车时间将有效减少事故的发生。研究表明，使用闪烁灯光与传统制动灯相比，司机的反应能够缩短0.2秒。在80 km/h的速度下，制动距离能缩短约4.4m，100 km/h时可缩短5.5m。这4～5m的距离，不仅能有效预防追尾事故的发生，让交通更加顺畅，还减少了许多不必要的损失。

据统计，我国2014年底汽车保有量达1.54亿辆，其中私家车达1.05亿辆，比2013年增加19.89%，接下去几年的产销量总体上会保持目前的趋势。国家工信部装备工业司副司长王富昌预测，到2020年，全国汽车保有量将超过2亿辆。然而市场上配备了紧急制动信号识别装置的车辆还比较少，因此研发推广此控制器有广泛的社会和经济价值。

1　设计方案

刹车灯控制能够在司机踩下刹车后实时判断车辆减速程度，当减速度达到预设值后，控制器驱动LED刹车灯以快速、中速或者长亮方式点亮，从而及时提醒后车司机采取相应措施。虽然这样的技术要求可以通过修改汽车电子集成系统（ECU）来实现，但人们对汽车电子的可靠性和安全性要求非常高，ECU系统更是要求百分之一百的可靠，所以汽车ECU厂家在设计中宁愿舍弃一些创新功能而不会轻易改版，在汽车改装中，技术人员更是不会触及ECU系统。为此，本汽车智能刹车灯设计完全脱开原车ECU系统，从安装方便，安全可靠的角度出发，减速程度信号由安装于控制器内的加速度传感器获得，刹车信号来自于原车的刹车灯电源线。控制器连接示意图如图1。

图1　控制器连接示意图

产品设计中特别注意的地方有：1）经过改装的刹车灯首次点亮不能比改装前有延迟；2）控制器输出电阻要尽量小，即不能明显影响原刹车灯的亮度；3）汽车电源（刹车灯电源）电压波动较大，还会有高频脉冲干扰，控制器要有较好的EMC性能［5］。

2　硬件设计

根据设计思路，控制器串接于原刹车灯电源线路中，控制器的电源来自原车刹车灯的电源，只有当刹车踩下时，刹车灯得电，控制器随之工作，控制器结构框图如图2［6］。

图2　控制器结构框图

微控制器选用美国MICROCHIP（微星）公司系列单片机PIC12F1822，微星单片机是全球稳定性、抗干扰性最好的单片机之一，虽然价格偏高，但用在汽车电子上还是首选。PIC12F1822采用最新nanoWatt XLP技术生产的超低功耗小型单片机，SOP8封装，在1.8V工作电压时待机电流低至20 nA，它内部带有可编程的精确振荡器，PWM模块和IIC通信模块。

加速度传感器选用美国ANALOG公司生产的ADXL345，该传感器是一款小而薄的超低功耗高分辨率3轴加速度计，测量数据可通过IIC方式与单片机进行通讯，传感器与单片机的连接方式如图3所示。

控制器串接于原车的刹车灯电源线上，一旦刹车灯电源线得电，刹车灯马上亮起，不能有延迟。因此，在设计输出的控制电路中，要考虑单片机在上电瞬间，未进行初始化前，刹车灯要处于亮的状态。具体电路如图4。RA5为PIC单片机的输出引脚，该引脚在复位阶段和初始化前为输入状态，即高阻状态，对电路不产生影响，此时，NMOS管控制脚为高电平，MOS管导通，刹车灯点亮，首次点亮速度无任何延时。NMOS管选用LR7843，该MOS管平均电流达11 A，导通电阻3.3mΩ，对刹车灯的亮度无影响。

图3ADXL345与单片机的连接图

图4　刹车灯输出控制图

单片机PIC12F1822的工作电压为1.8～5.5V，加速度传感器ADXL345为2.0～3.6V，为了匹配两个器件的工作电压，控制电路电源经过多级保护后使用AMS1117作为稳压器件，输出电压固定为3.3V。具体电路如图5所示。

图5　电源变换电路

控制器可以单独控制高位刹车灯，也可以稍加改造，控制所有的刹车灯，同时还可以引入车速信号，使之完全符合《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》的要求。

3　软件设计

单片机编程采用MPLAB软件，可使用C语言编译器，程序主流程图见图6。初始化过程主要是设置端口以及I2C模块等。读取加速度值是单片机与加速度ADXL345按照I2C通讯协议获取3轴加速度值，需要注意的是受到车辆振动，控制器安装角度等因素影响，加速度可能在X、Y、Z 3个方向均会出现偏离值，在判断时需要进行修正。参照国家标准并结合实际情况，当减速度达到6m/s2及以上时，认为是紧急制动，4m/s2至6m/s2为中度刹车，4m/s2以下为轻度刹车。紧急制动时高位刹车灯以4 Hz频率闪烁，中度刹车时2.5 Hz闪烁，轻度刹车时灯常亮，与传统刹车灯模式相同。当车辆踩住刹车静止10s以上，高位刹车灯仿照“呼吸灯”模式输出频率约为1 Hz的渐明渐暗灯光，如车辆处于等待红绿灯状态时，对后车司机情绪有一定舒缓作用。

4　生产工艺设计

汽车环境相对恶劣，经常处于高低温、潮湿、灰尘等环境，控制器使用铝外壳，铝壳由电路板外壳专用型材切割而成，型材内有卡槽，电路板可直接卡入铝型材卡槽。电路板上所有器件采用贴片封装，使用全自动贴片机可以一次性贴装到位，焊接后的电路板经过高温老化后进行检验，模拟高速减速方式比较困难，在实际检验中，只需通电10s后，观察是否有“呼吸灯”输出即可。由于ADXL345元件采用14脚基板栅格阵列封装（CC-14-1），引脚在元件底部且间距只有0.25 mm，受到加工工艺影响，部分电路板会有虚焊或元件偏移的问题，此类电路板通常用热风枪将ADXL345摆正重新焊接即可。为了增强防水性和散热性，电路板安装到铝壳后，用硅胶灌封。为了安装方便，铝外壳贴上3M双面胶，用户只需将原车的高位刹车灯电源线断开，串入控制器，并将控制器水平粘贴在汽车内即可。

图6　主流程图

5　结论

文中根据国家标准和实际应用，设计了一款由单片机和加速度传感器为核心的刹车灯控制器，给出了具体的电路图和软件设计主流程图，对设计中的注意点进行了比较详细的阐述。安装该刹车灯控制器后，当车辆发生紧急制动时刹车灯会自动快速闪烁，使后车驾驶员很容易区分普通刹车和紧急刹车，并采取相应的避让措施，从而最大限度地降低追尾事故的发生。

［1］韩天龙.汽车智能化防追尾碰撞系统的研究［J］.机械制造与自动化，2012（3）:146-147，150.

［2］卢珞先，吴恒.基于ATmega8L的智能LED紧急刹车灯的设计［J］.国外电子元器件，2008（4）:69-71.

［3］袁刚强，邓世建，吴玉康.基于AVR的新型防汽车追尾安全装置设计［J］.电子设计工程，2009（10）:61-62，65.

［4］陈鑫，龚晓峰，杨斌，等.一种三级智能预警刹车控制及其显示系统设计［J］.计算机测量与控制，2012（11）:3054-3056.

［5］何宇虹.LED车灯电磁骚扰驱动设计及整改探讨［J］.中国高新技术企业，2015（26）:32-33.

［6］王楠.一种车辆紧急制动信号灯:中国，2014207590876［P］.2015-05-06.

Design of the vehicle brake light controller based on acceleration

WANG Nan，LU Jin-huan，HUANG Qiu-xia
（Taizhou Vocational&Technical College，Taizhou 318000，China）

In order to provide brake depth to the rear vehicles，according to the requirement of national standards for emergency braking device which implemented latest，we design a brake light controller based on the vehicle deceleration degree using the MCU+acceleration sensor model which classifies the speed into three statuses-emergency braking，medium braking and light braking，and it gives different frequencies of flashing lights to alert the rear vehicles.The controller connect to the original car driving line of brake lights directly，it's reliable，easy to install，and it creates significant and practical values on avoiding rear-end collision.

vehicle safety；brake light；acceleration；flashing

TN98

A

1674－6236（2016）17-0171-02

2015-08-29稿件编号：201508166

浙江省大学生科技创新项目（2014R460002）；台州职业技术学院大学生科技创新项目（2013DKC02）

王楠（1983—），女，浙江台州人，硕士，讲师。研究方向：嵌入式控制。