基于单片机的汽车智能高位刹车灯控制器设计

彭湘灵

摘  要：本作品是一种新型汽车智能高位刹车灯控制器，通过对OBD接口读取汽车行驶数据（节气门开度、汽车车速等信息），通过综合运算与处理后，控制汽车高位刹车灯进行各种不同的工作状态，达到警示后方驾驶员的目的。

关键词：OBD数据读取;智能高位刹车灯;单片机

中图分类号：U468.2         文献标志码：A     文章編号：2095-2945（2019）35-0081-02

Abstract： This work is a new type of intelligent high position brake lamp controller. Through the OBD interface， it it able to read the vehicle driving data （throttle opening， vehicle speed， etc.）， and through the comprehensive operation and processing， it can control the car high brake lamp for a variety of different working conditions， so as to achieve the purpose of warning the rear driver.

Keywords： OBD data reading; intelligent high brake lamp; single chip microcomputer

1 研究背景

在国内外因汽车引起的各类交通事故中，追尾事故所占比例较大，在高速公路上，追尾事故更列为首位，因汽车在高速行驶时，后车驾驶员不能准确判断前车的行驶状态，无法提前采取预防措施，只能凭经验判断，以致容易造成事故的发生。

目前，汽车的刹车灯是由制动踏板控制的，当驾驶员踩下制动踏板，刹车灯开关闭合，刹车灯亮，提醒后面来车，这种刹车提供的信号与汽车制动动作同时产生，不能预警也不能闪烁。现有的第三高位刹车灯，在实际运用中只起到了强化刹车灯的作用，起不到刹车提前警告和提示驾驶动态的作用。随着交通事业的发展，高速公路通车里程增多，汽车行驶速度有很大提高，为了保证行车安全，防止交通事故的发生，迫切需要对原来仅靠刹车灯来显示汽车刹车制动状态的状况进行改进。

汽车的油门踏板和制动（刹车）踏板是由驾驶员右脚控制的，在汽车行驶过程中，驾驶员的右脚长时间放在油门踏板上，当需要制动时，必须松开油门踏板后，再踩下制动踏板，这段时间一般在0.5秒左右。在高速公路上行驶的汽车车速一般在100km/h左右，即每秒约30m，如果提前0.5秒采用措施，则可增加约15m的安全距离，从而大大减少追尾事故及减轻交通事故的危害程度，减少生命财产的损失。

综上所述，研究一个能检测汽车行驶状态、汽车故障等信息，功耗低、控制功率小，安装无损、便捷的高位刹车灯控制器具有十分重要的意义。

2 总体设计

2.1 功能描述

（1）无损加装原则。本控制器加装时无损安装，不影响原车刹车灯的控制，高位刹车灯在原车制动控制时具有优先原则。（2）提前预警。驾驶员松开加速踏板后、踩下制动踏板前，高位刹车灯在松开加速踏板后能立即以3Hz频率闪动，提前提示后面车辆。此步骤比传统汽车制动时能提前至少0.5秒的时间警示后方车辆。（3）辨别紧急制动状态。当驾驶员紧急制动时，高位刹车灯以10Hz频率闪动，提示后车注意。（4）故障自动警示。车辆有故障存在时，高位刹车灯“3短、3长、3短”闪动，警示后车辆。（5）缓解视力疲劳。车辆长时间制动时，高位刹车灯在制动10秒后进入“呼吸”（由亮到暗，由暗到亮）状态，以缓解后方车辆驾驶员的视力疲劳。

2.2 基本思路

（1）利用汽车车载OBD接口读取汽车运行数据，根据节气门开度、车速等数据判断汽车是否处于急减速和松油状态，预判驾驶员的操作意图，从而提前控制高位刹车灯工作，并提示后方驾驶员提前采取措施，利用OBD接口利用外接OBD解码芯片对OBD协议进行解码，同时利用单片机读取汽车行驶数据，并进行运算后控制高位刹车灯进入相应的工作状态。（2）考虑到无损安装问题，将控制系统分为OBD读取和高位刹车灯控制器两大部分，由315MHz无线传送数据。考虑到高位刹车控制器取电问题，为了不破坏原车的线路，也不额外增加原车用电设备的负荷，增加4600mAH，12V电池给高位刹车控制器供电。

3 硬件设计

汽车智能高位刹车灯控制器由OBD数据读取和高位刹车灯控制装置两大部分组成。OBD数据读取装置由OBD协议转换、控制系统、315MHz无线模块组成，高位刹车灯控制装置由控制系统、电池、315MHz无线模块、LED驱动电路、保护电路组成。总体设计组成框图如图1所示。

3.1 控制系统

单片机是控制系统的核心单元，采用STC公司的STC15W408AS系列单片机，该系列单片机结合了AVR与51单片机，具有高速度、低电压、低功耗、大电流驱动能力和内部集成AD、PWM等电路。

OBD数据读取装置中的控制系统用于读取汽车运行数据、运算控制无线模块发送数据、检测汽车启动状态从而判断是否进入休眠状态。进入休眠状态后系统将断开315MHz无线模块电源，减少能源损耗。

高位刹车灯控制装置中的控制系统检测315MHz无线模块数据，控制高位刹车灯进入相应的工作状态。检测汽车启动状态从而判断是否进入休眠状态。进入休眠状态后系统将断开315MHz无线模块电源，减少能源损耗。

3.2 OBD数据转换

该模块实现一头连接汽车OBD诊断接头，然后另一头将获取到的车辆信息，通过串口的形式输出，主要检测车辆的数据如表1所示。

    通过操作使用MCU或者外界串口，发送AT命令到模块，模块会返回车辆数据，操作特别方便。AT命令详解如下：（所有AT指令以/r/n结束）

示例：$OBD-RT，12.2，6627，68，33，16，68，38

解析：电瓶电压12.2V，转速6627转，车速68km/h，节气门开度33%，发动机负荷16%，冷却液温度68℃，剩余油量38%。

3.3 电池供电

采用4600mAH，12V电池给高位刹车灯控制器供电，经测试高位刹车灯控制器待机电流为0.04A，控制高位刹车灯工作时的平均电流为0.06A（高位刹车灯控制时均为闪动状态提醒后车驾驶员），电池在控制系统检测到松油后给高位刹车灯提供能量，但在驾驶员踩下制动踏板后电池由供能器件变为耗能器件（充电），以保证电池有足够的能量供给控制系统待机。

3.4 保护电路

保护电路由自恢复二极管、电压检测电路、唤醒电路组成。自恢复二极管串联在电池和原高位刹车灯控制电路中，以保护控制器或高位刹车灯短路情况发生。电压检测电路时刻检测电池电压情况，若出现电池溃电后，将断开无线模块电源，以减少待机电流，保障快速充电，但此时并不影响原刹车电路功能。唤醒电路检测原刹车电路电压，当控制系统处于休眠后，若检测到原车刹车信息将唤醒控制系统处于正常待机状态。控制系统检测到节气门关闭后将进行休眠状态，同时将无线模块的供电断开，以减少停车时对电池消耗，保障系统能被再次唤醒并提供安全服务。

4 结束语

传统汽车刹车灯存在的一些问题一直困扰着汽车使用者，通过对目前市场上的汽车刹车灯预警系统进行了深刻剖析后创新设计本作品，使作品具有如下特点：（1）安全性。本作品对原车电路零破损，同时加入了自恢复保险避免电路过流情况的发生，杜绝短路后造成的破坏性损害，另加入了电池电压检测、电池过充、过放保护电路，使电池能安全稳定的工作。本作品待机功率约0.3W，工作时最高功率约1W，休眠时功率约1mW，属于微小功率控制器件，避免了因本身功率过大或控制汽车大功率器件的有损汽车安全性加装。（2）便捷性。本作品设计理念先进，以客户使用体验感为出发点，在无损加装理念的指导下本作品设计成插接式接口，按车型不同定制不同的高位刹车灯插接头。加装时，轻松两步解决问题：一是在汽车OBD接口上插上OBD数据读取装置;二是断开原车高位刹车灯连接头，将高位刹车灯控制装置串进原车高位刹车灯控制线路即可。因采用与原车接头同型号插接头，因此在串进原车线束时不需要断线操作，仅需对接插头就可以。本作品的便捷安装性使每一位车主都能自已加装，方便快捷且安全可靠。随时随地安装与拆除，拆除时仅对接插接头即可恢复原车原样。（3）可靠性。OBD接口本为汽车故障读取口，理论上分析长时间占用OBD接口读取数控、控制汽车电脑是会存在一定风险，因汽车在设计过程中就已考虑到该问题的存在，特设立CAN线网关来保护汽车电脑不被外界设备干扰。基于上述问题本作品设计为仅读取数据，不对汽车电脑进行任何控制性操作，以此对汽车电脑进行多重保护，以确保行车安全。

本作品仅控制高位刹车灯，对原车制动灯不采取任何控制操作，确保在本作品發生不可预计故障导致高位刹车灯无法点亮或常亮时，也会不影响汽车制动灯的正常工作，确保安全。通过对电路、程序、元器件、控制逻辑的不断优化，对产品的反复测试、老化实验等，以此来降低高位刹车灯无法点亮或常亮的故障发生率。

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