一种汽车前照灯自动变光系统设计与仿真

孙悦超，廖 聪

（岭南师范学院机电工程学院，广东 湛江 524048）

有关证据表明，因驾驶人误用远光灯所造成的交通事故占到夜间交通事故的30%左右，即因驾驶员夜间会车时，未及时将远光灯转换为近光灯，而导致会车时驾驶员眩目，视线不清，发生交通事故。

《中国人民共和国道路交通安全法》规定，夜间在没有路灯或照明不良的道路上，当距离对面来车约150m处，双方车辆必须关闭远光灯，改用近光灯，以防止因远光灯导致驾驶人眩目造成交通事故。要从根本上来杜绝此类交通事故的发生，除了依靠驾驶员遵守交通规则，还可从汽车灯光智能控制入手，实现灯光自动切换，降低安全隐患。为此，采用光强检测系统、AT89C51单片、调光输出系统进行汽车智能灯光控制电路设计，并利用单片机丰富的I/O端口及其控制的灵活性，实现基本自动变光功能要求，从而设计一款能够自动切换远近光灯的智能灯光控制系统，以实现智能控制，避免因远近光灯不能及时切换产生的安全隐患。

1 设计思路

选用包含电子技术、传感器技术的AT89C51单片机作为核心控制部分，通过光强检测系统检测汽车前方环境的光线强弱。汽车行驶时，前方的灯光会照射在此光强检测系统的接收装置上，接收装置将已经测到的光强信号转换为可靠的数控直流电源去实现程控，经过A/D转换器转换成模拟电压，进而将该电压传送给单片机，与内置参数比对之后，发送指令控制汽车的远近光灯进行自动切换。

系统总体框图如图1所示，由控制开关电路、光检测电路、时钟电路以及复位电路向单片机输入指令，同时单片机根据已输入的程序语言做分析，向调光控制输出电路发出指令，令其调控远近光灯的切换。控制电路开关设置在汽车的远光灯上，只要远光灯开启时自动控制系统就会开始工作。当汽车行驶时，对面有车辆驶来，光检测模块就会接收到其灯光或反射镜的反射光，光检测输入电路捕获信号后向单片机发送出有效的高电平，单片机就可以通过程控来启动调光控制输出电路动作，自动将远光灯切换成近光灯。若对面无车辆，则继续循环检测输入信号。

图1 智能远近光灯切换系统原理图

2 硬件模块设计

2.1 电源模块

单片机电源设计采用USB接口转换交流220V为5V直流为单片机供电，这样可简化许多复杂的电压转换装置设计，既灵活又方便取材，一条数据线连接到交流电就可以为单片机提供电源。将电源电路的开关及单片机的输入控制开关组成的联动开关与远光灯的开关并用设计，当驾驶员开启远光灯的时候，远近光灯智能切换系统就通电开始工作。220V的交流信号经过USB接口整流之后转换为5V脉动直流，电路中电容为470μF，我们利用其充放电特性，使整流后的脉冲直流电变为较为稳定的直流电。但是整流之后的信号仍具有高频、脉冲干扰信号，而电解电容则带有电感，不能有效滤波，所以可利用0.1pF的小电容滤去高频、脉冲的干扰。电源电路图如图2所示，其中，电阻R、发光二极管串联作为供电指示灯。

图2 电源电路设计图

2.2 光检测输入电路

通过分析各种光电探测器的基本结构、工作原理，并从人眼视觉曲线和常见车灯光谱范围的角度综合考虑，选定光敏二极管、放大电路和带施密特触发的反向器构成光检测输入电路，如图3所示。通过光敏二极管捕捉来自对面车辆发出的灯光或者发射镜的反射光，然后将光信号转换为电信号，再经由放大电路放大和带施密特触发的反向器的调整之后，作状态信号传递给单片机P1.1口。用开关K代替进行光敏二极管的仿真测试，当K闭合时，即为汽车会车时接收到光照使电路接通，单片机P1.1口输入高电平，开始运作。

图3 光检测输入电路图

2.3 处理器模块

设计选择AT89C51单片机为处理器模块，其主要由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。

2.3.1 AT89C51单片机时钟电路

AT89C51单片机和其他微处理器一样也是一种时序电路。本控制系统中把一个由晶体管振荡器X和两个电容器C、C构成的自激振荡电路连接到单片机的XTAL1和XTAL2之间，再把振荡器发出的脉冲直接接入内部时钟电路。时钟电路产生的振荡脉冲通过触发器进行二分频就成为单片机的时钟脉冲信号，如图4所示。

图4 时钟电路图

2.3.2 AT89C51单片机复位电路

如果要使整个控制系统能够自动运行，AT89C51单片机就必须有一个复位电路，作用是让单片机在出现程序错误或者操作错误让系统处于锁死状态时，能够恢复初始状态的操作电路，而单片机自身是没有办法自动复位的，因此复位电路是不可缺的部分。

复位电路设计如图5所示。通电时，电容C通过R充电RST端就会出现用以复位的正脉冲。当电源V的上升时间不超出1ms，就能够实现自动复位。当振荡稳定后为了确保复位高电平的持续时间大于两个机器周期的时间，若使用的晶体是12MHz，那么C取10μF，R取8.2kΩ；当采用的晶体频率为6MHz时，C取22μF，R取1kΩ。当系统出现死机或者需要重新复位的时候，可以直接按下RESET键，这时V通过电阻直接把RST端拉高，实现手动复位。

图5 复位电路图

2.4 调光输出电路

调光输出电路设计为由一个74SL00与非门、小型继电器JWC-172-3和续流二极管1N4001组成。远光灯的供电线路接到继电器的常闭端，近光灯供电线接在常开端。当单片机的P1.1检测到有效高电平时，通过P1.2口输出的高电平控制信号经过与非门控制继电器闭合控制，断开远光灯线路，连接近光灯，完成智能控制。经过一段时间延迟，重新恢复P1.2为低电平，继电器断开，再次接通远光灯。由于继电器的效果展示受到仿真软件的限制，发光二极管为静态元件，无法正常发光，所以使用红色LED灯代替远近光灯。为了更方便直观地观察仿真结果，此处将调光输出电路进行简化调整如图6所示，D为近光灯，D为远光灯。

图6 调光输出电路图

3 软件程序设计

软件设计是控制系统的重要内容，其对系统的稳定性、可靠性、功能是否齐全以及设计是否人性化等起着关键作用。汇编语言具有简易操作性、所占空间储存小、运行速度快、程序效率高等优点，故选择汇编语言进行软件设计。系统主程序流程图如图7所示。

图7 系统主程序流程图

利用keil uVision4软件编写调试与仿真AT89C51单片机程序如图8所示。

图8 AT89C51单片机汇编程序

4 仿真控制与分析

4.1 电路仿真

电路仿真软件采用Proteus软件，它是由英国Labcenter electronics公司出版的EDA proteus工具软件。

将USB接口、AT89C51单片机、开关、电容器等相关元件依次连接，绘制出整个智能灯光控制系统电路图，如图9所示。因仿真软件的限制性，用开关K代替光敏二极管，开关关闭就代表汽车会车时，光敏二极管遇到强光照射，光检测输入模块开始工作。接着将图8编好的程序在keil软件中调试后，将程序指令编辑输入Proteus中的单片机进行整个控制的仿真，可以实现预期功能，详见图9。

图9 智能切换远近光灯控制系统仿真电路图

4.2 控制分析

驾驶员打开远光灯行驶时，利用USB插口将电源转化为5V的低压电源，此时整个智能控制系统电源接通，单片机上的开关与电源开关是联动关系，因此，单片机上的开关控制电路也闭合，控制系统开始运行。

当汽车未会车时，单片机P1.1端接收低电平，此时单片机调光输出电路并未接收到高电平，因此无输出，远光灯继续工作，继续通过光敏二极管检测前方灯光，用以判断是否会车。

当汽车会车时，光检测输入电路中光敏二极管触发，单片机P1.1口此时输入高电平，单片机内部程序运行计算后向P1.2输出高电平，继而调光输出电路中的继电器工作，断开远光灯，接通近光灯，一段时间的延迟后，P1.2恢复低电平，继电器断开，恢复接通远光灯，汽车继续以远光灯在夜间行驶。

5 结语

交通安全日益受到人们的重视，且因误用远光灯导致的事故频发，而智能灯光控制系统能智能地选择开启或者关闭远光灯，可有效降低此类事故的发生率。为此，利用光敏二极管作为感光元件，选择单片机AT89C51作为核心控制器件进行智能灯光切换系统设计并进行了控制仿真，从功能上实现了汽车夜间会车时远近光的自动切换控制，可有效防止夜间会车时驾驶员忘记关闭远光灯而造成对方驾驶员眩目，降低交通事故的发生率。