浅析一种汽车远近光灯自动切换系统设计

2022-11-07加克乌云才次克艾克热木马穆提江李兴岳

汽车电器 2022年9期

加克·乌云才次克，聂伟，艾克热木·马穆提江，马杰，李兴岳

（新疆交通职业技术学院，新疆乌鲁木齐 831401）

1 前言

汽车上主要的灯光设备包括前照灯、雾灯和转向灯三大类别，其中前照灯又分为近光灯和远光灯。根据灯丝的距离来调整光线的强弱，远光灯在其焦点上，发出的光会平行射出，光线较为集中，亮度较大，可以照到很远很高的物体。远光灯可以提高视线，扩大观察视野。在没有路灯的漆黑路面上，开启远光灯后的可视范围要远远大于只开启近光灯。我们对100名年龄在25～40岁具有驾照的非专业驾驶人员进行问卷调查发现，75%的受访者了解《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第五十九条的规定，机动车在夜间通过急弯、坡道、拱桥、人行横道或者没有交通灯指挥的路口时，应当交替使用远近光灯示意，但仍存在23%的受访者不会使用远近光灯，29%受访者会忘记切换远近光灯。因此，即使有的驾驶员清楚其中的危害也会在夜间会车的时候忽略或者缺乏会车常识而不进行远近光灯的切换，存在导致交通事故发生的风险。据公安部数据统计，在夜间发生的交通事故中，与滥用远光灯有关的占30%～40%，且呈不断上升趋势。夜间行车灯光是驾驶人的“眼睛”。驾驶人如果不按规定使用灯光，往往给别的驾驶人造成视觉障碍，轻者影响车辆正常行驶，严重则可造成重大交通事故。因此本项目结合车联网云、管、端三层攻防技能实战化的研究，从车辆自动远近光切换入手，逐步形成车联网终端与系统的安全预警、检测、监测、响应处置一体化安全闭环产品能力。

2 设计思路

2.1 远近光切换场景

1）夜晚路上行驶时光线不好，先要使用近光灯。当周围没有任何灯光，视线较差，就要及时开启远光灯。

2）开启远光灯的车辆应该在会车前150m切换至近光灯。

3）在一些照明情况不佳的道路中行驶，如果超声波传感器检测到对面来车频繁，为了不对来车造成影响，可以交替闪烁远近光灯。

2.2 系统介绍

汽车远近光灯自动切换系统安装在车内，系统由Arduino UNO主板、T-BOX模块、光传感器模块、超声波模块电路、指示灯电路、拨动开关电路、电源电路、组合前照灯等组成。图1为功能模块图。

图1 功能模块图

3 系统硬件设计

3.1 远近光灯自动切换硬件系统电路图

主控部分采用Arduino UNO主板检测光照传感器、超声波传感器按照上述3种工况进行分析判断。通过光敏电阻模块检测光照强度，正常情况下，夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～550lx，夜间满月下为0.2lx，一般判断白天和晚上的阈值在2～30lx之间，光照阈值可以通过传感器上的电位器调节。当有脉冲电压触发时（控制板给Trig引脚发送高电频），探头里的晶片就会振动，继而产生超声波。超声波在空气中传播，当超声波遇到物体后就会返回，被超声波传感器的接收探头接收到（反射的超声波使压电晶片振动，继而在压电晶片两端产生电压），随后这种电压经过超声波内部的信号放大电路，将电压信号放大，此时Echo引脚给控制板发送高电频信号。这样一个由发送到接收的过程，经过计算就可以得出距离。根据声音在空气中传播的速度340m/s，通过超声波模块检测距离，如果距离小于阈值，那么远光灯转化为近光灯，超过阈值则近光灯转化为远光灯，从而可以得出公式：距离=（时间×340m/s）/2。远近光灯自动切换硬件系统设计电路图如图2所示。

图2 远近光灯自动切换硬件系统设计电路图

上述电路为远近光灯自动切换硬件系统包括两部分的内容，第一部分为控制核心，由于电源是车载蓄电池12V供电，利用线性稳压芯片LM7805设计一路电压转换电路，将12V电压稳压至5V提供给控制核心Arduino和传感器的供电使用；第二部分是传感器和灯光电路，使用了HC-SR04作为超声波传感器，BH1750为光强度传感器，远近光灯为集成式LED灯珠，使用大功率三极管进行驱动。

3.2 简单车联网实现

当前很多老车型不具有车联网功能，若将其改造为车联网系统就需要设计一个外挂T-BOX系统来接管智能网联的部分，以通信运营商作为管道端进行通信，在T-BOX中实现3G/4G/5G网络进行信息的交互。因使用了非私有云端且考虑车联网的安全性，在前人的研究与结论上,本文采用实质上最保守的设计办法，即车联网的安全以物理屏蔽动力CAN总线与外挂T-BOX的连接来保证。

硬件端以Arduino作为远近光灯自动切换系统的微机系统，通过独立的IO口与T-BOX进行并行通信，除上文中提及通过各项传感器自动控制外，在软件端可以通过APP发送指令，当T-BOX接收到指令后下发给远近光灯自动切换微机系统来实现具体的功能。

本文中T-BOX的技术基础为已有应用生态的ShineBlink物联网开发板与ML302-GC211 Cat.1模块来实现，该平台为公有云机智云平台，具体电路如图3所示。

图3 基于机智云平台的物联网硬件电路

图3中，左边为cat1模块，运营商为中国移动4G，右边为ShineBlink物联网开发板。在上文功能模块图中，未将TBOX模块与前照灯电路直连是为了降低T-BOX的电路权限。

4 程序设计

在Arduino主控中，程序逻辑可以以图4所示的程序框图进行表述。其中，当光线强度小于30lx时打开近光灯，当光线强度小于2lx时打开远光灯，若此时超声波传感器检测到前方距离小于150m则打开近光灯，如果光线强度不小于30lx则关闭远近灯光。

图4 自动控制程序流程图

关于简单设计T-BOX中ShineBlink和Arduino的语法是极其相似的，ML302-GC211自带机智云固件，即只需要完成ShineBlink中的低代码编程即可，下文将通过图5流程图说明程序逻辑。

图5 中左边为ShineBlink平台，右边为Arduino平台。主要通过ML302-GC211中机智云固件物联网平台接收云端与用户端的控制信号，在本文中用于灯光信号的控制检测布尔类型变量即可，将布尔类型变量通过并行IO口送至Arduino。将ShineBlink中D1、D2端口与IO5、IO6端口相连接，可在Arduino中设定程序循环检测IO5、IO6端口来判断T-BOX是否向下发送了请求。机智云固件有一站式布置，不需要在上位机进行编程，降低了非研发人员的使用难度。