汽车自适应前照灯系统的设计毕业论文.docx

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汽车自适应前照灯系统的设计毕业论文

汽车自适应前照灯系统的设计

摘要

传统的汽车照明系统主要由前照灯系统，信号照明系统，车内照明系统三大部分组成。

随着科技的进步，传统照明系统也经历了长足的发展，但是实际的使用中，传统的前照灯系统依然存在着诸多问题，在面对复杂的道路条件和行车状况时，交通安全仍然存在巨大的隐患。

因此，如何使传统汽车照明智能化，驾车更安全，更舒适就成为一个十分紧迫而又有重大现实意义的课题。

针对传统的汽车照明灯夜间行驶在弯道时无法调节照明角度、在弯道内侧易出现盲区，在坡道无法调节照明角度等情况，提出了一种前照灯弯道自适应照明控制系统，以提高夜间行车安全性。

本文主要介绍了一种以单片机STC90C51为核心设计的汽车自适应前照灯计算机控制系统。

简要的介绍汽车自适应前照灯的产生的背景、当今国内外发展现状及趋势。

分析了该系统的组成、功能和工作原理。

在文章硬件部分，详细设计了汽车自适应前照灯左右转向计算机控制系统的主控制器及外围电路。

在软件部分，设计了系统软件的整体流程，算法程序，实现了一个可根据道路以及方向盘转角信号随动转向的控制系统。

通过最后的系统调试，保证了车辆在弯道行驶时，前照灯能根据路况调整到合适的位置给驾驶者提供照明。

表明了本设计方案的可行性和正确性。

在论文的最后，对本次毕业设计进行了总结，提出了一些尚待解决的问题，为今后的进一步完善提出了参考意见。

关键词：

自适应照明，随动转向，安全驾驶，STC90C51

A Project of Automotive Adaptive FrontLighting System

ABSTRACT

Traditionalautomotivelightingsystemconsistsofthreemajorcomponents:

headlampsystem,signallightingandinteriorlightingsystem.Astechnologyadvances,thetraditionallightingsystemalsocontinuestodevelop,butinpractice,therearestillmanyproblemsinthetraditionalheadlampsystem.Facingcomplexroadconditionsanddrivingconditions,therearecolossalsecuritybunglesinthetrafficsafety.Therefore,howtomakethetraditionalautomotivelightingintelligent,andhowtomakethedrivingmoresecureandmorecomfortablehavebecomeaveryurgentandgreatpracticallysignificantissue.

Thetraditionalautomotivelightingdriveatnightmaybefacedsomeconditions,forexample,inabilityofadjustingilluminationangelsatthecurve,theappearanceofblindsectionattheclip,inabilityofadjustingilluminationangelsattheramp,basedonwhich,aheadlampadaptivelightingcontrolsystematthecurveisputforwardinordertoimprovethedrivingsafetyatnight.ThispaperintroducesaComputercontrolsystemoftheautomotiveadaptiveheadlampswithSTC90C51microcontrollercoredesign.Thepaperwillbrieflyintroducethebackgroundoftheappearanceofauto-adaptiveheadlamps,anditscurrentdevelopmentsituationsandtrendsathomeandabroad.Itwillalsoanalyzethecomposition,functionandworkingtheoryofthesystem.Thehardwarepartinthepaperdetaileddesignsthehostcontrollerandperipheralcircuitsoftheautoadaptiveheadlampsleftandrighttuningcomputercontrolsystem.Thesoftwarepartprojectstheoverallprocessofsystemsoftware,algorithmsprogram,finishingacontrolsystemthatcanoptionalturnaccordingtovehiclespeedandsteeringanglesignals.Thefinalsystemdebuggingensuresthatwhenthevehiclesaredrivingatthecurve,theheadlampscanadjustitselaccordingtoroadconditionstoasuitablepositiontolightforthedrivers.Theprojectisoffeasibilityandcorrectness.

Attheendofthepaper,aconclusionoftheprojectisdrawntoputforwardsomeproblemswaitingforsolvingandtocomeupwithsomeideaaboutthelaterimprovement.

 Key words:

 adaptive lighting, tracking turning, safe driving,STC90C5

第1章绪论

§1.1课题背景

自19世纪汽车诞生以来，已经历了一个多世纪的风雨。

想当初，卡尔．本茨造出的三轮汽车每小时的时速仅为18公里／时，而现在已经诞生了时速600公里的超级跑车。

随着社会的不断进步发展，汽车已成为现代人生活中不可或缺的交通工具。

然而，随着汽车技术的不断进步以及车辆数目的增加，汽车也给现代社会带来了新的问题。

频繁发生的交通事故已经成为不得不严肃对待的世界性问题。

据统计，在各种意外事故中，以车祸占首位，占意外死亡总数的50％以上。

仅以汽车交通事故为例，全世界因交通事故而死亡的人数已超过3000万人，比世界大战所死亡的人数还多。

而其中以青少年与老年人的死亡率最高。

值得注意的是：

儿童青少年一直都是交通事故导致伤亡的高危人群。

据估计，近年来全世界每年在车祸中丧生的人数约为30万人，受伤者约3000万人，其中终身残疾者约为300万人。

我国城市每万辆车死亡率为50—10.8人左右，与国外相比较，为日本的26.5倍、美国的17.8倍。

若以万辆车的死亡率作比较，我国车祸的发生率和死亡率皆居世界之首位。

据公安部交通管理局的统计：

2005年，全国共发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911人受伤，直接财产损失18.8亿元。

自2001年以来全国交通事故死亡人数首次回落到10万人以下。

中国由于交通事故每年死亡超过10万人，死者大多是年轻人，占全球交通事故死亡人数的五分之一，居世界各国之首。

中国每5分钟有一人因车祸死亡，每一分钟有一人因车祸伤残，每天死亡280多人，每年死亡10万多人，中国的汽车数量仅占世界的1.9％，而车祸死亡人数占世界15％，且每年增加4.5％。

如何提高汽车的安全性、减少交通事故的发生已经成为全世界的迫切要求。

汽车安全性分为三大部分：

主动安全性、被动安全性和防火安全性。

所谓主动安全性，是指汽车设计者在汽车的配置中，采取一系列技术措施，以预防和减少安全事故的发生。

其中包括汽车夜间照明、各种指示信号、驾驶员视野、制动以及轮胎等；所谓被动安全性，是指在汽车中采取一系列技术措施，使得安全事故一旦发生时，可最大限度地防止或减少对人员造成的伤害。

其中包括车身结构、安全玻璃、座椅、头枕、内外部凸出物以及安全气囊等。

汽车照明系统作为汽车最主要的主动安全装置之一，主要负责前方路况的照明，提供给驾驶者前方的路况信息，使驾驶员能够及时看清障碍物并做出反应，是保证汽车在夜间或能见度较低的环境下安全行驶的关键。

传统的汽车照明系统主要包括照明装置（照明灯）和信号装置。

其中照明灯的功能是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方的路面（倒车灯照亮汽车后方，在倒车时也是照亮行驶方向）。

照明灯主要是指前照灯、前雾灯、倒车灯和牌照灯。

其次像室内灯、仪表等和行李箱灯也属照明灯用。

信号装置包括汽车信号灯和回复反射器。

信号灯中又包括转向指示灯、制动灯、后雾灯和位置灯等。

信号灯的功能，是向其他道路使用者表明本车的存在，以及本车将要转向某一方向或正在制动减速等，以引起对其的特别关注。

事实上，前雾灯兼有照明和信号的两种功能，它是在雾、雪、雨或尘埃蔓延等有碍可见度的情况下，为改善车辆前方道路照明和使迎面来车易于发现车辆的灯具。

但是在实际的使用中，传统的前照灯系统存在着许多的安全隐患。

特别是在交通事故多发和高致死率的夜间，传统的照明系统难以对汽车提供有效的安全保护。

世界汽车安全事故统计资料表明：

夜间发生的交通事故是白天的三倍，照明状况不良时的事故率又是照明良好时的三倍。

我国交通事故统计资料显示，仅1994年因灯光问题酿成的安全事故就有近千起，造成三百多人死亡。

而造成夜间事故平频发的主要原因是在晚上驾驶员的可视度与白天相比大幅度的下降，同时雨雾和空气中的一些污染物在前窗玻璃上形成的水滴和污物也会让驾驶员的距离感产生失真，严重影响了驾驶员对前方弯道障碍物的判断，而依靠传统的照明系统即使将近光灯、远光灯和前雾灯全部开启也依然会存在着照明盲区，从而导致事故的发生。

上述这些问题的存在，就使得研制出一种具有多种照明功能的新型照明系统成为必然的趋势，并且这些功能的切换，出于安全上的考虑，应该是无需驾驶员手动控制全智能实现的。

与此同时，随着科学进步的发展，越来越多的高新技术开始运用在汽车工业上。

汽车虽然本是主要偏向于机械配合的一项技术，不过近几十年随着电子技术的迅猛发展，各行各业都开始提倡机电一体化，汽车也不例外。

安全、节能、环保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。

与这些要求相适应，汽车电子化的趋势越来越明显，各类电器元件在汽车成本中所占比例也越来越高，如今的汽车上都是动辄数百个电子元件，数以捆计的汽车线路控制着汽车多个部门的协调工作，国外专家预测未来3-5年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的25％以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车”。

可以说汽车电子化已经成为现代汽车发展的重要标志。

在现代汽车制造工艺中引入电子技术不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性，使汽车产业进入一个新的纪元，而且还开拓了电子产品的市场，推动了电子产业的发展。

将汽车电子技术运用到汽车照明领域，将微控制器、传感器、车载网络系统、自动控制理论与传统的汽车前照明机械系统结构相结合，开发出能够解决由于传统照明系统带来的安全问题的新型智能车灯，将是未来汽车前照明系统的发展方向。

§1.2国内外发展现状及发展趋势

在欧、美、日等发达地区和国家，从上个世纪几时年代中叶就已经开始投入研究。

在2003年初，一种具有“左顾右盼”功能的Pre-AFS（初级AFS-AdaptiveFrontlightingSystem）系统诞生了。

时至今天，AFS前照灯系统的研究在国外已经取得了很大的进展，日趋成熟。

日本、欧洲等国的知名汽车制造商都纷纷推出自己的AFS系统。

在其高档轿车中标配AFS系统的同时，讲AFS系统在中档甚至中低档轿车车型作为选配列出，比如宝马5系，奥迪A8，梅赛德斯CLS、M系、E系，雷克萨斯R系,大众B6等。

虽然AFS系统已经投入使用,而且效果良好,但致力于行车安全的专家们并不满足于已经取得的成绩。

以德国海拉公司为首的汽车灯具巨头们正在考虑如何让车灯在多种复杂的道路状况下司机们提供更好的照明。

一种被称作VARILIS（多功能可变智能灯光系统）的新技术已诞生，除了本课题研究的随动转弯功能之外，它将根据车速在不同范围产生不同的光型，如乡村灯光、城市灯光、高速灯光、远光等。

在VARILIS系统中，光源和透镜之间不是双疝气前照灯中的遮光罩，而是一种可旋转的柱体，改柱体表面有很多不同的形状，根据智能控制器对更累传感器信号的处理，使转到不同的角度产生不同的光型。

国内关于汽车自适应照明系统的研究起步较晚，目前仅有上海小系车灯有限公司，沈阳北方汽车大灯自动转向器厂、天津欧华汽车研发中心等少数机构在进行自主研发。

据报道，沈阳北方汽车大灯自动转向器厂在2007年初研发成功汽车自动转向前照灯，该产品打破了国外公司在此方面的垄断，在汽车照明领域取得突破，但与自适应的前照灯还有一定差距。

可以说自适应照明系统是近年国际国内在汽车智能照明系统方面研究的热点，也是汽车主动式安全系统研究有所突破的领域。

目前，己经有很多车辆具备了AFS的部分功能，比如全新宝马530i、奔驰新E级、东风日产新天籁、东风雪铁龙凯旋、广州丰田凯美瑞、雷克萨斯LS460L以及一汽丰田锐志3.0L等。

随着科技的进步和人们对于汽车观念的提升，AFS有着更安全，更环保的发展趋势。

随着科技日新月异的进步和人们对汽车安全的追求越来越高，汽车自适应前照灯系统越来越有着更安全、更环保、更人性化的发展趋势。

自适应智能照明系统在汽车主动安全领域的重大突破和显著成效使其成为未来国内外汽车生产厂商在汽车智能照明系统方面的热门研究方向之一。

随着汽车工业的发展，使用者在考虑车载高新技术的同时，对汽车的安全性也越来越重视。

为满足市场的需求，安全、舒适、节能将是未来自适应前照灯系统的发展方向。

首先，在未来的汽车智能前照明系统中将会集成图像识别功能以检测行人、车辆和路边障碍物，为驾驶员提供更加安全的行驶环境；其次，未来的自适应照明系统将与自适应巡航控制（ACC）和车道偏离警告系统（LDWS）等其他新型汽车主动安全系统相结合，不仅可以更加精确的预测前方的路面状况从而对光型进行更智能化地调节，同时也能使系统变得更加集成化、低成本化；并且随着LED技术的不断发展，LED的性价比不断提高，据专家预测，新一代的汽车自适应照明系统也将采用LED转向灯，由于LED灯具有寿命长、占用空间小等优点，可以使得整个系统的节能性和可靠性明显提高。

§1.3本课题的研究意义与主要内容

随着汽车制造技术的不断进步，汽车的行驶安全成为人们越来越关心的问题。

而汽车前照灯作为汽车主动安全的主要组成部分之一，也必须满足使用者越来越高的要求。

一个优秀的汽车照明系统应该满足以下标准：

能够为驾驶者提供前方路段的景象信息，让驾驶者有充足的时间对可能面对的危险做出反应；给驾驶者提供信息时不会增加驾驶员的疲劳；给本车驾驶员带来方便的同时不会给其它车道使用者的带来麻烦。

汽车自适应前照灯上下左右转向控制系统是综合利用传感技术、计算机技术、控制技术、机电一体化技术设计，使汽车自适应前照灯转向控制系统能够根据车辆的行驶状态、方向盘的转角提供更加合理的照射范围，为驾驶员的行车安全提供了更有利的保障。

本课题借鉴了当前国际和国内在这方面的技术经验及其设计思想，开发了低成本的基于STC90C51单片机的汽车自适应照明系统。

论文主要研究内容如下：

第一章简单介绍了本课题的研究背景、研究目的及意义以及国内外的发展现状和发展趋势；

第二章简单介绍了系统的功能及构成、工作原理；

第三章首先根据系统功能需求对AFS主控制器的方案设计进行了介绍，然后对执行器即电机设计进行了介绍，接下来对系统所用传感器的设计和选择做了介绍和说明。

第四章针对系统的特点，设计了系统控制主程序流程图。

并分别设计了随动转弯子程序、车身俯仰调整子程序的软件算法流程图。

第五章介绍了系统调试的各项内容，最后做了运动仿真。

第2章系统整体方案设计

§2.1系统的功能及构成

在绪论中已经提到夜间是交通事故高发生时间段，而因照明问题引发的交通事故更是占到了夜间事故的50％以上，而且夜问事故的致死率很高，达到了50％，几乎是白天事故致死率的2倍。

可以说，自从汽车诞生以来，安全一直是人们关注的首要汽车性能，也永远是汽车制造商首要考虑的问题，基于此，无论是用户还是汽车生产商都希望能开发出一个能够显著减少夜间交通事故发生率的汽车前照明系统，从而自适应照明系统便登上了舞台。

因此，综合国内外研究发展状况．系统的功能构成主要包括以下两个个方面：

当因路面崎岖或汽车前后载荷变化导致车身倾斜时，系统能够根据当前车身负载和当前路况来改变汽车前照灯的俯仰照射角度，既提供了更适宜的照明范围，又不会影响对面会车的司机使其眩目,图2-1为车身倾角对照明的影响。

图2-1车身纵倾对照明产生的影响

随动转弯，车辆进入弯道时，前照灯产生随动的旋转光型，给予前方弯道足够的照明。

其中图2-2是弯道传统照明情况，图2-3为在AFS下的照明情况。

图2-2弯道传统照片

图2-3AFS的弯道旋转照明

汽车自适应智能照明控制系统主要由获取必要汽车行驶信息的各传感器、信号调理电路、驱动电路、执行电机、故障诊断等部分组成。

可分为以下几个模块：

（1）前照灯控制模块，包括调整灯光左右随动和调整高度的步进电机；

（2）AFS主控制器；

（3）传感器模块，包括倾角传感器模块和车灯左右转动处理模块；

系统结构示意图2-4如下：

图2-4系统结构示意图

§2.2系统基本功能

夜晚行驶转弯和坡道行驶时，系统对方向盘的转向信号和车身倾角信号进行运算，再发出控制信号给步进电机，指示电机转动到指定位置，步进电机根据控制信号对车灯转向角度进行调整，完成随向灯光角度控制，从而照亮车辆即将行驶到的前方的路面。

§2.3系统的工作原理

利用倾角传感器和方向盘传感器确定车辆的行驶状态，把检测到得信号输入到单片机进行判断处理，进而发出相应的指令控制前照灯做出相应的调整，从而实现前照灯的随动转向功能。

在AFS系统下车辆左转弯时，左前照灯有向左转动的动作，右前照灯没有动作保持原有状态。

同理，右转弯时右前照灯动作，左前照灯保持原有状态。

车辆行驶在起伏路段时，夜晚光束会忽上忽下，在AFS下调整这种光束不平衡，使之适应司机的驾驶行为。

§2.3.1随动转弯角度

车辆在行驶中发生状况最极端的应对措施就是制动，根据当前的车速和方向盘转角，前照灯需要偏转的角度就是要照亮车辆将要行驶到的路面，保证这个有效的刹车距离内的照明。

转弯水平方向偏转模型如图：

图2-5转弯时水平方向偏转模型示意图

由图中的几何关系和圆弧长公式可得：

（2-1）

其中：

是圆弧长，由转弯时系统的照明要求可得：

（2-2）式中

是车速，

是反应时间，

是制动距离。

转弯半径

（2-3）

式中：

是车轮转过的角度：

是汽车的轴距。

方向盘和车轮转角的关系：

（2-4）

式中：

是转向特征系数，

是方向盘转角；

由式子得：

（2-5）

此公式即为计算前照灯转向转角的经验公式。

§2.3.2车身纵倾调光

车身纵惭调光是采用安装在车体前部的车身倾角传感器，获取车身倾角变化量。

车身纵倾角度的变化量，就是前灯光轴角度的变化量，通过调光电机的运作，反向调整此角度变化，使之适应行车变化。

§2.4本章小结

本章首先给出了本系统的总体组成。

详细的阐述了本系统的基本功能和工作原理，并建立了汽车自适应前照灯转向控制系统基本控制模型，为系统的进一步研究提供了理论基础。

第3章系统硬件设计

如前所述，系统的硬件部分设计主要包括：

AFS主控制器设计：

包括微控制器，信号处理电路，电机控制电路，指示部分电路及开关电路

执行器设计：

包括左右旋转电机总成和车身纵倾调高电机总成，以下分别简称为旋转电机总成和调高电机总成

传感器模块设计：

选用车身倾角传感器模块来实现倾角测控。

§3.1AFS主控制器设计

§3.1.1微控制芯片的选型

在车载电子系统的设计中，微控制器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。

一般来说，选用车载电子系统微控制器时应考虑微控制器应用的类型、I／O接口、主频、功耗、所支持的存储器类型、总线、价格、封装、产品的生命力和厂家的实力、技术支持以及第三方软件的支持等因素，但最重要的是微控制器的稳定性，安全问题应该永远是车载系统首要考虑的因素。

由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS8位单片机的STC90C51作为控制器。

片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

其主要性能参数：

∙与MCS51产品指令系统完全兼容

∙4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

∙1000次擦写周期

∙4.0-5.5V的工作电压范围

∙全境态工作模式：

0Hz-33MHz

∙三级程序加密锁

∙128×8字节内部RAM

∙32个可编程I／O口线

∙2个16位定时器／计数器

∙6个中断源

∙全双工串行UART通道

∙低功耗空闲和掉电模式

∙中断可从空闲模唤醒系统

∙看门狗（WDT）及双数据指针

∙掉电标识和快速编程特性

∙灵活的在线系统编程

STC90C51芯片管脚图3-1

图3-1STC90C51芯片管脚图

§3.1.2信号处理电路设计

如前所述，系统需要采集的信号主要包括：

方向盘转角信号。

这里用电位器模拟转角信号，模拟信号均为0～5V线形变化电压信号，这就需要进行AD转换，本系统用PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。

PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。

PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。

在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。

　　PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。

PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。

PCF8591特性如下:

∙单独供电

∙PCF8591的操作电压