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XXXX学院毕业设计（论文）

汽车照明控制系统的设计

xx：

汽车照明控制系统的设计

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章引言 1

1.1汽车照明系统的发展 1

1.2能源危机与LED 2

1.3汽车产业与LED 3

第2章照明系统的总体设计 5

2.1系统的功能及构成 5

2.2照明系统工作原理 6

第3章照明系统硬件设计 7

3.1照明系统硬件总体设计 7

3.2系统供电模块 7

3.3光照强度传感器 9

3.4主控芯片设计 10

3.5LED及其驱动器设计 12

3.5.1LED简介 12

3.5.2LED驱动方案 14

3.6LED灯的选型 19

第4章系统程序设计 22

4.1系统主程序设计 22

4.2软件介绍 23

4.2.1Proteus软件介绍 23

4.2.2MPLABIDE简介 24

4.2.3PIC单片机C语言编程简介 24

4.2.4Hi-TechPICC的C语言开发工具简介 25

4.2.5MPLAB-IDE内挂接PICC 26

4.2.6LTspiceIV简介 26

4.3基于PICC的C语言源程序编写 27

第5章系统仿真与调试 28

5.1微控制器仿真设计 28

5.2驱动电路仿真设计 29

第6章结束语 32

致谢 33

参考文献 34

附录A 35

附录B 39

xx：

汽车照明控制系统的设计

第1章引言

1.1汽车照明系统的发展

汽车前照灯系统的发展经历了多个阶段:

从最初的煤油灯发展到白炽灯;然后发展到抛物面卤钨前照灯、自由曲面卤钨前照灯和投射系统前照灯;上世纪九十年代中期出现了以气体放电灯为光源的投影系统前照灯和自由曲面前照灯系统。

汽车前照灯系统的每一个发展阶段都蕴含着对行车安全的不断追求（行车安全涉及的要素主要包括驾驶员、行人对面方向道路使用者、甚至交通信号标志等）。

提高行车安全的方式为:

（1）规定车辆前照灯照明根据道路状况使用近光和远光灯。

近光为非对称光,在正常行车时使用;远光在不影响其它道路使用者时使用,即灯光的使用不能造成光污染。

（2）提高光的利用率。

例如:

使用相同的光源,自由曲面系统前照灯将光的利用率从抛物面自由曲面系统的25%左右提高到了40%以上（投影系统前照灯的光利用率比自由曲面系统稍低,但使光型处于更加可控的状态）。

（3）提高光源的光通量,例如气体放电灯光源的光通量比卤钨灯提高了3倍,且光色更接近日光。

此外放电灯比传统的卤钨灯节能2/3以上。

（4）在使用气体放电灯的同时,必须装备自动调光系统（该系统保证近光灯在车加速减速、上坡下坡等各种变化的轴载荷条件下,灯光一直保证在设定的同一高度）和大灯清洗系统（该系统保证对大灯随时清洁,避免其对驾驶员和其它道路使用者造成眩光,即光污染）。

然而,这还远远不够,众所周知,作为行车灯的近光,只能工作在一种模式,即一种固定的光型下,但是,实际的道路使用状况、环境状况、气候状况等等情况非常复杂。

比如:

岔路口很多的乡间小路、弯道状况、路口转弯状况、在高速路上驾驶、在国道上驾驶雨雾天气、红绿灯和交通指示牌的识别等等。

也正是这种复杂的道路环境和天气状况,使得交通安全仍然存在巨大的隐患。

统计表明,在欧洲那些车辆使用规范、车辆安全要求和驾驶员素质最高的国度,由于照明引起的交通事故（即如果在白天或者照明条件好则完全可以避免的交通事故）达到30%以上,造成的损失可想而知。

再加上在路上行驶的车辆日益增多、老年驾驶员的增多以及允许驾驶员驾驶年龄的延长（欧洲允许驾驶到70岁,

11

老年人的视力和反应速度明显下降）等等诸多因素使得行车安全问题更加突出。

在这种条件下,智能型前照灯系统的诞生显得尤为重要。

1.2能源危机与LED

近年来，随着能源形势的急剧变化，全球能源安全问题越来越受到国际社会

的广泛关注。

尽管各国对能源安全的理解和各自的战略目标不尽一致，但随着全球化的深入和能源相互依赖的加深，全球能源安全问题已成为影响未来国际能源形势发展的重要趋势。

我国是能源生产和消费大国，我国今后的能源供求关系将对世界能源格局产生较大影响。

必须从宏观的、长远的观点来研究和把握我国的能源问题，以确保现代化建设有长期足够的能源供应[1]。

目前我国单位产值能耗是世界平均水平的3.8倍，如果把单位产值能耗降低到日本当今的水平，就可能在今后40至50年内不增加能源消耗量。

我国著名能源学科专家、中国科学院院士徐建中从战略高度提出了解决我国能源问题的长效机制。

他认为，靠单一措施不可能长效解决我国能源问题。

他提出了“一个中心，两个基本点”的观点，即以努力推进节能和科学用能为指导思想和核心;抓紧石化燃料的洁净技术和煤炭的多联产技术以及石油、天然气的勘探、开采与利用;大力开发可再生能源和新能源[2]。

在

照明节能方面，徐建中特别强调了LED（被誉为“半导体照明工程”）的重要作用。

他断言，

LED必将是未来照明光源的发展趋势。

美国2000年制定的“下一代照明计划”被列入了能源法案，计划从2000-2010年，投资5亿美元，用LED取代55%的白炽灯和荧光灯，预计到2025年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达350亿美元，形成一个每年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场[3]。

继美国的“下一代照明计划”，日本的“21世纪照明计划”，欧盟的“彩虹计划”和韩国的“固态照明计划”后，2003年我国成立国家半导体照明工程小组，旨在整合资源、快速推进LED进入照明市场。

据中国工程院院士陈良惠预测，我国在2005-2015年间，半导体照明可累计节能4000亿度电，为用户节约2600亿元的电费支出，创造1500亿元产值，解决100万人口的就业。

我国照明用电每年在

3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可以节省1/3的照明用电，就意味着可以节约1000亿度，相当于三峡工程全年的发量。

在能源日益短缺的背景下，利用LED的节能特点，开发LED照明正是对政府提出的建设节约型社会的积极响应。

39

半导体照明由于技术的先进性和产品使用的广泛性，己经被广泛认为是最具发展潜力的高技术领域之一。

半导体照明产业具有明显的节能和环保的效果，被认为是一个战略性的高技术产业。

近年来我国在发光二极管（LED）技术方面不断取得突破，应用越来越广泛，特别是“国家半导体照明工程”的正式启动，标志着中国高亮度LED产业进入加速发展的新阶段，为LED产业发展提供了良好契机。

1.3汽车产业与LED

随着我国经济的迅速增长，人民收入的增加和生活水平的提高，对汽车需求量在迅速增加。

中国汽车工业协会发布了2010年汽车产销整体状况，全年汽车产销量分别达到1826.47万辆和1806.19万辆，同比增长22.3%和17.9%。

汽车产销双双超过1800万辆，创新高，稳居全球产销第一。

2011年，汽车产销1841.89万辆和1850.51万辆，同比增长0.84%和2.45%。

中国汽车工业将像20世纪90年代以来中国电讯工业一样高速发展，成为中国工业的强大支柱。

汽车产业将成为带领中国经济迈入新阶段的最有影响的产业之一。

汽车产业的蓬勃兴起，带动了汽车零部件技术的快速发展，各种新技术层出不穷。

随着现代汽车的外形越来越流线、简洁和轻盈，要求汽车前照灯体积越来越小:

同时车速的进一步提高，也使汽车灯具朝着更高的照明效率、更广泛的照明适应性、更节能、环保和安全的方向发展。

采用LED作为汽车前照灯的光源有不少独特的优势，除了几乎无启动时间（即点即亮，而氨气灯需要4秒钟达80%的全光通输出）和低电压带来的电气安全、寿命长外，特别是它由若干个LED组成一个灯具，使灯具的外形具有极大的可塑性，它可以融合到更新的现代汽车设计理念中，为创造新的车型，满足用户个性化需求提供更好的技术基础与物质保证。

LED以其体积小、寿命长、能耗低、耐震动、启动时间快等优势已经成为新一代汽车光源技术的首选。

从1985年LED被应用于汽车信号灯上以来，LED已经陆续被应用在汽车内外车灯等领域。

2005年全球汽车照明用LED市场规模达5.3亿美元。

到2006年，LED己经可以应用到前照灯外的汽车所有照明器件上，超过50%的新车款将LED应用到汽车照明系统中，市场规模则超过了6.5亿美元至2011年我国LED产业产值达1540亿元，

同比增长22%，产量同比增长50%。

预计2012年在照明产品的带动下，行业产值有望达到2000亿元，同比增长30%。

为拓展LED在汽车领域的应用市场以及在未来车灯市场上抢占先机，近年来全球各大灯具公司都对大功率白光LED在汽车前照灯上的应用研究投入了大量人力、物力、财力，并陆续推出以白光LED为前照灯光源的车型。

其中全新奥迪A6L便采用LED前照灯与尾灯设计。

大功率白光LED在汽车前照灯上的应用将成为车用LED市场增长的重中之重。

我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机，开发LED汽车前照灯对于推动我国汽车工业的发展意义重大。

第2章照明系统的总体设计

2.1系统的功能及构成

自上世纪90年代白色LED的出现开始,其亮度增大趋势是如此之快,以至于我们都把它们视为21世纪的光源。

现在我们使用白色LED作为汽车前照灯的光源,这样它们的优越性就可以得到充分的展示。

这种新系统比通常使用的卤钨灯要明亮,与HID头灯

的亮度差不多。

但是考虑到LED光源特有的优越性,比如重量轻、安装深度小、耗能低、寿命更长、没有环境污染等,它们的确更适合作为下一代汽车前照灯系统的光源[4]。

基

于此，使用LED作为汽车照明控制系统的一部分更符合绿色环保的观念,此系统有以下功能：

在手动开启照明系统后，系统通过获取光照强度传感器的输出信号，判断当前行驶状态下的外界光照环境，并对汽车LED前照灯进行亮度调节，使系统能够在外界光量不足的时，自动提升前照灯亮度，外界光量充足时自动降低前照灯亮度以节约能源。

基于单片机的LED照明控制系统主要由获取必要汽车照明亮度的传感器模块、微控制器模块、驱动模块、LED模块以及电源模块等部分组成。

系统结构示意图如下：

电源

车灯

温度检测

LED驱动

微控制器

传感器

图2.1系统结构示意图

2.2照明系统工作原理

打开系统后，安装在汽车前部的亮度传感器采集到外部的光照亮度，通过其中的转换电路和调理电路把采集到的亮度信号转换成4-20mA的标准电流信号。

当AN1或

AN2输入为高电平，即开启远光灯或近光灯时，开启A/D转换。

传感器输出端与微控制器的AN0端相连，即接入到模拟信号输入端，微控制器内置的A/D能够把标准的模拟信号转换为数字信号，以便于微控制器处理。

微控制器根据得到的数字信号和编入其中的程序的值相比较，算出需要的PWM占空比的大小。

PWM信号输出端连接到

LED驱动模块的信号输入端上，驱动模块通过接收到的PWM信号来调节驱动电流的大小。

驱动电流直接作用到LED上，以控制LED灯的亮度。

LED在工作中会发热，会影响到LED的亮度。

为了解决这一问题，在驱动电路中的模拟调光端使用了NTC热敏电阻，将NTC与LED安装到一起，随着LED的温度升高NTC阻值会变大，驱动电路的模拟调光端电流减小，从而使LED的驱动电流减小以降低LED端的温度，使LED处于正常工作状态。

第3章照明系统硬件设计

3.1照明系统硬件总体设计

LT3

LED

电源

亮度传感器

A/D

PIC16F877

PWM

亮度传感器将探测到得信号发送给PIC16f877微控制器，微控制器根据信号判断亮度状况，并发送PWM信号控制LED驱动电路进行相应调整，以实现系统功能。

系统的整体控制方案如图3-1所示：

温度反馈

755

驱动

LED

图3-1系统硬件总设计框图

3.2系统供电模块

电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项的指标也提出了更高的要求。

本系统需要为微控制器和传感器提供恒定的电压，才能保证系统的正常工作。

其中微控制器使用5V直流电源，传感器使用的是12V直流电源。

蓄电池在停车熄火时正常电压为12V左右，而正常工作时充电压为14.3伏，在启动发动机的几秒时间内电压会变的较低，从而影响汽车上其它用电部件的正常工作，因而就需要使用电源稳压模块来使汽车在上述情况时稳定电压。

三端稳压集成电路lm7805和lm7812。

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78×× 系列和负电压输出的lm79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用

lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC

型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

在汽车发动之后，电源从蓄电池自动切换到发电机电源。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

7805IC封装图如图3-2所示。

图3-27805IC封装图

图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。

这样标注便于记忆。

引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。

从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。

对于lm78**正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地

端为最低电位，即③脚，如图3-2所示。

控制系统中LM7805/LM7812的电路图3-3所示：

图3-3LM7805/LM7812的电路图

Input为电压输入端，Output为电压输出端，GND为接地端。

电路图中的

0.33uF，0.1uF的电容是旁路电容，作用是抑制电路中可能产生的自激振荡，尽量放在管脚根部，其中引脚Input的电容大于引脚Output的电容，是为了防止Input处的电容漏电时，放电速度大于Output处（输出端）的速度，导致稳压器倒置而损坏，二极管是为了当有强电磁干扰使“地线电平”高于输出电平，使稳压器内部晶体管反向偏置而损坏设立的，这样经可以使压差在0.7V左右而不至于损坏。

GND端直接接地，输入端接入汽车的12V蓄电池，发动机启动后使用的是汽车的发电机供电电压为

14.3V。

LM7805输出5V电压，为微控制器供电；LM7812输出12V电压，为传感器供电。

3.3光照强度传感器

当外界亮度变化的时候，前照灯需要的亮度也需要跟着变化。

外界光照强度低的时候，相应得到的灯光亮度就高；外界光照强度高的时候，相应得到的灯光亮就低，以达到合适的亮度为宜。

从而达到节约能源的目的。

在采集外界光照强度的时候就需要用到光照强度传感器了，它能够把采集到的信号转换为标准的输出信号，传输给主控芯片以达到自动调整光照强度的目的，传感器在将光照强度转换成标准输出信号的时候，其照度与输出电流几乎是线性关系。

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。

它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作

用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。

这种特性称为“光电导”。

光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。

如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

RY-G/N型光照度传感器采用进口硅光电池及先进信号处理技术开发变送器输出，用于实现对环境光照度的测量，针对不同的领域开发出多种量程，输出标准的电流或电压信号，外观美观，安装简单，密封性好。

RY-G/N型光照度传感器参数如下：

量程：

100-2000/20K/200Klux

供电电压：

DC12V输出信号：

4-20mA精度：

±3%

安装方式：

标准安装孔

RY-G/N型光照度传感器电路图如图3-4所示:

图3-4RY-G/N型光照度传感器电路图

3.4主控芯片设计

微控芯片是汽车电控装置的大脑，负责采集传感器的信号、运算并发送指令控制系统的其他部分工作，其性能的高低与否直接影响着整个电控装置的运行结果。

因此选择一个合适高效的微控芯片是个至关重要的问题。

微控芯片的选择主要考虑两个方面:

微控芯片的性能和微控芯片的价格，芯片的性能必须满足系统的要求，而芯片的价格也必须考虑销售市场的因素将芯片价格控制在一定的范围内。

在选择微控芯片时首先应对该产品进行市场调查确定该微控芯片的价格范围，然后再在此范围中挑选拥有能够满足系统要求的性能的微控芯片。

由于汽车产品的特殊性，其相关电子产品的技术必须成熟可靠且具有高度的安全保证，且目前微控芯片的价格相对较低，所以在考虑微控芯片的选型时通常优先选用高性能的芯片作为系统的主控单元。

本系统采用Microchip公司推出的PIC16F87X系列中的PIC16F877作为主控芯片，

PIC16F877基于哈弗结构，其指令字节为14位，采用精简指令集（RISC）技术。

PIC16F87芯片内部包含3个定时器、8通道10位A/D转换器、2路PWM脉冲输出、

看门狗、SPI总线接口等，资源比较丰富，能满足紧凑、稳定的设计要求[5]。

PIC16F877芯片的引脚图如图3-5所示：

图3-5PIC16F877芯片的引脚

其外围特征：

Time0：

带有预分频器的8位定时器/计数器

Time1：

带有预分频器的16位定时器/计数器，在使用外部晶体振荡时钟时，在

Sleep期间仍能工作

Time2：

带有8位周期寄存器，预分频器和后分频器的8位定时器/计数器

2个捕捉器，比较器，PWM模块

其中：

捕捉器16位，最大分辨率为12.5ns

比较器是16位，最大分辨率为200ns

PWM最大分辨率是10位

10位多通道模块/数据转换带有SPI和I2C模式的SSP

带有9位地址探测的通用同步异步接受/发送器

带有RD，WR和CS控制8位字宽的并行从端口带有降压复位的降压检测电路

PIC16F877在系统中的接线图如图3-6所示：

图3-6PIC16F877在系统中的接线图

在控制系统中主要使用了PIC16F877的以下引脚：

OSC1，外部时钟源输入，接入的4.7k电阻和22pF的电容构成一个自激多谐振荡器，震荡频率约为

4MHz；MCLR/Vpp是人工复位输入端，低电平有效；RA端口在基本输入/输出的功能基础上，复合了模/数转换器的模拟量输入功能。

RA0作为模拟量输入，

RA1、RA2、RA3分别为远光灯、近光灯和刹车灯输入信号；VDD为电源输入端，为提高抗干扰能力和可靠性通常在正负电源之间，跨接2只一大一小的电容器；VSS为接地端；RC1和RC2分别为远光灯与近光灯的PWM输出信号；RC3为刹车灯的控制信号。

3.5LED及其驱动器设计

3.5.1LED简介

3.5.1.1LED的发展史

1882年，爱迪生发明了电灯（白炽灯），标志了人造光源的诞生。

人造光源经历

了白炽灯（第一代）、荧光灯（第二代）、气体放电灯（第三代）和20世纪60年代开始出现并在90年代获得突破的第四代照明光源——发光二极管。

白炽灯工作原理是灯泡中的钨丝通电后受热激发灯泡中的气体而发光，其体积小，成本低，显色性好，色温低（偏暖），启动性能好，工作电压范围宽，便于调节。

但其发光效率较低，寿命也较短。

气体放电灯的发光原理是利用两电极间的气体受电子激发而发光。

荧光灯即属于低压气体放电灯，是目前室内照明的主要光源。

它的光效较高，寿命较长，显色性好，色温范围宽。

但亮度可调性不如白炽灯方便。

高压气体放电灯也叫高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等。

这些灯光效高、显色性好、发光集中，广泛应用于大型场所照明和车用照明领域。

LED的发展经历了三个阶段。

20世纪60年代末，在砷化镓（GaAs）基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED，发光效率仅为0.11lm/W（流明每瓦）。

70年代中期，磷化镓（GaP）被使用，

LED可发出灰白绿黄光。

80年代早期到中期使用砷化镓磷化铝（AlP）制造了第一代高亮度的LED。

1993年日本在蓝光LED技术获得突破。

1998年白光LED研发成功，它以氮化镓（GaN）蓝光为核心，配合添加三价铈离子（Ce3＋）的钇铝石榴石（YAG）黄色荧光粉制成。

利用这种技术可以制造出任何颜色的可见光甚至纯紫外光等不可见光。

4.5.1.2LED的结构

发光二极管的基木结构是一块电致发光的半导体材料，由引线导电，采用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，并形成透镜，进行聚光[6]。

LED结构图如图3-7

所示：

图3-7 LED结构图

LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型

半导体接触部位形成PN结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能[7]。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极，半导体晶体就会发出紫外到红外不同颜色的光。

3.5.2LED驱动方案

为了确保最佳的性能和长久的工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。

这些驱动电路必须能够从相当苛刻的汽车电源总线获取工作电源，而且还应兼具成本和空间"效益性".为了维持其长久的工作寿命，一定不得超过LED