基于单片机的机动车智能远光灯系统设计

摘 要

车辆在夜间高速行驶时为了看清楚远方的路面状况常常会使用远光灯，但如果会车时没有及时切换到近光灯，远光灯剧烈的光线会导致对面的车辆没有办法清楚地看到路面，这便产生了交通隐患的可能，交通事故因而更容易发生。细想一下我国的交通事故中，在夜晚发生的事故里，与远近光灯不及时切换等相关的比比皆是。现在人们生活水平也越来越好，大部分家庭都可以支付得起车，这导致每年新增车辆越来越多。近、远灯转换不正确导致的事故比例呈直线升高趋势。在了解了国内外研究现状的基础上，发现大多数远光灯切换问题解决方案并不完善，不能完全解决高光束刺眼的危害。为了充分改善交通问题，本次设计智能远光灯切换系统。利用单片机为基础，加以距离过近时蜂鸣器报警、超声波测距等构成机动车智能灯光系统。机动车在夜间行驶时，如果检测到对面有车辆，将自动关闭远光灯，打开近光灯，从而完成远、近光灯切换，从而简化了驾驶员手动切换，同时减少了刺眼的光束导致驾驶员看不见路面，因此大大降低了事故发生的风险。
本次设计制造成本低，性能优良。通过软件和硬件的调试以及仿真实验，结果表明本次设计在技术上完全可行，预期功能可以实现，这将会更好地保障人民的生活安全。随着我国机动车的不断发展，交通安全问题也越来越被大家关注到，解决这一问题迫在眉睫。在这样的背景下，本次设计将在未来的发展中得到良好的推广。

关键词：单片机；液晶显示；蜂鸣器报警；超声波测距

1 总体设计方案

1.1 系统总体方案选择

随着城市化的到来，人们的生活水平逐渐提高，私家车也越来越普遍，人民对交通的安全关的注度也越来越高，交通事故在夜晚的高频发生急需解决，这便需要更安全的机动车远光灯系统，以此来减少交通事故的发生。针对以上，我提出了以下几种方案：
（1）方案一
在机动车上安装液晶显示，实时显示与前方车辆的距离，当距离低于设定值报警提醒驾驶员切换近光灯。同时在机动车上安装一款App，可观看到周围车辆图像，从而防止事故发生。
（2）方案二
在机动车上安装光检测系统检测外界光强，当夜幕降临，外界光强低于设定值时自动开启远光灯照明。在汽车上安装了超声波测量距离模块，当在夜晚时检测到对面会车时，距离小于设定值，自动切换为近光灯[3]。在机动车上安装蜂鸣器报警模块，当距离前方车辆过近时，自动报警提示驾驶员，防止碰撞。
若选用方案一，App实时反馈图像所需一定经费，不仅增加了成本，并且没有连接时或连接不稳定时则不起作用，液晶显示报警后依旧需要驾驶员手动切换，而方案二更稳定，安全性更高，且不需要驾驶员手动切换，从而不需要分散驾驶员的精力，并且成本低，易推广，更容易被大众所接受，故选择方案二。

本次总体框图如图1.1所示。

图1.1 系统总体框图

1.2 系统功能的确定

通过对方案二的进一步研究，确定实现功能如下：
（1）当在夜晚时行驶的机动车，光检测外界光强小于设定值时，自动开启灯光照明路况；
（2）当在夜晚时行驶的机动车，检测到对面有会车时，远光灯自动切换到近光灯；
（3）当在夜晚时行驶的机动车，检测与前方车辆或道路的距离，距离过近报警，防止碰撞发生；
（4）选用LCD1602液晶显示实时显示远近和光强，辅助驾驶员更好的切换远近光灯。
为实现以上功能，本次设计采用了89C52单片机[3]。其中包含了光检测技术、LED设计、按键技术、超声波技术、LCD液晶显示技术、蜂鸣器报警等。使用单片机技术去设计灯光自动控制系统。单片机连接着传感器和控制电路设备。当光强达到传感器识别的值时，传感器将测量到的物理量作为输入参数，转换为输入的电量(电流、电压、电阻等)。经过单片机的处理来控制我们的控制电路，从而达到自动控制的目的。

2 硬件电路的设计

2.1 单片机控制模块设计

2.1.1 主控芯片

STC89C52一共有32个I/O口，本次设计使用24个， LCD1602显示屏模块需要11个，蜂鸣器报警模块需要1个，按键模块需要4个，超声波模块需要2个，LED模块需要3个，AD模块需要3个。该芯片具有传统52单片机所没有的特点，STC单片机的运行速度是其他公司52单片机[4]的两倍。作为一个单芯片、智能8位CPU的单片机，它可以系统内编程Flash，可用于嵌入式控制应用，同时为其提供了一个高度灵活和高效的解决方案。
主要特性如下：
（1）工作电压：5.5V～3.3V（5V SCM）/3.8V～2.0V（3V SCM）；
（2） 工作频率范围：0～40MHz，等同于普通STC89C52的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
（3）8K字节空间可用；
（4）集成512字节RAM；
（5）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒[6]。
单片机所有引脚图如图2.1所示。

图2.1 STC89C52引脚图

2.2 液晶显示模块电路设计

2.2.1 显示模块的选择

根据上述功能描述，对于显示模块需要能够显示足够的字符，分两行显示，每一行16个字符。针对显示模块设计如下几种方案。
(1)方案一
采用LED数码管进行数据显示块，LED数码管适用于对数字的显示。
(2)方案二
点阵数码管是采用点阵数码管设计的显示模块，点阵数码管适用于显示文字，它由八行八列的发光二极管显示器组成。
(3)方案三
使用LCD设计显示模块，液晶显示器是由单片机进行驱动，它可以显示包括数据、文字、图形等信息，整体结构美观。
方案一可以显示数据较少，不能完全实现显示功能。方案二可以显示数据较多，价格相对较高，若采用在显示数字会造成资源浪费。经比较发现，LCD液晶显示成本低、易开发且能大量显示文字符合本设计要求，并且具有功率消耗小、寿命长。故选用方案三。

2.2.2 显示模块的电路设计

本设计采用的字符型显示，以LCD1602作为显示器进行信息显示[9]。和传统的LED数码管显示器件相比，它的体积相对较小、功耗较低，并且可以显示2行16个汉字，LCD显示器已然成为了单片机应用设计中最常用的显示器件。LCD1602主要技术参数如下：
①显示容量为16×2个字符；
②芯片工作电压为4.5～5.5V；
③工作电流为2.0mA（5.0V）；
④模块最佳工作电压为5.0V；
⑤字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
其具体电路原理图如图2.4所示。

图2. 4 LCD1602液晶显示电路原理图
其实物图如图2.5所示。

图2.5 LCD1602显示器实物图

2.3 远近灯光电路设计

本设计共使用了四个LED指示灯，其中D1、D2代表远光灯，D3、D4代表近光灯。LED灯实际上是一个发光二极管，其工作原理是将电能转化为光能。和普通二极管一样，LED也有一个PN结，具有单向导电性。在电路中，电阻的作用是限制电流和保护LED灯。远近光灯模块从上至下分别与单片机P1.3、P1.4、P1.5相连。其电路图如图2.6所示。

图2.6 LED远近灯光电路设计

3 焊接与调试

3.1 元器件清单

本次设计以STC89C52单片机为核心[17]完成机动车智能远光灯系统设计，具体元器件如表4.1所示。
表4.1 元器件清单

3.2 电路焊接

本次设计我们采用的是手工焊接。手工焊接是最原始的方式，与机械大批量生产相比更加精细。由于本次设计布线比较密，所以在焊接前，应仔细对比电路图，确定各元件的位置，以避免焊接位置误差。在焊接过程中还应注意焊锡的使用量[18]。由于各元器件位置较近，这对焊接的技术有一定要求，若焊锡过多会导致短路的出现。这时候可以用电烙铁放在焊接处来回滑动，使用电烙铁去除多余的焊料，或使用焊料吸收器去除焊料。最终成品如图4.1所示。

图4.1 焊接正面实物图

3.3 系统调试

经过所有设计后，最后来到了调试阶段。在给整体上电之前，先观察下是否还存在焊接问题。例如：明显的焊接不稳定、断裂，正负极是否接反，是否有虚接，所有焊点是否遗漏等。检查无误后使用万用表进行二次检查测量，更加仔细的检查，是否存在电路问题，观察是否出现了严重的电源问题，如短路、断路等。一切正确无误后，开始软件部分的调试。
本次设计程序是Keil书写。首先要调试代码是否有误，若提示的信息中显示“error”，就要根据提示找到错误程序并改正，直到错误消失。没有问题后写入单片机中，上电，观察是否实现设计的功能。首先设定好了光检测值，低于此值后将自动开启远光灯。接下来设定好距离值，检测小于此距离将自动切换为近光灯。最后测试近距离有物体时是否报警提醒。如果功能没有实现或实现不完全、不正确，需要重新调试程序，反复进行以上操作，直到所有功能都实现为止。最终实物图如下所示。

图4.3 机动车智能灯光系统设计实物图

4 结 论

通过以上分析，机动车智能远近光灯系统设计合理且可行，易于推广，可实用性高，预期设计功能也全部实现。能够很好的减少交通事故的发生。本次设计使用STC89C52单片机作为核心[22]，加之超声波测距、光检测、蜂鸣器报警、液晶显示等模块共同实现了机动车智能远近光灯系统设计。在大量查询资料和导师的指导下，对系统的总体设计以及软、硬件进行了系统的研究和改正。在结合理论对设备进行相关调试之后，本系统实现了机动车智能远近光灯系统设计。在夜幕降临时检测外界环境光强，当低于设定值时实现自动开启车灯；当机动车在夜晚高速行驶时，若检测到对面有车汇入，自动从远光灯切换到近光灯；当距前方车近时自动报警，防止发生撞车事件[23]。此系统设计功能强大且具有一定的创新性，可以为人们的生活带来安全保障。
在本次设计中，我对超声波测距、程序书写、蜂鸣器报警、液晶显示等方面都有了更好的提升。把所学习的理论知识与实践相结合起来，不断地取得进步，更好的完成了本次设计。在设计途中难免会遇到大大小小的难题。在老师和同学的帮助下，最终都顺利解决。最终设计出了一个成本低廉，易于推广的机动车智能远光灯系统设计。这一系统可以更好地帮助驾驶员看清楚道路，同时会车时也不会影响到其他驾驶员，大大提高了我们的生活安全，避免了不必要的交通事故发生。

作者：张老师开发日常