基于微控制器的新型智能車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、第39卷第2期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Vol.39No.22009年3月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Mar.2009收稿日期:2007208224.基金項(xiàng)目:吉林省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2005082.作者簡(jiǎn)介:周求湛(19742,男,副教授,博士.研究方向:微弱信號(hào)檢測(cè).E 2mail :tongxin 通信作者:吳丹娥(19852,女,碩士研究生.研究方向:微弱信號(hào)檢測(cè).E 2mail :wudane_200401基于微控制器的新型智能車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)周求湛1,吳丹娥1,王淼石2,張秀媛1

2、,劉富1(1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,長春130022;2.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,長春130012摘要:研制了一種自動(dòng)控制車輛前燈的裝置,通過感受外界光線來控制車輛燈光的變化?？紤]了行車時(shí)會(huì)遇到的各種燈光環(huán)境,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練使分類的正確率達(dá)到98%以上,能夠保證根據(jù)不同的環(huán)境作出快速、準(zhǔn)確的判斷。采用微控制技術(shù)對(duì)車輛前燈進(jìn)行控制,使手動(dòng)和自動(dòng)兼容。它能模仿司機(jī)的實(shí)際控制思維,使控制效果最大限度地接近實(shí)際操作,同時(shí)能排除各種雜散光的干擾,誤判率低,抗干擾性強(qiáng),廣泛適用于各種車型。關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制技術(shù);微控制器;智能車燈;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);B P 算法中圖分類號(hào):TP183文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào)

3、:167125497(2009022*Design and implementation of novel intelligent lightingcontrol system based on micro 2control unitZHOU Qiu 2zhan 1,WU Dan 2e 1,WAN G Miao 2shi 2,ZHAN G Xiu 2yuan 1,L IU Fu 1(1.College of Comm unication Engineering ,J ilin Universit y ,Changchun 130022,China;2.College of Elect roni

4、cScience and Engineering ,J ilin Universit y ,Changchun 130012,China Abstract :An intelligent lighting cont rol system based on t he micro 2cont rol unit (MCU was developed to cont rol t he headlight s of t he vehicle.The system controls t he change of t he lighting power by sensing t he ambient lig

5、ht.After t he t raining of t he applied neural network ,t he accuracy of t he classification rate for t he various t raffic lighting environment s encountered during vehicle driving may reach above 98%,being able to make quick and accurate decision for t he headlight cont rol.The system uses t he MC

6、U technology ,being co mpatible for bot h manual and automatic controls.It imitates t he act ual contol t hinking of t he driver ,makes t he cont rol effect close as much as po ssible t he p ractical requirement.Additionally ,it can avoid t he dist urbance of t he various st ray light s wit h low mi

7、sjudgment rate ,can be widely used in various types of vehicle.K ey w ords :automatic cont rol technology ;micro 2cont rol unit (MCU ;intelligent lighting ;neural network ;BP algorit hm交通報(bào)曾經(jīng)報(bào)道1,我國夜間發(fā)生的交通事故,其中有70%左右是由于駕駛?cè)藛T違章使用燈光造成燈光眩目而無法看清前方路面情況而造成的。在汽車夜間行駛會(huì)車時(shí),兩車遠(yuǎn)燈強(qiáng)光相互第2期周求湛,等:基于微控制器的新型智能車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

8、照射,造成駕駛?cè)藛T目眩而無法看清前方路面情況,由此導(dǎo)致的交通事故頻頻發(fā)生。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)2,當(dāng)視距大于100m時(shí),事故率下降幅度隨視距增加而趨緩;當(dāng)視距大于600m時(shí),事故率基本不變;雨天交通事故的發(fā)生率約為平時(shí)的5倍,夜間重大交通事故的發(fā)生率約為白天的3倍,而近40%的夜間交通事故與駕駛員不正確使用燈光有關(guān)。本文研制了智能車燈控制器,能對(duì)環(huán)境和行車狀況自動(dòng)作出判斷,并根據(jù)需要自動(dòng)控制車燈,它利用傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)和電子電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確感測(cè)和判斷,應(yīng)用人工智能技術(shù)來辨別環(huán)境,自動(dòng)選擇適宜的燈光模式,實(shí)現(xiàn)車輛前燈的全程自動(dòng)控制。該控制器能夠模仿司機(jī)的實(shí)際控制思維,有效地輔助駕駛員工作,減輕駕駛

9、員負(fù)擔(dān),避免了由于操作人員疏忽等因素而導(dǎo)致的違章使用燈光,可有效降低因車燈使用不當(dāng)造成的交通事故率。1智能車燈控制系統(tǒng)該系統(tǒng)是根據(jù)光電傳感器和溫濕度傳感器檢測(cè)外界環(huán)境光線的變化和汽車行駛的狀態(tài)把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析判斷,進(jìn)而控制車燈的遠(yuǎn)近光燈、霧燈開啟和關(guān)閉,遠(yuǎn)近光燈切換等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 。圖1智能車燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1Diagram of the intelligent lighting control system 1.1系統(tǒng)的工作原理通過外置的傳感器感測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)弱、光線實(shí)時(shí)變化情況和外界的天氣情況,把感測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

10、的輸入。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照事先對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)已經(jīng)劃分好的類進(jìn)行分析歸類,判斷出汽車所處的行車環(huán)境(白天、雨霧天氣、夜晚的市區(qū)、夜晚的郊外、夜晚會(huì)車、進(jìn)入隧道等等,在與內(nèi)置的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)送燈光控制指令給車燈控制開關(guān)。如果檢測(cè)到光探測(cè)器輸出的電壓高于一定值時(shí),單片機(jī)控制繼電器的常開觸點(diǎn)閉合,汽車變?yōu)榻鉄?如果光探測(cè)器的電壓低于一定值時(shí),汽車變?yōu)檫h(yuǎn)光燈;若電壓介于二者之間,則繼電器保持原來狀態(tài),汽車車燈不發(fā)生變化,這樣就實(shí)現(xiàn)車輛前燈的全自動(dòng)控制。此外,本控制器是并接在車燈線路上的,并有手控操作檢測(cè)電路,不改變汽車原有的線路和操控習(xí)慣,能夠自動(dòng)識(shí)別并排除一些短時(shí)偶發(fā)性的外界干擾。1.2系統(tǒng)的基本功能

11、(1自動(dòng)開關(guān)燈:可以根據(jù)環(huán)境光線和行車環(huán)境,自動(dòng)判斷是否開啟或關(guān)閉燈光。當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到光線不足時(shí),自動(dòng)開啟近光燈,光線足夠時(shí)自動(dòng)關(guān)燈;汽車白天過隧道,進(jìn)入地下停車場(chǎng),夜幕降臨時(shí),自動(dòng)開啟示寬燈、近光燈。暴雨或大霧等惡劣天氣、較弱光照時(shí),自動(dòng)開啟近光燈和霧燈。(2自動(dòng)變光:光線變化時(shí),汽車燈光自動(dòng)變化。夜間行駛在有路燈的市區(qū),則自動(dòng)為近光;夜間行駛在郊區(qū)公路、長途公路或者鄉(xiāng)村公路上,自動(dòng)變換為遠(yuǎn)光燈。夜間會(huì)車時(shí),兩車相距150m 或者更近,系統(tǒng)自動(dòng)變?yōu)榻鉅顟B(tài);會(huì)車完畢自動(dòng)恢復(fù)到遠(yuǎn)光燈狀態(tài)。(3手動(dòng)和自動(dòng)兼容:在不影響原車手動(dòng)功能的情況下,可以隨時(shí)從自動(dòng)狀態(tài)切換到手動(dòng)狀態(tài),能夠滿足各種情況的需求

12、。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件主要由光照探測(cè)傳感裝置、邏輯判斷控制電路和車燈控制開關(guān)三部分組成。2.1光照探測(cè)和溫、濕度傳感裝置這部分電路主要是用于探測(cè)外界的光線強(qiáng)弱以及溫、濕度情況,把測(cè)得的數(shù)據(jù)以電壓的形式傳輸?shù)竭壿嬇袛嗫刂齐娐?再由邏輯判斷控制電路對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。光照探測(cè)裝置采用3DU系列的光敏三極管,它是通過一塊基極上的聚光鏡,將光聚集在發(fā)射結(jié)上,打破發(fā)射結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)平衡,使發(fā)射極電流發(fā)生變化。選用P T100集成溫度傳感器,它的測(cè)溫范圍很大,適合在汽車上使用,主要是對(duì)外界的溫度進(jìn)行檢測(cè)。濕度傳感器選擇的是IH3605,它的工作溫度為-4085,同時(shí)能夠把電壓放大輸出,不需要額外設(shè)計(jì)放大電

13、路。2.2邏輯判斷控制電路它是本系統(tǒng)的核心部分,光敏三極管和溫、濕度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓后,送入這部184吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第39卷分電路,它把接收到的電壓與事先劃分好的類進(jìn)行匹配,判斷汽車所處的行車環(huán)境,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車燈控制開關(guān)完成車燈的開啟、關(guān)閉及遠(yuǎn)近光變換324。這部分的功能由單片機(jī)以及輔助算法來實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)單片機(jī)選取的是f reescale 公司的16位微控制器MC9S12D G128。這是一個(gè)在汽車行業(yè)應(yīng)用較廣的單片機(jī),內(nèi)部包括SPI 、SCI 、IIC 、A/D 、PWM 等接口模塊,可以在不同的系統(tǒng)中靈活地發(fā)揮作用,它的各接口模塊也有利于其他功能的擴(kuò)展,具有強(qiáng)抗干擾能力和高

14、可靠性等優(yōu)點(diǎn),控制車燈電路的示意圖如圖2所示。 圖2GZ 16控制車燈電路示意圖Fig.2Diagram of the GZ 16lighting control circuit 算法要在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)采用Codewarrior for HCSl2作為推薦的程序編譯軟件。本文在Codewarrior 軟件中使用C 語言對(duì)單片機(jī)編程,實(shí)現(xiàn)車燈的控制。2.3車燈控制開關(guān)用于完成汽車的遠(yuǎn)近光燈、霧燈的開閉以及遠(yuǎn)近光燈的切換。由單片機(jī)I/O 口的輸出電壓經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)繼電器來控制車燈的開啟和關(guān)閉,由繼電器的位置來控制車燈的遠(yuǎn)近光變換。繼電器位于常閉觸點(diǎn)時(shí),汽車遠(yuǎn)光燈開啟;位于常開觸點(diǎn)時(shí),近

15、光燈開啟。繼電器位于常開或常閉觸點(diǎn)由單片機(jī)輸出的電壓來決定,即單片機(jī)判斷所處的行車環(huán)境應(yīng)進(jìn)行哪種操作,從而來控制車燈的變化。3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)車燈的控制,首先要對(duì)汽車所處的行車環(huán)境作出判斷。這就需要對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行劃分,區(qū)分出何時(shí)需要開遠(yuǎn)光燈、近光燈、示寬燈及完成燈光的切換。這部分工作需要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,劃分成不同的類,然后對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,判斷出它所屬的類,進(jìn)而對(duì)車燈進(jìn)行控制。本文采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)輸入信號(hào)分類,進(jìn)而對(duì)智能車燈系統(tǒng)進(jìn)行控制526。3.1Matlab 程序設(shè)計(jì)把傳感器輸出的溫度、濕度、光強(qiáng)的值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,把所處的行車環(huán)境作為期望輸出,

16、在各種環(huán)境下測(cè)得足夠多、具有代表性的溫度、濕度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)7。通過輸入信號(hào)的正向傳播和輸出誤差的反向傳播來不斷調(diào)整各神經(jīng)元間的權(quán)值,以減小期望輸出與實(shí)際輸出之間的誤差,達(dá)到訓(xùn)練樣本的目的,最后得到溫度、濕度、光強(qiáng)與行車環(huán)境之間的映射關(guān)系。只要輸入溫度、濕度、光強(qiáng)的數(shù)值,根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,就可以得到輸出樣本應(yīng)屬的類,即得到汽車所處的行車環(huán)境,進(jìn)而知道應(yīng)該對(duì)車燈進(jìn)行哪種操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)車燈的自動(dòng)控制。用Matlab 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的主要代碼如下:net.trainParam.epochs =100;net.trainParam.goal =0.001;net =t rain (net

17、,p ,t ;y =sim (net ,p 其中:p 為輸入向量;t 為目標(biāo)向量。訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示,經(jīng)過4次訓(xùn)練后,誤差達(dá)到規(guī)定要求,此時(shí)分類正確率為98.23%。圖3網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差Fig.3T raining error of the netw ork3.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)分類完成后,采用C 語言進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)燈光的變換。其中包括車燈的開啟、關(guān)閉,由遠(yuǎn)光變?yōu)榻夂陀山庾優(yōu)檫h(yuǎn)光,只有當(dāng)它們各自滿足所需條件時(shí),才能進(jìn)行燈光的切換。軟件完成的功能有:系統(tǒng)的初始化;采集光敏三極管和溫、濕度傳感器輸出的電壓;主程序循環(huán)。主程序流程圖如圖4所示。284第2期周求湛,等:基于微控制器的新型智能車燈控制系

18、統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖4主程序流程圖Fig.4Main flow chart由遠(yuǎn)光變近光的條件包括:光強(qiáng)。兩輛車相向而行,當(dāng)檢測(cè)到光強(qiáng)超過某一值時(shí),由遠(yuǎn)光變?yōu)榻狻９鈴?qiáng)的變化率。在實(shí)際中,可能兩輛車的燈光亮度不同,假設(shè)A 車車燈比B 車亮,當(dāng)兩車相遇時(shí),B 車接收到的光強(qiáng)先超過一定閾值進(jìn)而切換成近光。此時(shí),A 車接收到的光強(qiáng)始終達(dá)不到閾值,車燈不發(fā)生變化,這是不允許的。因此,為了解決這一問題,引入了光強(qiáng)的變化率。當(dāng)兩車正常行駛時(shí),檢測(cè)到的光強(qiáng)緩慢增加,光強(qiáng)變化率很小。但是,當(dāng)其中一車由遠(yuǎn)光變?yōu)榻鈺r(shí),另外一車感受到的光強(qiáng)就會(huì)突變,這時(shí)該車也應(yīng)由遠(yuǎn)光切換為近光。由近光變遠(yuǎn)光的條件:兩車變?yōu)榻夂?光

19、敏三極管檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)比較弱,但當(dāng)兩車的近光燈區(qū)交匯時(shí),光強(qiáng)將突然增大,即光強(qiáng)的變化率會(huì)超出一定閾值。當(dāng)滿足這個(gè)條件時(shí),時(shí)延t 后,把近光切換為遠(yuǎn)光。遠(yuǎn)近光切換的流程圖如圖5所示。 圖5遠(yuǎn)近光切換流程圖Fig.5Flow chart of the headlamp switching4結(jié)束語本智能車燈控制系統(tǒng)以Freescale 公司的MC9S12D G128單片機(jī)為核心器件,能對(duì)車輛前燈進(jìn)行控制。經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入樣本的訓(xùn)練使分類的正確率達(dá)到98%以上,能夠保證操作效果最大限度地接近司機(jī)的實(shí)際操作,同時(shí)它的手動(dòng)和自動(dòng)控制功能兼容,在自動(dòng)控制的同時(shí)不改變手動(dòng)控制的習(xí)慣,具有可靠性高、成本低、

20、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。其智能調(diào)配的能力完全符合實(shí)際需要,并能省時(shí)省力,提高了系統(tǒng)的可靠性。由于該單片機(jī)具有許多其他接口模塊,還可以根據(jù)需要采用其他模塊進(jìn)行通信,只要編寫相應(yīng)的程序,便可實(shí)現(xiàn)根據(jù)外界環(huán)境的變化改變車燈。同時(shí),它的安裝及使用方便,適用范圍廣,可以應(yīng)用于各種車型,以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。參考文獻(xiàn):1鄭乃金.智能燈光系統(tǒng)的發(fā)展、功能及技術(shù)動(dòng)向J .世界汽車,1999,6(1:18221.Zheng Nai 2jin.The development ,f unction and tech 2nical tendency of intelligence lighting system J .World Automobile ,1999,6(1:18221.2王雪松.夜間行車用燈有學(xué)問J .汽車運(yùn)用,2005,12:35.Wang Xue 2song ,Traffic lig