汽車遠近燈自動控制

1、 汽車遠近燈自動控制系統(tǒng)設計摘 要汽車遠光燈是為了讓駕駛者在夜間高速行駛時看清遠方路況，但是在會車時如果不及時切換到近光，其強烈的光線會使對面車輛無法看清道路，極易發(fā)生交通事故。國內統(tǒng)計，在夜間發(fā)生的交通事故中，與遠光燈有關的事故占到三四成，且成上升趨勢。本文以單片機為核心，構成汽車前大燈自動調光控制系統(tǒng)，當夜晚行車遠光燈打開時，系統(tǒng)能通過光檢測輸入模塊察看前方是否有相對行駛車輛，若有則自動啟動調光輸出模塊，關閉遠光并打開近光。能很好地解決傳統(tǒng)方式下，手動調光延遲時間長和駕駛員因頻繁手動調光而分散注意力等問題，從而大大減少事故的發(fā)生。關鍵詞：單片機；光探測器；自動控制Automatic con

2、trol of vehicle distance lightAbstraetWhen automobile travels at high speed,the high beam is used to allow driver to see distant traffie.But if we do not switch to last light timely when two automobile travel at opposite direetion and very adjaeent,the strong light will make the drivers not be able

3、to see across the road,so traffic accidents can easily occur.National statistics shows that the accident occurred at night with high beam related accounted for as 34%,and into an upward trend. Microcontroller as the core of this paper constitutes a vehicle headlight dimming control system for automa

4、tic, high beam is turned on when driving at night, the system look through the optical input module testing whether there is a relatively moving vehicles in front, if the output module starts automatically dimming , Close and open the near light beam. Can solve the traditional way, manually adjust t

5、he delay time of light for long and frequent manual dimming driver distracted by other issues, thus reducing accidents.Keywords: microcontroller; light detector; automatic control目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295486672 第一章 緒論 第一章 緒論1.l引言當夜晚行車遠光燈打開時，若前方有相對行駛車輛，則駕駛員通常會將遠光變?yōu)榻猓苊鈱γ孳囕v因受強光照射而無法正確判斷前

6、面路段情況，造成危險的情況。但在傳統(tǒng)方式下，駕駛員手動調光所需延遲時間較長，并且駕駛員因頻繁手動調光容易造成注意力分散，極易因此而引發(fā)交通事故。為了人身的安全以及駕駛員的舒適駕駛，設計構思了一種汽車遠近燈自動控制系統(tǒng)。關于汽車夜間行車遠光燈的使用，中華人民共和國道路交通安全法做出了明確規(guī)定，但是在實際駕駛中不按規(guī)定在會車及通過路口時關閉遠光的情況十分嚴重，比如汽車交會時開遠光燈，強光直射對面司機眼睛，形成視覺盲區(qū)，極易造成車禍。不按規(guī)定使用遠光燈主要有三種情況：一是剛拿到駕照的新手，不知道如何使用燈光，亂打燈。二是有的司機明知違規(guī)用燈卻依然我行我素。三是在有些路段需要頻繁的切換遠近光燈，駕駛員

7、在打開遠光燈后往往忘記關掉。因此而導致的交通事故給人們的生命和財產安全帶來了極大的危害，也在一定程度上影響了經(jīng)濟的發(fā)展。要最大程度減少這種事件發(fā)生，在加強交通執(zhí)法力度的同時，對夜間行車遠光燈的使用進行自動控制是一個有效地解決辦法。目前國外一些汽車公司己經(jīng)開始遠光燈的自動輔助控制系統(tǒng)的試驗，德國巴伐利亞汽車制造廠研制了一種遠光燈輔助系統(tǒng)，主要構件是安裝在后視鏡外殼前面一個傳感器，傳感器內包含一架照相機，相機拍攝的圖像被反饋到一個電子評估系統(tǒng)里，由該系統(tǒng)分析前方的物體從而自動控制遠光燈的開閉。這個系統(tǒng)計劃在該公司的寶馬5系、6系和7系中加裝。當前對汽車遠光燈炫目的問題，有許多不同的解決方案，但都存

8、在著這樣或那樣的問題。當前的趨勢是研制一種確保安全、簡單有效、成本低廉、易于推廣的遠光燈自動控制系統(tǒng)。11.2國內外對汽車遠光燈控制的研究狀況及最新成果1.2.1國內汽車遠光燈控制的研究現(xiàn)狀汽車防眩遠光前照明燈汽車防眩的技術特征是根據(jù)燈光測試平面上眩目光線區(qū)間的界線與光線反射平面的關系確定燈絲的安裝空間，其防眩光形可以根據(jù)不同測試標準變化，具有遠光的照射距離和近光的防眩光形。但是從眼睛的感光角度來說，光覺是最基本的視覺。眼的感光最早由視網(wǎng)膜的兩種視細胞，即視桿細胞和視錐細胞開始，視桿細胞在甚暗的環(huán)境，可對微弱的光產生感覺，即暗視覺。視錐細胞則在較亮的光線下，產生光覺，即明視覺及顏色感覺。而錐細

9、胞主要分布在眼球的中心凹。也就是說眼球正常固視前方的情況下，中心視野30范圍內對光的敏感度最強;30以外的周邊視野光敏感逐漸減弱。當兩車夜間交會車時，往往有些開車的人視覺會不自覺地跟隨對方的車燈，也就是瞪視對方來車，這樣眼睛的中心視野正對著對方的車燈，所以遠光燈眩目的問題依然存在。2利用偏振光防眩目其基本原理是根據(jù)馬斯呂定律(兩個起偏器的偏振軸互相垂直時，對光的透射率幾乎為零;而兩個起偏器的偏振軸相互平行時透光率最大)，在每輛車的風擋玻璃和車燈玻璃加上偏振片，其偏振軸與水平面成45度角，則兩車相向行駛時，一方風擋上偏振軸與對方車燈上偏振軸正交。根據(jù)馬斯呂定律，對方車燈發(fā)出的光線經(jīng)過車燈玻璃和本

10、方風擋玻璃的透射率幾乎為零。當前，偏振片的透光率很不理想，單片透光率只有36%左右，因此需要加大車燈功率，提高車燈亮度。這種方式由于偏振片性能有待提高，尚未達到實用化程度。3-5汽車前照燈自動變光器其工作方式是利用光敏傳感器探測前方來車的遠光燈，當距離對面車輛200m左右時，自動變光器可根據(jù)對方車輛燈光變換作相應的變換，如果對方車輛遠光超過2s不變換時，本車能自動恢復遠光，提醒或迫使對方車輛變光。此裝置存在一定的弊端，如果對方未關閉遠光，本車也不關閉遠光，使得會車時的危險加倍;如果對方關閉遠光，本車裝置要在安全距離以外及時準確的發(fā)現(xiàn)對方車輛較為困難，故實際使用效果不理想，目前一直未能得到廣泛應

11、用。遠光燈的控制問題一直沒有得到妥善解決。6-81.2.2國外汽車遠光燈控制的研究現(xiàn)狀紅外夜視系統(tǒng)紅外夜視是利用目標與周圍環(huán)境之間由于溫度或發(fā)射率的差異所產生的熱對比度進行成像。由于熱對比度的差異而把紅外輻射能量密度分布圖顯示出來，成為熱像，再通過熱像將紅外圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像。9-10目前應用的紅外夜視主要分為兩種，遠紅外夜視系統(tǒng)能夠看清前方300m。顯示輻射熱能物體，物體越熱，光線就越強，主要是人和動物。近紅外夜視系統(tǒng)能夠看清前方150m，但畫面更為明亮，顯示信息更為豐富。紅外夜視系統(tǒng)只能作為遠光輔助，不能完全解決遠光危害問題，且其價格昂貴，國外最低售價也在人民幣兩萬元左右。目前只有在奔馳S

12、級，寶馬740以上的豪華汽車中才裝配。單色光防眩單色光防眩是利用單色光的遠光燈來照明。研究發(fā)現(xiàn)，飽和照明時，人眼對黃光有比白光更佳的敏感度;人眼睛被黃光眩目后暗視野的恢復相對較快?？梢栽诰o急情況出現(xiàn)時爭取寶貴時間。這種方法利用的僅是黃光這一段較窄波長范圍的光，通常照射效率低，視野較暗。效果不理想。液晶變光裝置液晶變光的基本原理是在車燈前加液晶版，利用光敏傳感器探測外界光照強度，自動平穩(wěn)地隨外部照明情況改變液晶的透射率，從而控制遠光燈的眩目問題。問題在于系統(tǒng)的造價高，液晶面板的耐溫特性差，此技術尚不成熟。11-13美國GENTEX公司開發(fā)成功了智能變光汽車前照燈該前照燈利用傳感裝置感測前方光源。

13、當迎面來車時會自動降低前照燈的光照度，當會車畢又恢復強光。此種光照度變化十分柔和，是漸進的。但如前方車流突增，如轉彎行駛時光照度亦會立刻減弱。福特林肯車系(Lineoln-Mereeury)己決定從2004年起裝用此種變光照度前照燈。該燈現(xiàn)在存在的問題是成本價稍高些，現(xiàn)Gentex已在做著將其成本降到150-200美元的工作，以期向低價車種進行普及。1.2.3汽車遠光燈控制的研究發(fā)展趨勢違章使用汽車遠光燈造成的交通事故不在少數(shù)，每年新增車輛越來越多，由遠光燈使用不當造成的夜間交通事故比例更是急速上升。對國內外研究情況的分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)遠光燈炫目問題的解決方案都不完善，不能完全解決遠光燈危害問題。

14、根據(jù)實際情況需求，對于汽車遠光燈探測與控制系統(tǒng)，一定要確保安全，簡單有效;目前除去極少數(shù)豪華型車輛外，大多數(shù)路上行駛的車輛都不具備遠光智能控制功能，這主要是汽車工業(yè)生產特點決定的，每一點點成本的增加都會改變一款車銷售情況，甚至影響一款車的市場定位，要想做到好的效果，系統(tǒng)一定要具有成本低廉，易于推廣的特點。簡而言之，確保安全，簡單有效，成本低廉，易于集成是今后這類產品的發(fā)展趨勢。1.3課題研究的目的本課題研究的目的是擬開發(fā)一種夜間行車遠光燈自動控制系統(tǒng)，通過對各種汽車遠光燈照度的分析，制作合適的傳感器捕捉遠光燈信號，發(fā)現(xiàn)前方車輛遠光開啟，及時減弱以至將其換到近光。輔助駕駛者進行自我約束，確保汽車

15、夜間行車遠光燈的按章使用，提高行車安全，減少因車遠光燈造成的交通事故。第二章 基于C51單片機汽車遠近燈自動控制的方案2.1 任務分析單片機應用系統(tǒng)可以分為智能儀器表和工業(yè)測控系統(tǒng)兩大類，無論哪一類，都必須以市場需求為前提。所以，在系統(tǒng)設計前，首先要進行廣泛的市場調查，了解該系統(tǒng)的時常應用概況，以分析系統(tǒng)當前存在的問題，研究系統(tǒng)的市場前景，確定市場開發(fā)設計的目的和目標。簡單地說，就是通過調研克服舊缺點，開發(fā)新功能。根據(jù)論文的設計需求：（1）、熟悉protues環(huán)境；（2）、熟悉有關傳感器的理論知識；（3）、給出設計方案2.2 設計方案2.2.1 設計思想此次設計選用了80C51單片機。其中包含

16、了電工技術，傳感器技術，單片機技術去設計基于單片機的汽車遠近燈自動控制系統(tǒng)。80C51單片機好比一個橋梁，聯(lián)系著傳感器和控制電路設備。當前方的光強達到傳感器能識別的數(shù)值時，傳感器把被測的物理量作為輸入?yún)?shù)，轉換為電量（電流、電壓、電阻等等）輸入。單片機經(jīng)過處理后再對我們的控制電路進行控制，從而達到自動控制的目的。2.2.2總體框圖工作原理圖如圖2.l所示。控制開關電路置于汽車大燈遠光開關上，當遠光燈打開時即啟動自動控制系統(tǒng)工作。當對面有車時其燈光或其反射鏡的反射光可被“光檢測輸入電路”捕獲，電路向單片機發(fā)送有效高電平，單片機通過程控方式檢測到來自“光檢測輸入電路”的有效信號則啟動“調光控制輸出

17、電路”自動變?yōu)榻?；否則繼續(xù)檢測輸入信號?？刂崎_關電路控制開關電路光檢測輸入電路AT89C51調光控制輸出電路時鐘電路復位電路圖2.1 系統(tǒng)框圖2.3 常見的光電探測器件常見的光電探測器件主要有以下幾種：2.3.1光電池光電池的基本結構就是一個PN結。按材料分，有硅、硒、硫化福、砷化稼和無定型材料的光電池等。按結構分，有同質結和異質結光電池等。光電池中最典型的是同質結硅光電池，國產同質結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或

18、下電極。為了減少反射光。增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si4N3，SiO2-MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的保護作用。光電池在光照下能夠產生光生電勢，光電流實際流動方向為，從P端流出，經(jīng)過外電路，流入N端，光生電勢與照度是對數(shù)關系。當光電池短路時，短路電流Isc。與照度E成線性關系，S=Isc/E稱為靈敏度。在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.45-0.6V，最大不超過0.756V，因為它不能大于PN結熱平衡時的接觸電勢差。硅單晶光電池短路電流Isc

19、為35-40mA/cm。142.3.2光電二極管光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、飾化鉛光電二極管等許多種。按結構分，也有同質結與異質結之分。其中最典型的還是同質結硅光電二極管。國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列，以P-Si為襯底。2CU系列光電二極管只有兩個引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)

20、極。2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2是電介質，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使P-Si表面產生一個感應電子層。這個電子層與N-Si的導電類型相同，可以使P-Si表面與N-Si連通起來。當管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結的反向漏電子流外，還有通過表面感應電子層產生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設置一個N-Si的環(huán)把受光面(N-Si)包圍起來，并從N-Si環(huán)上引出一條引線，SiO2使它接到比前極電位更高的電位上

21、，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負載即可達到電源的通路。這樣，即可達到減小流過負載的暗電流、減小噪聲的目的。如果使用時環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。2CU管子，因為是以N-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應不會使N-Si表面產生一個和P-Si導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負載相接。另一種是加反向電壓，如上圖所示。實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向導電性，而表現(xiàn)不出它的光電效應。由于多數(shù)場合光電二極管都是加反

22、向電壓，所以其伏安特性曲線常畫成如圖2.2所示的形式。圖2.2 伏安特性曲線上圖的畫法與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中、象限里的圖線對于縱軸反轉了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負電壓，這樣處理對于以后的電路設計很方便。二是因為開路電壓Uoc一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計，所以實用曲線常畫為上圖(b)的形式。在一定的照度下，光電二極管的伏安特性曲線幾乎是平直的，可把它看成是恒流源。152.3.3 PIN管PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層(相對)很厚的本征半導體。這樣，PN

23、結的內電場就基本上全集中于層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。另一個特點是，因為層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。2.3.4 雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100-200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強

24、電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的自持雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。2.3.5 光電晶體管光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和

25、基極引出線。制作材料一般為半導體硅，管型為NPN型，國產器件稱為3DU系列。正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置，集電結為光電結。當光照到集電結上時，集電結即產生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產生了一個被放大的電流。光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系，多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。2.3.6 陣列式或象限式結型光電器件利用集成電路技術使兩個至幾百個光電二極管

26、或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號處理。就目前的應用看，兩個并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點移動的方向。2-4個并列的光敏元，可用來收集光點移動的相位信息。幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點在二維平面上的位置坐標。多用于準直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。光電位置探測器(PSD，Posi

27、tion SensitiveDeteetors)是利用離子注入技術制成的一種可確定光的能量中心位置的結型光電器件，有一維的和二維的兩種。當入射光是一個小光斑，照射到光敏面時，其輸出則與光的能量中心位置有關。這種器件和象限光電器件比較，其特點是，它對光斑的形狀無嚴格要求，光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可連續(xù)測量。2.3.7 光電開關與光電耦合器光電開關和光電藕合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調制板。光電禍合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個不透風的管殼內。發(fā)光端與受光端彼此獨立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011以上。光電開關多

28、用于光電計數(shù)、報警、安全保護、無接觸開關，及各種光電控制等方面。光電禍合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉換、長線傳輸、過流保護，及高壓控制等方面。2.4 半導體光探測器的特征參數(shù)表征半導體光電探測器性能的參數(shù)主要有：1、響應度：響應度的定義是信號量除以它接收的輻射度量，記作R，不同的響應度用下標來表示。如：對輻通量的電流響應度R=I/對輻照度的電流響應度RE=I/E探測器的響應度描述光信號轉換成電信號大小的能力。測量不同的輻射度量，應當用不同的響應度。2、噪聲：探測器的噪聲源通常有以下幾種：(l)散粒噪聲：它是由光子流以間斷入射的形式投射到探測器表面以及探測器內部這些

29、光子轉換成電子動能而產生的電子流具有統(tǒng)計漲落的特性所造成的。(2)產生一復合噪聲：光電導型探測器的產生-復合噪聲是由于半導體內的載流子在產生和復合過程中其導帶上的電子和空穴數(shù)隨機起伏所形成的。(3)熱噪聲:它是電阻材料中離散的載流子的熱運動所造成的。3、響應速度當階躍光入射到探測器時，一般探測器的輸出信號不能完全隨輸入光變化。同樣，在光照突然停止時也是這樣。故用響應時間來描述器件的響應速度。相應光入射和停止的狀態(tài)，有上升響應時間和下降響應時間。4、量子效率量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)。它是在某一特定波長上每秒鐘內產生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。5、線性度線性度是描述探測器的光電特

30、性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關系的程度。即在規(guī)定的范圍內，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。在這規(guī)定的范圍內探測器的響應度是常數(shù)。這一規(guī)定的范圍稱為線性區(qū)。光電探測器線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關系。因此要獲得所要的線性區(qū)，必需設計有相應的電子線路。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應或過載決定。光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調制及調制頻率等條件的變化而變化。線性度是輻射功率的復雜函數(shù)，指器件中的實際響應曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差d來度量。在光電檢測技術中，線性是應認真考慮的問題之一，應結合具體情況進行選擇和控制。6、工

31、作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度，它是光電探測器的重要性能參數(shù)之一。光電探測器工作溫度不同時，性能有變化，例如象HgCdTe探測器一類的器件在低溫(77K)工作時，有較高的信噪比，而鍺摻銅光電導器件在4K左右時，能有較高的信噪比，但如果工作溫度升高，它們的性能逐漸變差，以致無法使用。本章對半導體光探測器件的原理與特性進行了分析，以利綜合考慮人眼視覺曲線和常見車燈光譜范圍選擇合適的光敏器件。綜合考慮后，本設計采用光電池作為遠光傳感器，它的光譜響應特性曲線與人眼光譜光視效率曲線接近，對可見光頻率的光譜響應度好，同時光電池感光面積大，適合用于對低照度的測量。第三章 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)3.

32、1主控電路設計硬件設計中最核心的器件是單片機80C51，它一方面接受傳感器傳來的信號，另一方面，將接收到的信號經(jīng)過處理后送給輸出端，從而達到自動控制的目的。3.1.1 80C51系列80C51系列單片機產品繁多，主流地位已經(jīng)形成。多年來的應用實踐已經(jīng)證明，80C51的系統(tǒng)結構合理，技術成熟，許多單片機芯片傾力于提高80C51系列產品的綜合功能，從而形成了80C51的主流產品的地位，近年來推出的與80C51兼容的主要產品有：ATMEL公司融入Flash存儲器技術推出的AT89系列單片機；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能單片機；華邦公司提出的W78C51、W77C51系列

33、高速低價單片機；ADI公司推出的AdC8系列高精度ADC單片機；LG公司推出的GMS90/97系列低壓高速單片機；Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)單片機；Cygnal公司推出的C8051F系列高速單片機。由此可見，80C51已經(jīng)成為事實上的單片機主流系列，所以，本次設計選擇80C51單片機。16-173.1.2 80C51的基本結構時鐘電路總線控制時鐘電路總線控制CPUROM/EPROM/FLASH4K 字節(jié)RAM 128字節(jié)SFR 21個定時/計數(shù)器2個中斷系統(tǒng)5中斷源、2優(yōu)先級串行口全雙工 2個并行口4個RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VC

34、CVSS由圖3.1可見，80C51單片機主要由以下部分組成：180C51的微處理器（CPU）（1）運算器：累加器ACC ；寄存器B ；程序狀態(tài)字寄存器PSW 。（2）控制器：程序計數(shù)器PC ；指令寄存器IR ；定時與控制邏輯280C51的片內存儲器 在物理上設計成程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩個獨立的空間： （1） 內部ROM容量4K字節(jié)， 范圍是：000H-0FFFH （2） 內部RAM容量128字節(jié)， 范圍是：00H-7FH380C51的I/O口及功能單元（1）四個8位的并行口，即P0-P3。它們均為雙向口，既可作為輸入，又可作為輸出。每個口各有8條I/O線。 （2）有一個全雙工的串行口（利用P

35、3口的兩個引腳P3.0和P3.1）；（3）有2個16位的定時/計數(shù)器 ；（4）有1套完善的中斷系統(tǒng)。 480C51的特殊功能寄存器（SFR）內部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL兩個8位寄存器），PCON，IE，IP等21個特殊功能寄存器單元，它們同內部RAM的128個字節(jié)統(tǒng)一編址，地址范圍是80H-FFH。3.1.3 80C51單片機的的封裝和引腳80C51系列單片機采用雙列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封裝。這里僅介紹常用的總線型DIP40封裝。如圖3.2所示。40個引腳按引腳功能大致可分為4個種類：電源

36、、時鐘、控制和I/O引腳。圖3.2 80C51的引腳和封裝(1) 電源: VCC - 芯片電源，接+5V； VSS - 接地端；(2) 時鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 (3) 控制線:控制線共有4根，ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 PSEN:外ROM讀選通信號。 RST/VPD:復位/備用電源。RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。EA/Vpp:內外ROM選擇/

37、片內EPROM編程電源。 EA功能：內外ROM選擇端。 Vpp功能：片內EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。(4) I/O線80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。3.1.4 80C51單片機的時鐘8051單片機的時鐘電路通常有兩種形式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。把一個由晶體振蕩器和兩個電容器組成的自激振蕩電路接于XTAL1和XTAL2之間，把振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路。時鐘電路產生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，成為單片機的時鐘脈沖信號。如圖3.3

38、。圖中，電容器Cl，C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF，本次試驗采用了18pF。晶振頻率的典型值為12MHz，采用6MHz的情況比較多。本次實驗采用了6MHz。圖3.3 時鐘電路3.1.5 80C51單片機的復位在整個遠近燈自動變換系統(tǒng)中，要進行實驗，必須對整個系統(tǒng)先復位。復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位。其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現(xiàn)。RESET作復位信號復用腳，當8051通電，時

39、鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。本次8051的復位方式是手動復位（按鍵后電容充電，RESET為高，松開后，電容放電，直到RESET為低），見圖3.4圖3.4 復位電路復位狀態(tài)：初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0R7）的狀態(tài)，復位后80C51片內各特殊功能寄存器的狀態(tài)如表3.1所示，表中“x”為不定數(shù)。寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000H

40、BSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL000HP0P3FFHSCON00HIPxx000000BSBUFxxxxxxxxBIE0 x000000BPCON0 xxx0000B表3.1 復位狀態(tài)復位后，P0P3口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將07H寫入堆棧指針SP，同時將PC和其余專用寄存器清0。此時，單片機從起始地址0000H開始重新執(zhí)行程序。所以，單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可使其復位后重新運行。183.1.6 I/O引腳 80C51共有4個8位并行I/O端口,共32個引腳P0口8位雙向I/O口。在不并行擴展外存儲器(包括并行擴展I/O口)時,

41、P0口可用作雙向I/O口。在并行擴展外存儲器(包括并行擴展I/O口)時, P0口可用于分時傳送低8位地址(地址總線)和8位數(shù)據(jù)信號(數(shù)據(jù)總線)。位結構如圖3.5所示。P0口能驅動8個LSTTL門。19-20圖3.5 P0口(2) P1口8位準雙向I/O口(“準雙向”是指該口內部有固定的上拉電阻)。位結構如圖3.6所示。 P1口能驅動為4個LSTTL門。由圖可見，P1口由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅動電路組成。輸出驅動電路與P2口相同，內部設有上拉電阻。 P1口是通用的準雙向I/O口。輸出高電平時，能向外提供拉電流負載，不必再接上拉電阻。當口用作輸入時，須向口鎖存器寫入1。圖3.6

42、 P1口（3）P2口8位準雙向I/O口。在不并行擴展外存儲器(包括并行擴展I/O口)時, P2口可用作雙向I/O口。在并行擴展外存儲器(包括并行擴展I/O口)時, P2口可用于傳送高8位地址(屬地址總線) 。P2口能驅動4個LSTTL門。P2口的位結構如圖3.7所示，引腳上拉電阻同P1口。在結構上，P2口比P1口多一個輸出控制部分。圖3.7 P2口(4) P3口8位準雙向I/O口?？勺饕话鉏/O口用,同時P3口每一引腳還具有第二功能,用于特殊信號輸入輸出和控制信號(屬控制總線)。P3口驅動能力為4個LSTTL門。結構如圖3.8所示。圖3.8 P3口3.2外圍接口電路設計3.2.1 光檢測輸入電

43、路在夜晚，當兩車相遇時，遠光燈的照度是比較低的，當偏離主軸位置后因照射角度的變化，照度還會下降，探測環(huán)境光線較弱，所以遠光傳感器的選取著重的是其在微弱光線下的靈敏度和線性度，加之各種車燈的發(fā)射光譜均處于可見光范圍，故本設計采用光電池作為遠光傳感器，它的光譜響應特性曲線與人眼光譜光視效率曲線接近，對可見光頻率的光譜響應度好，同時光電池感光面積大，適合用于對低照度的測量。弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉換成電信號，再經(jīng)前置放大電路放大后，由A/D轉換電路將模擬信號轉換成數(shù)字信號進行分析處理。弱光檢測技術廣泛應用于現(xiàn)代通信、醫(yī)療和科研等領域。弱光檢測電路一個重要性能指標是對噪聲的濾除能力，但在

44、弱光檢測時，光信號與噪聲幾乎處于同一數(shù)量級，信號很容易淹沒在噪聲中，不利于后續(xù)電路處理。傳統(tǒng)方法是采用電路級聯(lián)來濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設計復雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對數(shù)放大電路的發(fā)展，其寬動態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特點，光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善，對數(shù)電路具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮性能，可將很寬的輸入動態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內。因此，這里提出一種以LOGl00作為前置放大的弱光檢測電路設計方案。 對數(shù)放大器 LOG100是什么？它是一種對數(shù)放大器，所謂的對數(shù)放大器，通常人們把它看作是一種放大器，反而淡化了其非線性的特性，把它們看作特殊類型的放大器更是不對。

45、盡管這些電路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它對小信號呈現(xiàn)出高增益等等，但它們真正的用途是實現(xiàn)精確的對數(shù)變換，嚴格地說，這些電路應該叫做“對數(shù)變換器”。但多年來人們已經(jīng)習慣了“對數(shù)放大器”的叫法。 LOG100對數(shù)放大器LOG100是美國BURR-BROWN公司生產的精密對數(shù)放大器,它可對兩個電流或電壓之比進行對數(shù)運算,也可對單個電流或電壓進行對數(shù)運算。該放大器輸入電流動態(tài)范圍寬,可在1nA和1mA之間變化。LOG100采用了先進的集成電路技術,其輸入電流或兩個輸入電流之比在100dB(105)范圍內變化時,都能保證總的輸出誤差在滿度輸出電壓的0.37%以下,偏離理想對數(shù)關系不超過0

46、.1%。由于該芯片將放大器、對數(shù)晶體管和低漂移薄膜電阻都集成在一起,因此使用時無須外部元件就可以改變增益,給用戶帶來極大方便。內部電阻經(jīng)激光調整,用戶無需調整就可達到參數(shù)規(guī)定的運算精度。LOG100還可使用戶方便地改變增益,或對失調電壓和偏置電流進行補償,以獲得更好的性能。LOG的優(yōu)良性能使它具有廣泛的應用,除了進行對數(shù)和反對數(shù)運算外,還可進行數(shù)據(jù)的壓縮和解壓,在光學應用中,可進行光密度測量,也可測定物質對光波的吸收系數(shù)。LOG100的電源電壓為15V,環(huán)境工作溫度范圍為0-70。圖3.9 簡化的對數(shù)放大器現(xiàn)以圖3.9簡化的對數(shù)放大器來說明它的工作原理。雙極型三極管的基-射電壓為:VBE=VT

47、ln(IC/IS)。式中,VT=kT/q, k=1.3810-23焦耳/度(波爾茲曼常數(shù)), q為電子電荷量。T為絕對溫度(開爾文),IC為集電極電流, IS為反向飽和電流。從圖3.9電路可以得到VOUT=VBE1-VBE2=VT1ln(I1/IS1)-VT2ln(I2/IS2)如果兩只晶體管性能一致、溫度相同,則:VOUT=VTln(I1/IS)-ln(I2/IS)=VTln(I1/I2)VOUT=VOUT(R1+R2)/R1=(R1+R2)/R1VTln(I1/I2)由于lnX=2.3logX,所以, VOUT=Klog(I1/I2)這里,K=2.3VT(R1+R2)/R1。因為VT隨溫度

48、上升而增加,所以R1用一個正溫系數(shù)的熱敏電阻進行溫度補償。這里我們有必要對對數(shù)放大器的相關指標做進一步的說明，因為他們與工程實踐密切相關。也是在使用對數(shù)放大器中必須考慮的問題。(1)噪聲所有信號處理系統(tǒng)都受到隨機噪聲的限制，這便對最小信號設置了可被檢測或識別的門限。隨機噪聲和信號輸入端的帶寬密切相關，隨機噪聲常用“噪聲頻譜密度（SND）”來定義，總的噪聲功率與系統(tǒng)的噪聲帶寬 BN（用 Hz 來表示）成正比。在線性系統(tǒng)中，輸出噪聲功率N與系統(tǒng)的帶寬有關，這里的帶寬通常是指 3dB帶寬，對于理想低通系統(tǒng) 而言，3dB帶寬就是系統(tǒng)的等效噪聲帶寬。而在非線性系統(tǒng)中例如對數(shù)放大器，情況就不同了，即使輸入

49、端很小的噪聲都會引起放大器末級的過載現(xiàn)象。因此對數(shù)放大器的主 要缺點是會降低大信 號的信噪比。所以對數(shù)放大器的前級一般的噪聲頻譜密度（NSD）設計的非常低。例如 AD8307 的前級放大器 SND為 1.5nV/。(2)交調失真兩個單一頻率的交調失真指標在射頻應用中特別重要。它是表征放大器的交調失真（IMD）的質量因數(shù)。諧波失真是由幅度傳遞函數(shù)特性中的非線性所致。交調失真由兩個或更多不同頻率的信號混頻而成。當輸入信號只含一種頻率時，放大器的輸出僅產生諧波失真，若輸入信號含兩中頻率，則輸出產生諧波失真和交調失真。此時，輸出包含了放大器的直流偏移、有用信號、二次諧波、二階交調失真、三次諧波、三階交

50、調失真等等。大多數(shù)的交調失真可以被濾掉（包括二階交調失真），但輸入信號的兩個頻率靠的很近時，三階交調失真將和兩個基頻相近而不容易被濾掉。通常三階交調失真與窄帶應用有關，而二階交調失真與寬帶應用有關。如果放大器的非線性可以用冪級數(shù)展開的話，那么輸入信號每增加1dB，二階交調失真會增加2dB，三階交調失真會增加3dB。輸入信號超過一定值后，放大器開始飽和，同時IMD分量明顯增加，理想輸出功率和二階交調，三階交調失真功率會會在某一點相交。這些交點在縱軸上的投影既對應的輸出功率通常為 放大器輸出功率提供基準。交點功率越大，使IMD增大的電平就越大。所以給定的信號電平下IMD就越低。另一個值得關注的參數(shù)

51、是1dB壓縮點(1dB compression point),從這點開始，輸出信號已開始受到限制，并相對理想的輸入輸出曲線衰減1dB。(3)動態(tài)范圍 系統(tǒng)的動態(tài)范圍的下端在能夠保證測量精度的范圍內受噪聲的限制，而信號范圍的上端受放大器非線性方面的影響。因此，在實際應用中規(guī)定系統(tǒng)動態(tài)范圍的一種方法是確定信號的大小使其總諧波失真（THD）在某種可接受的程度，比如1%。或規(guī)定使系統(tǒng)的輸出功率相對理想輸出功率下降1dB的信號電平（1dB壓縮點）。顯然，測定系統(tǒng)動態(tài)范圍依賴于信號的性質和采用的處理方法，沒有單一的標準可用來精確測定所有系統(tǒng)的動態(tài)范圍。事實上，信號處理系統(tǒng)設計的中心問題是對每一部分進行優(yōu)化

52、，使其能恢復出最大可能的信息。 (4)對數(shù)一致性誤差在消除了參考電流誤差和失調分量后，對數(shù)放大器輸出端呈現(xiàn)的實際電壓值與傳輸特性方程所算出的理想值的差值稱為對數(shù)一致性誤差。它與器件的動態(tài)范圍、頻率特性和溫度密切相關。一個成熟產品的對數(shù)放大器制造出來后其對數(shù)一致性誤差也就響應的定了下來。因此，定義在一個可接受的誤差范圍內（比如3dB），相應的對數(shù)放大器的動態(tài)范圍也就確定。 以上就是對對數(shù)放大器的介紹，要想通過單片機來實現(xiàn)其功能，必須要進行對采集到的信號的矩形脈沖的轉換，在這用到了施密特觸發(fā)器。下面介紹一下什么是施密特觸發(fā)器。21 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器(Schmitt Trigger)是脈沖波

53、形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它在性能上有兩個重要特點：第一，輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同。第二，在電路狀態(tài)轉換時，通過電路內部的正反饋工程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。22圖3.10 施密特觸發(fā)器的電路符號和電壓傳輸特性上圖就是施密特觸發(fā)器的電路符號和電壓傳輸特性。圖3.11為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電池的靈敏度，P為

54、入射光功率。在檢測弱光信號時，RF為提高增益，RF的取值應選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和(1+RF/RS)VB，RS為光電池內阻?？梢钥闯觯瑴p小RF可以減少以上影響，但同時會減小電路的增益。解決這個問題需選擇偏置電流和失調電壓均很低的運算放大器。這里選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0.8 pA，輸入失調電壓約100V。經(jīng)過計算，RF的值取在幾百M范圍內時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。圖3.11光電檢測電路由于光電轉換電路的輸出信號通常在mV數(shù)量級，且信號常常淹沒在噪聲中，因此前置放大部分需有較強的濾噪和放

55、大能力。選用精密對數(shù)放大電路LOGl00與外圍元件構成前置放大電路。圖3.11虛線框內所示電路為LOGl00的簡化內部電路，其動態(tài)輸人范圍1 nA1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低于037，與精確對數(shù)關系最大偏離小于O1。同時，內部還集成有激光校準電阻，使得該對數(shù)放大器在環(huán)境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOGl00有4個選擇端，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益。 上圖的VOUT作為輸入信號接到施密特觸發(fā)器上后再接到單片機的P1.1端口，這樣就構成了一完整的光檢測輸入電路?？傊?，光檢測輸入電路由光電池傳感器、放大電路和帶施密特觸發(fā)的反向器組成。光電池傳感器用于捕捉來自于對面車輛的燈光

56、或對面車輛反射鏡的反射光，并將其轉換為電信號，經(jīng)放大電路放大和帶施密特觸發(fā)的反向器調整后作為狀態(tài)信號由P11送給單片機。3.2.2調光控制輸出電路 提到輸出電路，最終要控制遠近燈的切換。而單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅動”。繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環(huán)節(jié)。在這里，繼電器驅動含有兩個意思：一是對繼電器進行驅動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有就是繼電器去驅動其他負載，比如繼電器可以驅動中間繼電器，可以直

57、接驅動接觸器，所以，繼電器驅動就是單片機與其他大功率負載接口。單片機如何驅動12V的繼電器？直接用單片機的端口加一支三級管是不能驅動繼電器的。如下圖的圖3.12中的圖（a）所示的電路，乍一看似乎能夠工作，但存在兩個問題：一是剛開機是80C51的I/O為高電平，可能出現(xiàn)繼電器不期望的開啟；二是驅動繼電器需要80C51的I/O輸出高電平，而80C51的I/O輸出高電平時的驅動能力很弱，繼電器工作不能可靠地開啟或關閉。圖（b）所示的電路則根本不能工作，不論80C51的I/O輸出高電平（5V）或低電平，三級管T都將導通，而且極有可能損壞80C51的I/O口。圖（c）所示的電路則可以較正常地工作，但要注

58、意12V電源和地的走線要與單片機的5V電源和地分開，否則，單片機極易受繼電器的影響而不能可靠地工作。圖（d）所示的電路采用了光電耦合器來驅動和隔離繼電器，因而是具有實際應用價值的電路，工作比較可靠。如果光電耦合器提供的電流不夠時，可以增加一支NPN的三級管與之構成復合管。圖中的二極管D是起續(xù)流作用，可以防止在切斷繼電器線圈中的電流時出現(xiàn)的很高的反壓，保護驅動三級管或其他驅動繼電器的器件。圖3.12單片機I/O口驅動繼電器 關于繼電器的正確使用(1)繼電器額定工作電壓的選擇 繼電器額定工作電壓是繼電器最主要的一項技術參數(shù)。在使用繼電器時，應該首先考慮所在電路(即繼電器線圈所在的電路)的工作電壓，

59、繼電器的額定工作電壓應等于所在電路的工作電壓。一般所在電路的工作電壓是繼電器額定工作電壓的0.86倍。注意所在電路的工件電壓千萬不能超過繼電器額定工作電壓，否則繼電器線圈容易燒毀。另外，有些集成電路，例如NE555電路是可以直接驅動繼電器工作的，而有些集成電路，例如COMS電路輸出電流小，需要加一級晶體管放大電路方可驅動繼電器，這就應考慮晶體管輸出電流應大于繼電器的額定工作電流。 (2)觸點負載的選擇 觸點負載是指觸點的承受能力。繼電器的觸點在轉換時可承受一定的電壓和電流。所以在使用繼電器時，應考慮加在觸點上的電壓和通過觸點的電流不能超過該繼電器的觸點負載能力。例如，有一繼電器的觸點負載為28

60、V(DC)10A，表明該繼電器觸點只能工作在直流電壓為28V的電路上，觸點電流為10A，超過28V或10A，會影響繼電器正常使用，甚至燒毀觸點。 (3)繼電器線圈電源的選擇 這是指繼電器線圈使用的是直流電(DC)還是交流電(AC)。通常，一般在進行電子制作活動時，都是采用電子線路，而電子線路往往采用直流電源供電，所以必須是采用線圈是直流電壓的繼電器。 圖3.13 調光控制輸出電路最終的驅動選擇了光電耦合驅動，其在電路中的結構基本如上圖3.13所示。其中的02接到了單片機的P1.2端口。綜合下來得到整體電路，電路圖見附錄1。第四章 軟件流程及實物展示4.1 軟件流程整體設計的軟件流程圖為：光檢測