安徽师范大学物理与电子信息学院　朱　骞　李改有



一种智能的汽车前照灯系统

安徽师范大学物理与电子信息学院朱骞李改有

LED（发光二级管，Light-Emitting Diodes）前照灯是新能源汽车中的重要元件，关系到汽车的行驶安全。本文针对传统前照灯的照明盲点，研究了一种智能的LED汽车前照灯系统。STM32单片机接收环境光采集模块传送来的信号，将方向盘转角、车速、雨水、车身倾斜角等信号，通过CAN总线传回STM32单片机，单片机对接收到的信号进行处理，对当时的车外环境以及车本身的情况进行判断，再由单片机把执行信号经CAN总线传给各个执行单元，来达到对车灯的亮度和角度的改变。本文重点研究前照灯的硬件电路部分和软件部分。

LED前照灯；CAN总线；STM32单片机；硬件电路；软件

0　引言

随着智能、节能汽车的发展，以及道路行驶安全性的经深入人心，对汽车前照灯的智能化要求也越来越高［1-2］。经过这么多年的的发展，汽车前照灯系统有了很大的进步。前照灯主要是由远光灯和近光灯构成，对于近光灯的设计更为重要，近光灯的照射距离一般为30-40m，在车遇上路面不平或转弯或桥梁或窄路或交叉路口等复杂情况时应减速慢行，这时候就应该开启近光灯，普通近光灯对于道路情况和外界环境没有采集信息和判断，所以近光灯的照射范围会出现盲区，容易导致一些意外的事件发生，也无法保证安全制动距离，降低了汽车的安全性能［3-6］。

1　系统整体设计

本文设计的汽车前照灯系统包括STM32单片机控制模块、CAN总线通讯模块、LED驱动模块、外部环境光采集模块和步进电机驱动电路五个模块组成。

图1 整体系统方框图

图1所示是整体系统方框图，如图所示，上位机通过控制MCU单片机采集传感器的信息，经过CAN总线模块将传感器的信息传递到MCU，再由MCU进行分析，控制步进电机调节前照灯的角度，使之达到最优的照明效果。

2　硬件电路设计

硬件电路主要包括MCU单片机的基本工作电路、CAN总线模块、步进电机驱动电路、LED驱动电路四个部分。

图2所示是系统主要硬件原理图，如图所示，本系统MCU主控芯片采用的是STM32F103ZET6芯片［7］，具有16路PWM输出，且含有多路AD检测接口，精度和数量都能够满足对多个步进电机进行控制以及对多个传感器的检测。

驱动IC电路产生脉冲信号驱动步进电机，本文选用安森美公司AMIS-30522作为步进电机驱动IC，分别用来驱动水平调整电机以及俯仰角度调整电机。

LED驱动电路的驱动芯片选取凌特公司生产的LT3474。它是一种降压型LED驱动器，适合驱动大电流LED，并且对PWM调光的响应非常快。本设计用一个LT3474驱动一组LED。

图2　系统主要硬件原理图

CAN总线模块采用芯片TJA1050作为总线接口，这款芯片是Philips半导体公司的产品，是CAN控制器和物理总线之间的接口。它主要应用在车载高速通信上，速度可达1Mbit/s。在引脚和功能上，TJA1050是PCA82C250/251高速CAN收发器的后继产品。并且它们的引脚相互兼容。TJA1050有非常好的电磁兼容（EMC）性能，且在不上电状态下有理想的无源性能，提供低功耗管理、支持远程唤醒。

3　传感器拓扑结构及原理

图3所示是传感器的连接拓扑图，如图所示，传感器主要包括红外测距传感器、环境光采集传感器、左右轮速度传感器、方向盘转向传感器、车身高度传感器等。

红外测距传感器主要适用于测出车前端与障碍物的距离，利用这个数据来切换近光灯和远光灯，达到自动切换功能，减少人为的操作的失误。环境光采集传感器主要是采集周围环境的光照强度，把采集的数据传到MCU进行分析，并控制LED驱动来改变灯光的强弱。左右轮速度传感器、方向盘转向传感器、车身高度传感器这三个传感器主要是根据传感器采集的数据来判断车子在转弯时的转向和车身的位置，进而调节前照灯的方向。

部分传感器通过CAN总线将数据传到MCU，能够快速的获得数据信息并及时处理，提高了效率。

图3　传感器连接拓扑图

4　步进电机的控制

图4是电机驱动原理框图，如图所示，车灯是由步进电机驱动的。在垂直于车灯水平照射方向的平面上，是水平和垂直移动方式，能够更好的满足车灯所需的角度，并且灯光的利用率更高。

步进电机的工作原理：传感器采集的汽车位置和转向，通过MCU的分析，调节车灯的角度，若车灯的角度只有水平方向或垂直方向上能够调节，则会限制车灯的转动角度，有些地方就会出现盲区，采用水平和垂直方向驱动的结合，减小盲区，提高前照灯的有效照射范围。

图4　电机驱动原理框图

5　软件设计

图5是前照灯系统执行流程框图，如图所示，具体的执行原理如下：汽车在行驶时，打开前照灯，采集汽车本身及其周围环境信息，首先对汽车前方障碍物进行判断，若前方40m以内有障碍物，则只需打开近光灯，若前方40m以内无障碍物，则打开远光灯；下一步是对采集的环境光照度与设定的光照度等级进行对比，确定车灯所需的最低光照度，通过LED功率驱动来调节车灯的亮度；下一步是通过分析汽车的高度、速度和转向来判断路况和转向信息，进行计算，得出步进电机的旋转角度，准确地将车灯调到对应的角度，使车灯的角度适合当时的路况，减小行驶时的道路盲区，避免交通事故的发生。

图5　前照灯系统执行流程框图

6　结束语

本文提出了一种智能的汽车前照灯系统设计方案，能够满足不同道路环境下的照明要求，减少了汽车行驶中的道路盲区，经过多次的测试和实验发现，对灯光的利用率有很大的提高。但是由于很多工作在实验室中完成，没有进行整体性的实验，所以无法获得一些比较准确和真实的数据，因此需要在真实环境下，将整个系统安装在汽内进行测试，来进一步的完善该系统。

［1］卜伟理.自适应前照明系统（AFS）简介及发展趋势［J］.光源与照明，2009（2）:22-24.

［2］束华明，高明煜，王园园.基于单片机控制的汽车前照灯自适应系统［J］.电子测量与仪器学报，2008（S2）:318-320.

［3］吴仍茂，屠大维，黄志华等.一种LED汽车前照近光灯配光设计方案［J］.光子学报，2009，38（11）:2904-2908.

［4］黄仁忠.汽车自适应照明系统开发［D］.大连理工大学，2009:25-38.

［5］肖红，王洪配.基于单片机控制的汽车自适应前照灯系统［J］.制造业自动化，2011，8（上）:125-129.

［6］卫修明，张晓玲.随动转向汽车前大灯定位控制研究［J］.安徽工程科技学院学报，2009，24（4）:23-27.

［7］意法半导体（中国）投资有限公司.STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器参考手册［S］.V10_1，2010.

朱骞，男，安徽阜阳人，硕士研究生，讲师，主要从事LED光学设计与汽车前照灯研究。

The system of intelligent vehicle front lamps

ZHU Qian，LI Gaiyou
（Department of physics，Anhui Normal University，Wuhu 241000，Anhui，China）

LED（Light-Emitting Diodes）lighting is an important component in the new energy vehicles，which is related to the driving safety of the automobile.Aiming at the Lighting blindness of the traditional headlight，this paper studies the Intelligent LED automobile headlight system.STM32 MCU receiving environment light acquisition module is transmitted to the signal，the steering wheel angle and vehicle speed，rain，body tilt angle signal，through the CAN bus returned STM32 microcontroller，microcontroller on the received signal processing，to judge when the environment outside the car and the car itself，and then by the MCU to perform signal via the CAN bus transmission to each execution unit，to reach the lamp brightness and angle change.This paper focuses on the hardware circuit and software of the headlight.

LED headlight；CAN bus；STM32 microcontroller；hardware；software

2014年度安徽师范大学校创新基金项目。