基于PIC18F4520单片机的自控聚光型LED雾灯的研究

作者/张爱荣、张泽礼，滨州职业学院

基于PIC18F4520单片机的自控聚光型LED雾灯的研究

作者/张爱荣、张泽礼，滨州职业学院

本文详细阐述了汽车雾灯设计中如何克服可视距离短容易导致交通事故弊端，采用穿透力强色光，利用雾气浓度和透光度检测装置，结合侧边检测设计，给出基于PIC18F4520单片机的自控聚光型LED雾灯完整设计，并经实验验证。

单片机；自控聚光型；雾气浓度检测；透光度检测

引言

浓雾天气导致可视距离在200米以内，严重雾霾天气可视距离小于20米。浓雾天气导致的汽车追尾事故是因为后面车辆不能及时发现前面车辆，来不及制动造成的。后置雾灯采用黄光，现在雾天驾驶员一般采用开双闪的方法，但是由于这些灯光是散射式而且发光强度低，因此效果较差。

当早晨太阳从东方升起或者日落西山的时候，常常看到一个比正常大许多倍的红色的大太阳，原因是波长长的红色光衍射能力强，被雾霾气吸收较少。另一方面雾气与空气的折射率不同，形成类似凸透镜的作用，使得我们看到了放大的红色的太阳。这也就告诉我们，红色光比黄色光有更强的穿透能力，过去使用黄色光做雾灯是出于与刹车灯区别，同时也因为过去的雾灯是白炽灯经过黄色过滤膜产生的黄光，这样雾灯的光效很低，因此效果较差。

由此设计聚光型LED自控雾灯由主控计算机、温度检测、位置检测、聚光型LED阵列、DCM、显示单元等几个部分组成。

图1 聚光型LED自控雾灯的构成图

1.聚光型LED阵列

汽车后置雾灯应该有较大水平散射角，但是竖直方向散射角可以小些，如果采用聚光型LED构成雾灯，竖直方向采用竖直排列的多只LED可以满足要求，水平方向采用转动扫描的方法，一方面增大了可视范围，另一方面避免了后面车辆驾驶员的炫目感觉，并且有利于节约能耗。

LED的散射角有：5°、10°、30°、45°四种，常用散射角5°聚光型LED体积较大直径10mm，额定功率500mW。为了获得较高亮度和可视面积，将多只聚光型LED排成矩形阵列，采用串并联结合的连接方法，以提高效率，减小驱动电流。

实测红光高亮度聚光型LED在150mA电流时导通压降2.25V左右，5只串联后采用14V电压供电比较合适。采用3×10矩阵，耗电功率6×150×2.25×5=10.125W。

2.聚光型LED阵列的控制

由于聚光型LED雾灯在正常天气情况开启会影响后面车辆的行车安全，不能仅依靠汽车自身雾灯开关控制，需要有自动开启的装置。另一方面，雾气的可视距离不同，LED激光镭射灯的亮度也要自动调节。

实现上述功能需要测控装置，需要雾气浓度的检测，通过安装在车尾的湿度传感器，可以实现雾气浓度的检测，湿度传感器输出是模拟电信号，要求主控微处理器最好内部集成ADC模块，如果采用51单片机则需要外挂扩展ADC集成电路，会导致电路复杂 ，增加成本。

开启雾灯不仅仅是雾天，下暴雨或者重度雾霾环境，也需要开启雾灯，这时仅仅依靠湿度检测是不够的。为此需要增加透光度检测装置，这需要发光单元与光敏单元的配合，光敏单元输出的电信号也是模拟电信号，也需要进行AD转换。

LED镭射雾灯的亮度控制，由于LED镭射雾灯是由上下排列的矩阵单元构成，连接是串并联组合方式，其工作电流较大，采用PWM调节，只要调制频率在200Hz以上，就不会产生闪烁的感觉，这样使得驱动电路工作开关状态，效率高发热少，可靠性高。

由于需要PWM输出来达到调节亮度的目的，因此主控单片机内集CCP模块。

聚光型LED阵列的偏转扫描采用由磁感应霍尔三极管和磁钢构成无接触位置检测和无刷直流电机构成。这种全无触点方式，有利于提高可靠性，延长其使用寿命。

3.单片机的选择

要求内集ADC模块和CCP模块的单片机很多，例如AVRmage16单片机，MSP430单片机，STM8单片机，国产的STC15系列单片机等等，实际上8位单片机最可以满足要求。考虑可靠性和经济性的要求，选择PIC18F4520单片机。其产品广泛的应用到汽车上和其它嵌入式系统中，可靠性很高，国内价格适中，器件资源丰富。

PIC18F4520单片机含有丰富的内部资源，具有32Kf l shROM、1536BSRAM、256BEEPROM，4个定时器，2个CCP模块（比较捕捉、PWM输出），1个增强型CCP模块，13通道10ADC模块，DIP40封装可以兼容取代过去常用的PIC16F877中档8位单片机。PIC18F4520与过去常用的PIC16 F877增强了不少功能，如提供了时钟速度，增加了内部两种RC时钟模式，运行中可以改变时钟频率（这样有利于降低功耗），增加了定时/计数器的数量，提高了TIM0的性能，增加RA6、RA7两个端口使得RA口成了完整的8位端口，节省了外部引脚做I/O使用。

图2 PIC18F4520单片机引脚图

4.湿度传感器

采用AM1001传感器 电阻式湿敏元件，测量范围 30～90%RH，测量精度 ≤5%RH，输出电压 0.9～2.7V，湿度与输出电压具有良好的线性关系，电源 5V DC，使用温度 0℃～60℃测温元件 热敏电阻。这样传感器直接使用单片机相同的5V电压供电即可。为了提供可靠性，单片机取多次采集数的平均值。雾天湿度在80%以上，浓雾天湿度高达95%以上，因策湿度测量值能够判断有雾滴造成的可视距离的影响，但是如果轻雾浓霾造成影响可视距离，则不能正确反映。此外在高温高湿的环境中，尽管空气湿度较大也不会有雾滴出现，因此仅靠湿度检测是不够的。

图3 AM1001湿度传感器

5.可见度检测

是否开启后置式聚光LED雾灯，主要依据后面车辆的可见度检测，同理本车驾驶员对前面可见度与后面驾驶员是基本相同的，因此可在车尾上安置光敏原件，直接测量其输出电压可以判断是否开启聚光型LED雾灯。

由于单从一侧检测可见度可能会受到阳光或者车灯的影响而导致误动作，因此需要在车的两侧均加装感光元件。当然可以采用带帽沿的方法遮挡阳光，但是在早晨和傍晚也会受到阳光照射的影响。

NH203T照度传感器探头，具有使用寿命长、测量精度高、稳定性好等特点。

6.总体电路设计

■6.1 PWM输出

TIM2的CCP模块可实现PWM输出功能，TIM2是8位定时器，没有计数功能。RB3为CCP2A，RC1为CCP2B。

由TMR2、PR2和8位比较器构成PWM周期控制部分，其中PR2的值确定PWM脉冲周期。PWM周期:TPWM=(PR2+1)×4×TOSC×N。其中N是定时器TMR2的预分频比。

由8位比较器和CCPR1寄存器构成宽度控制部分。

如果使用CCP2模块，操作很简单，与PIC16F877的CCP模块相同。只需要设置CCP2控制寄存器CCP2CON，可以选择唯一一种工作模式。

CCP2CON寄存器（CCP2控制寄存器）:

B7 B6 B55 B4 B3 B2 B1 B0 DC2B1 DC2B0 CCP2M3 CCP2M2 CCP2M1 CCP2M0

B5、B4两位是PWM占空比的最低两位，低4位是工作模式选择位，低4位为11xx时工作在PWM模式下。数据寄存器由两个8位寄存器组成，即CCPR2L、CCPR2H，所有寄存器均可以读写。

CCP2的引脚配置，正常使用RC1（CCP2MX=1），如果该位配置位清零，则CCP2与RB3复用。

在PWM模式下，CCP2引脚可输出分辨率10位的PWM输出，由于CCP2引脚与PORTC、PORTB复用，因此相应引脚要设置成输出状态。

PIC18F5420的CCP1模块为增强功能的 PWM标准CCP模块，这些增强功能包括提供2路或者4路PWM输出，用户可选的极性、死区控制以及自动关闭与重启，这是PIC16F877所没有的。

图4 整体电路图

CCP1CON寄存器：

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P1M1 P1M0 DC1B1 DC1B0 CCP1M3 CCPIM2 CCP1M1 CCP1M0

全桥模式下P1A与P1D极性相同，P1B与P1C极性相同。RC2脚为P1A；RD7为P1D；RD6为P1C；RD5为P1B。

选择全桥输出模式，可实现反向2路或者4路输出，驱动聚光型LED交替输出。

驱动聚光型LED阵列采用功率开关集成电路TWM8778，其最大输出电流可达1A，最大输入电压30V，驱动电压大于1.6V即可，5V时驱动电流120μA，适合单片机驱动及汽车14V供电。

■6.2 ADC检测

PIC18F4520单片机内集了10位8通道ADC模块，使用了RA口、RE口的第二功能。如果将最低两位填写CCP模块的控制寄存器的相应位置，正好配合了10位的PWM输出。由于需要检测模拟信号只有三路，因此可以选择RA0、RA1、RA3口即能够满足（2、3、5脚），直接使用5V电源做ADC转换参考电压，其它RA口和RE口做数字量端口移作他用。

PIC18F4520与PIC16F877的ADC模块基本相同，通过设计ADCON0选择通道和ADC时钟，由于不需要快速反应，可以选择ADC时钟为主时钟的64分频。

ADCON1用于设置ADC转换结果的存储方式和端口分配，选择左对齐。

■6.3 步进电机驱动

由ULN2003驱动12V步进电机，带动聚光型LED雾灯水平方向扫描运动。

■6.4 显示单元

由PIC18F4520单片机直接驱动8位LED数码管显示，显示内容可分为两部分，每一部分占4位宽度。用于显示发光强度、LED雾灯驱动电流及可见度等。

电路如图4所示。

LED聚光型雾灯的驱动电流，可以通过占空比大小计算出来，无需模拟量检测。

7.测试结果

在聚光型LED雾灯不偏转的情况下静止状态，占空比接近1的情况下（20只LED，驱动电流每只150mA），在浓雾（可见度不足50米）的情况下，能够在800米以外观察到该灯所发出的红色光束，说明具有较好的效果。

在汽车静止不动，但是聚光型LED雾灯以摆角45°，摆动频率1Hz的情况在600米处亦然能够看到该灯所发出的红色光束。如果降低摆动频率，可以在更远的地方观察到红色光束，但是速度慢则发现的时间推迟，也会影响效果。

如果进一步提高效果，可将聚光型LED雾灯，改为激光二极管构成阵列，这样距离还能够提高。

＊ [1]PIC18F 2420/2520/4420/4520PDF中文资料

＊ [2]陈玉斌.PIC18F452单片机原理与实践[M].北京.人民邮电出版社，2016

＊ [3]张珣张钰.PIC18F系列单片机原理及C语言开发[M].北京.清华大学出版社，2012

＊ [4]沈洁.自测检测与转换技术[M].天津.天津大学出版社，2011

＊ [5]袁光明.新颖电子器件手册[M].成都.西南交通大学出版社，1993