君越轿车刹车灯监视器的研究与设计

崔建国,宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

汽车刹车灯就是车辆刹车时亮起的灯，它主要用来提醒后面的车辆，本车要减速或停车，刹车灯若使用错误或者出问题，便很容易造成追尾撞车事故[1]。

在交通日益拥挤的今天，汽车刹车灯显得更加重要，应该让其时刻保持良好工作状态，如有损坏应及时更换或修理。

目前几乎所有汽车的电气电路部分，对刹车灯的监控都没有采取任何措施，这项技术在行业内部处于一片空白，若要检查两个刹车灯的工作状态仅靠司机一人是非常困难的，只能靠第二人在车外观察刹车灯是否正常高亮。

以别克君越轿车的制动系统为基础，设计一个汽车刹车灯监视电路，该电路的核心部分是一个斯密特触发器电路；该电路可以作为一个模块电路直接应用在几乎所有车型的刹车灯控制电路里，或者集成在汽车的车身控制模块(BCM)内部，作为BCM模块的组成部分。

1 斯密特触发器的结构及工作原理

既然用到了斯密特触发器，就先简单介绍一下斯密特触发器的电路结构及工作原理。

斯密特触发器是脉冲波形变换中经常用到的一种电路，有时也简称为斯密特电路。斯密特电路应用相当广泛，不仅有独立制作的集成电路产品，还可以用分立元件构成一个斯密特电路，如图1所示，电路由两个NPN三极管T1、T2以及电阻R1、R2、RE组成[2]。

图1 斯密特触发电路结构

图1中的斯密特电路是通过公共发射极电阻RE耦合的两级正反馈放大器，假定三极管发射极的导通压降为0.7V，那么当输入端的电压μI为低电平时(μI=0)，必有:

μI-μE=μBE1<0.7V.

则T1将截止而T2饱和导通。若μI逐渐升高并使μBE1>0.7V时，T1进入导通状态，并有如下的正反馈过程发生:

从而使电路迅速进入T1饱和导通、T2截止的状态。

若μI从高电平逐渐下降，并且降到μBE1只有0.7V左右时，iC1开始减小，于是又引发了另一个正反馈过程:

使电路迅速返回T1截止、T2饱和导通的状态。

可见，无论T2由导通变为截止还是由截止变为导通，都伴随有正反馈过程发生，使输出端电压μO的上升沿和下降沿都很陡。

同时由于R1>R2,所以T1饱和导通时的μE值必然低于T2饱和导通时的μE值。因此，T1由截止变为导通时的输入电压必然高于T1由导通变为截止时的输入电压。通常用VT+和VT-分别表示μI上升时T1由截止变为导通时的输入电压和μI下降时T1由导通变为截止时的输入电压。并将VT+称为正向阈值电压，将VT-称为负向阈值电压，将|VT+-VT-|=ΔVT称为回差电压。

2 基于斯密特触发器的汽车刹车灯监视器工作原理

本设计的电气原理图如图2所示，可以看到电路系统包括由左右刹车灯组成的车灯电路、两个PNP三极管及电阻构成的斯密特触发器电路、电流放大电路、LED警示电路、声音警示电路等组成。以别克君越轿车为例，其中S1为别克君越轿车制动灯继电器的触点结合开关，继电器受车身控制模块(BCM)的控制，为了便于理解或描述，暂且认为开关S1就是汽车制动踏板。LA1、LA2是左右两只刹车灯。

我们设计的要求是：当司机踩下刹车，两个刹车灯良好运行时，LED灯常亮且声音警示不工作；有一个刹车灯出故障时，LED灯短暂亮一下然后熄灭,紧接着开始持续声音报警；万一两个刹车灯都出故障时，LED灯永远不会亮且持续声音报警。

2.1 斯密特触发器电路

图2中的斯密特触发器电路由两个PNP三极管Q1、Q2及电阻R1、R2、R3、R4、R5、电位器P1构成。

与图1相比，两个斯密特电路结构比较类似，但有所区别，图1的斯密特电路由两个NPN三极管组成。图2的斯密特电路由两个PNP三极管组成，由于三极管极性不一样，故这种两级正反馈放大器的正反馈过程路径会与前述有所不同，图2中斯密特电路工作原理如下分析[3]。

图2 基于斯密特触发器的汽车刹车灯监视器电气原理图

图2中的斯密特电路是通过公共发射极电阻R2耦合的两级正反馈放大器，假定PNP三极管发射极的导通压降为0.6V，那么当斯密特电路的输入端电压uA≈12V时，必有μQ1-E-μQ1-B=μQ1-EB<0.6V，则Q1将截止而Q2饱和导通。这里的μQ1-E指三极管Q1的发射极电压，别的工作点电压参照μQ1-E理解，不再赘述。

若μA电压逐渐降低并使μQ1-EB>0.6V时，Q1进入微导通状态，并有如下的正反馈过程发生：

强烈的正反馈使斯密特电路迅速转为Q1饱和导通、Q2截止的状态，这个正反馈称作上升沿正反馈。

若μA电压逐渐升高，并且升高到使μQ1-EB只有0.6V左右时，iQ1-C开始减小，于是又引发了另一个正反馈过程：

强烈的正反馈使电路迅速返回到Q1截止、Q2饱和导通的状态，这个正反馈称为下降沿正反馈。

同时按照图2参数所示，由于(R1+P1)

2.2 汽车刹车灯监视器工作原理

如图2所示，该监视器的工作电压(即斯密特电路输入电压)，取决于别克君越轿车制动灯继电器的输出端连接两刹车灯LA1和LA2导线两端的电压降UX，注意是导线两端的电压降，而不是A点的电位。

假定三极管Q1发射极的导通压降为0.6V，故导线两端电压降UX必须大于0.6V，如果达不到0.6V压降，就必须在每个车灯串一只正向导通电流为5A的二极管。

下面分两刹车灯皆完好、一个刹车灯坏、两刹车灯皆坏三种情况来分析汽车刹车灯监视器的工作原理。

2.2.1 两刹车灯全部正常工作

图2中的晶体管Q1和Q2组成斯密特触发器，这个触发器由跨接在灯泡电源线上电压降UX来触发，若两车灯都发光，并联的两灯丝电压降比12V略小一些，而这时的导线电压降UX>0.6V，参照上文介绍的斯密特电路上升沿正反馈部分，强烈的正反馈使斯密特电路迅速转为Q1饱和导通、Q2截止的状态。

这时斯密特电路输出低电平，晶体管Q3基级为低电平，触发晶体管Q3导通而使发光二极管D1稳定“持续”地发光；晶体管Q4截止，直流蜂鸣器静声。

这里的持续指司机脚踩下制动闸的时间，司机脚挪开制动闸，监视器电路没有供电，发光二极管D1自然会熄灭。

2.2.2 一只刹车灯正常、另一只损坏

如果有一只刹车灯突然损坏，电流只由另一只好的刹车灯所消耗，这时的灯丝电压比刚才两只刹车灯都正常的时候的灯丝电压略高一些，这时的导线压降UX≈0.6V，由于斯密特电路的磁滞特性，斯密特电路输出低电平状态不会马上改变，发光二极管D1继续短暂发光、蜂鸣器继续静声。

参照上文介绍的斯密特电路下降沿正反馈部分，强烈的正反馈使电路迅速返回到Q1截止、Q2饱和导通的状态。这时斯密特电路输出高电平，晶体管Q3基级为高电平，晶体管Q3截止而使发光二极管D1熄灭；晶体管Q4导通，直流蜂鸣器持续报警。

注意观察和倾听D1发光(光指示)与蜂鸣器报警(声音警示)有时间差，不会同时发生。

2.2.3 两只刹车灯皆不正常

如果两刹车灯都损坏，这时的灯丝电压约等于12V，图2中的导线压降UX<0.6V，斯密特电路不工作，斯密特电路输出高电平，发光二极管永远也不会发光，直流蜂鸣器持续报警。

这里的持续指司机脚踩下制动闸的时间，司机脚挪开制动闸，监视器电路没有供电，蜂鸣器自然会静声。

3 结语

本设计利用一个斯密特触发器巧妙地解决了对刹车灯故障的监视或报警，填补了行业空白，但由于别克君越轿车高位刹车灯的供电没有通过制动灯继电器，而直接通过车身控制模块(BCM)控制，故本设计对高位刹车灯的损坏不能起到警示作用。

另外如果左右刹车灯采用LED刹车灯泡而非常用的卤素灯泡，由于LED灯泡工作电流比卤素灯泡低，故上文斯密特电路的输入电压将会相应变化，LED灯泡供电导线两端的电压降UX为了适应该变化，需要将每个车灯所串的二极管型号进行调整，使所串二极管的正向压降增大，以符合斯密特电路的阈值电压的需求。