汽车制动灯控制器设计与仿真

张美琪，赵兰

汽车制动灯控制器设计与仿真

张美琪1，赵兰2

（1.盐城工学院 汽车学院，江苏 盐城 224000；2. 盐城工学院 电气学院，江苏 盐城 224000）

本控制器以STC89C51RC微控制器核心，采用Proteus和Keil C51进行硬件电路设计和软件设计、C51编程，开发了一款高性价比的新能源汽车制动灯控制器，并在Proetus环境中进行了软、硬件联合仿真、测试与验证。

制动灯；STC89C51RC；Proetus；Keil C51

前言

随着微控制器技术及其开发软件和方式的发展，其应用领域得到了极大地拓展，尤其是在汽车电子领域，目前已经很难找到没有电控单元（其核心为微控制器）的车辆了。随着电子技术在汽车产业中的广泛应用，其价值份额也在不断提高。在自动化、智能化较高的车型中，汽车电子技术占比更高，如纯电动汽车电子产品占比已高达 65%[1]。本设计为微控制器技术在汽车安全控制系统中的典型应用。

现代汽车一般由微处理器监控汽车运行状态。制动灯又称为刹车灯一般安装在车辆的尾部，是车辆刹车时亮起的红色信号指示灯。其作用是提醒后面的车辆和行人本车要减速或停车，请及时做好准备，以避免发生危险。本设计以我国宏晶科技的STC89C51RC微控制器为核心，采用Proteus 8无缝链接Keil C51的编译器进行硬件电路设计和C51编程调试，完成了制动灯控制器开发，并在Proetus 8仿真环境中实现了软、硬件联合仿真测试和验证。当汽车制动踏板被踩下制动时，制动开关闭合，制动灯被点亮。随着微控制器技术及其开发软件和方式的发展，其应用领域得到了极大地拓展，尤其是在汽车电子领域，目前已经很难找到没有电控单元（其核心为微控制器）的车辆了[2]。随着电子技术在汽车产业中的广泛应用，其价值份额也在不断提高。在自动化、智能化较高的车型中，汽车电子技术占比更高，如纯电动汽车电子产品占比已高达 65%。本设计为微控制器技术在汽车安全控制系统中的典型应用。

1 方案设计

由于汽车电源直接提供12V直流低压电源，因此，电源只需要将12V转换为+5V即可，由于微控制器应用系统的工作电流较小，因此，在此采用输出额定电流为0.5A的78M05进行12V/5V的稳压转换。

汽车电源既有发电机输出的交流电、还有蓄电池提供的直流电，因此电源干扰相对较大，因此电源设计要采用滤波技术。同时，整个系统将采用双面板设计，进行大面积敷铜屏蔽措施。

汽车制动灯控制系统电路结构框图如图1所示。

图1 汽车制动灯控制系统电路结构框图

1.1 微控制器选型

本项目为微控制器应系统中的测控系统类，对微控制器的程序存储器和数据存储器没有太大的要求，且输入/输出数量较少，故选用标准的4KB 程序存储器8051微控制器。

对比Atmel公司的AT89C51、NXP公司的P89C51X2、SST公司的SST89E52RC、Nuvoton公司的W78E052D和STCmicro公司的STC89C51RC，从性价比、货源充分程度、开发成本等方面考虑，最终选用STCmicro 公司集成在系统编程（In System Programming ISP）功能的STC89C51RC DIP封装的微控制器。

1.2 输入/输出驱动

输入为制动开关，为了简化硬件电路，可以直接与STC89 C51RC的具有上拉电阻的I/O引脚相连，在此选用P1.0引脚。输出需要驱动汽车尾部左、右制动灯，从节能、长寿和性价比方面考虑，转向灯采用新型LED型，其额定功率通常为15W/12V，其额定电流为1.25A，驱动电路取不小于2倍的裕量，故驱动电流大于2.5A，选用线圈电压为12V，每路驱动电流为3A的两路小型控制继电器，其线圈驱动电流通常不大于20mA。单片机引脚无法直接驱动，在此采用高增益的PC817D光电耦合器进行隔离驱动，在此选用8051四个I/O端口中驱动能力较强的P0口的P0.0引脚。

1.3 可靠性措施

汽车电源既有发电机输出的交流电、还有蓄电池提供的直流电，因此电源干扰相对较大，因此电源设计要采用滤波技术。同时，整个系统将采用双面板设计，进行大面积敷铜屏蔽措施。

2 硬件设计

2.1 电源

输入采用LC滤波和高频去耦合电容滤除高频干扰，稳压采用线性稳压集成电路 78M05，输出采用高频去耦合电容滤波。

2.2 STC89C51RC基本系统设计

STC89C51RC的基本系统由时钟电路和复位电路组成。时钟电路采用24MHz晶振，以发挥这款微控制器的速度性能，使其软件运行速度可以达到Intel公司一开始推出的标准8051微控制器最高速度的24倍。复位电路采用简单的上电复位电路实现，完全可以满足这款微控制器的需要。

2.3 输入和输出通道隔离驱动接口电路设计

制动开关连接到 STC89C51RC 中具有上拉电阻的P1.0引脚上。输出控制选用STC89C51RC中驱动能力最强的开漏P0口的P0.0引脚，通过高增益光电耦合器PC817D直接驱动线圈电流为15~20mA的小型控制继电器。在Proteus 8中设计完成并编译通过的整个系统硬件电路原理图如图2所示。

图2 系统硬件电路原理图

3 软件设计

本项目为一个简单的测控系统，软件功能主要有：系统初始化、制动开关状态监测和制动灯控制。根据系统功能分析和汽车制动灯的工作流程[3]，设计出系统主流程图如图3所示。

图3 系统主流程图

由于单片机复位后4个通用I/O口默认为输入状态，SP值为07H。为了避免堆栈操作导致通用寄存器和位寻址区数据遭到破坏，应对SP的初值进行设置，在此设置为50H；P1.0已是输入状态且锁存器已写入1，P1.0输出为高电平，即制动灯灭，因此P1.0和P0.0既可以配置，也可以不做处理。

4 硬件仿真与软/硬件联合调试

完成软件设计后，根据程序流程图，直接在Proteus 8中编写C51程序并即时调试，通过后，直接进行整个系统的仿真和测试：当制动踏板没有踩下，即制动开关没有闭合时，制动灯不亮；当制动踏板踩下制动时，即制动开关闭合，其效果如图4所示，制动灯被点亮。

图4 系统的仿真和测试

5 样机测试情况分析

最后，根据测试后的硬件电路原理图进行PCB板设计和打样制板，制作出产品样机。首先，用简单的USB转串口和自己制作的具有ISP功能的实验板，通过宏晶科技提供的开放软件STC-ISP-V4.83将程序烧写进STC89C51RC中，然后，再将STC89C51RC安装到产品样机的DIP座中进行抗电磁干扰、绝缘、密封处理，最后，将产品样安装在实验室的实验用车和电动方程式赛车上试用，实验室模拟电压剧烈波动（供电电压从9V到16.2V之间快速变化），强干扰刺激（频繁地汽车点火启动、周围有电焊工作业，变频器工作等），野外实际使用（颠簸路面行驶，5~10分钟淋雨测试），经过近3个月的测试，未出现异常情况。

[1] 曾霞,孙环.汽车电子技术专业人才需求和专业改革调研报告[J].汽车实用技术,2020(15):224-227.

[2] 朱迪臣.现代电子技术在汽车上的应用及未来发展趋势[J].时代汽车, 2020, 000(001):23-24.

[3] 张耀辉,吴海东.汽车信号灯检测与处理系统软件设计[J].电子制作,2016, 000(003):12-13.

A Design and Simulation of Control System on Brake Light

Zhang Meiqi1, Zhao Lan2

（1.Automotive Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000; 2.Electrical Engineering College Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224000）

A high cost-Effective control system on brake light is designed based on configuration of peripheral interface circuits of STC89C51RC and software development in Keil C51. Meanwhile, simulation and testing result is presented in Proteus.

Brake Light; STC89C51RC; Proteus; Keil C51

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.024

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

U463.55

B

1671-7988(2021)06-77-03

张美琪（1970-），重庆大学硕士研究生，副教授，就职于盐城工学院汽车学院，研究方向：新能源汽车电控技术，微控制器应用技术。