某重型商用车自动调光遮阳板控制电路设计

肖 飞，张西超，尤成江，冯 哲，李 超

某重型商用车自动调光遮阳板控制电路设计

肖 飞1，张西超*2，尤成江2，冯 哲1，李 超1

（1.东风柳州汽车有限公司 商用车技术中心，广西 柳州 545005； 2.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）

文章提出一种自动调光遮阳板的控制电路设计方案，使用可以灵活调节透光度的EC-SPD调光玻璃代替传统汽车遮阳板，使用某重型商用车驾驶室内12 V直流电路供电，单片机根据GY-302数字型光敏传感器所检测到的光强数据产生对应的脉冲宽度调制（PWM）信号，在PWM信号的控制下，桥式电路将驾驶内的12 V直流电转换成0～10 V交流电，然后输送给调光玻璃，实现遮阳板根据不同光照强度进行不同程度的遮光功能。除自动调节功能外，该电路同时支持手动按键调节功能。该设计具有成本低廉、体积小巧、控制灵活等优点，方便集成到某重型商用车驾驶室内部，通过简单的串并联改进和驾驶内其他传统玻璃的简单改装即可完成与智能座舱的融合，提升驾驶安全与乘坐的舒适性。

自动调光；遮阳板；EC-SPD调光玻璃；PWM

近年来，随着汽车数量的日益增多导致交通事故频发，部分交通事故是由于驾驶员眼睛受到异常光线照射所导致[1]，因此大部分车辆都装有车载遮阳板，然而传统的遮阳板通常存在两方面弊端，一是传统遮阳板需要手动反转，分散驾驶员注意力；二是传统遮阳板采用不透光材质，虽然遮挡了光线，但也遮挡视野，不利于安全驾驶[2]。由此可见传统遮阳板在实际应用中效果欠佳。

为了解决上述传统遮阳板存在的诸多弊端，本文使用一款可以灵活调节透光度的EC-SPD调光玻璃代替传统遮阳板。该调光玻璃的透光度随着电压增大逐渐降低，从而实现自动遮光功能[3]。

该新型调光遮阳板需要使用0～10 V交流电供电，而驾驶室内由车载蓄电池提供的电压均为直流电，因此需要桥式电路在调制策略的控制下将其转化为交流电，常见的调制策略有脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation, PWM）、基于载波的正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）、电压空间矢量调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）和虚拟空间矢量调制（Virtual Space Vector Modulation, VSVM）[4-6]等。一般来说，在要求低成本且对数字模拟转换器（Digital to Analog Converter, DAC）精度要求不高时采用PWM调制[7]，则本文使用PWM调制控制该新型遮阳板的透光度。

1 控制原理

1.1 控制电路原理

单片机选用STC生产的STC8H3K64S2，该单片机具有超高速8051内核（1T），比传统8051单片机快约12倍以上，且内部集成高精度IRC误差为±0.3%，在线编程（In-System Programming, ISP）编时4～45 MHz宽范围可选，不需要外部提供晶振和复位电路，可以进一步节省商用生产时的成本和扩大该单片机体积较小的优势，方便集成安装于某重型商用车驾驶室内部。同时此单片机还具备8路高级PWM、5个16位定时器，并提供19个中断源，满足本次设计要求的同时还具备后续扩展完善的空间[8]。与其他单片机相比具有以下优势：成本低廉、体积小节省空间、响应快速、大容量静态随机存储（Static Random Access Memory, SRAM）等。本文就是通过该单片机产生PWM调制信号，控制后续电路产生合适电压，完成对新型遮阳板遮光度的控制。控制原理如图1所示。

图1 控制原理图

图1中，按键KEY1控制自动/手动调光模式的切换，在手动调光模式下，按键KEY2和KEY3分别控制遮阳板透光度的增减；而在自动调光模式下，单片机根据GY-302数字型光敏传感器所检测到的光强数据控制PWM2P、PWM4P两个端口产生不同的调制信号。后续桥式电路在PWM调制信号的控制下将驾驶室内12 V/24 V直流电转换成交流电，然后经过保护电路输送到新型调光遮阳板，以此控制遮阳板在不同光照情况下进行相应程度的遮光，确保驾驶人员所受光线照射情况始终处于舒适范围。

1.2 EC-SPD调光玻璃控制原理

该新型调光玻璃由玻璃、乙烯-醋酸乙烯共聚物胶片和EC-SPD调光膜组成，利用悬浮粒子设备（Suspended Particle Device, SPD）的感光特性，在不通电时粒子呈同向排列，进而透过光线。在通电后，根据不同的电压悬浮粒子进入不同程度的混乱排列状态，该调光玻璃的透光度将随着供电电压的升高而逐渐降低。本文所使用的EC-SPD调光玻璃使用10 V及以下的交流电供电，表1为本文所使用的调光玻璃电压-透光率关系表。

表1 调光玻璃透光度与有效供电电压对应关系

项目名称参数 供电电压/V02410 透光率/%26153.51.8

由表1可知，该调光玻璃透光度与供电电压不成线性关系。此外还与调压方式有关，本文使用PWM调制控制供电电压，若使用SPWM、SVPWM、VSVPWM或者PAM调制，相同电压下的透光率将有略微出入。某公司提供的调光玻璃测试样品，在不通电状态下的透光率较低，实际成品的最高透光率在50%～68%之间[4]。经过实车观察测试，在强光照射状态下，26%透光度仍可以清晰观察路面情况。

2 控制电路设计

2.1 桥式电路设计

EC-SPD调光玻璃需要0～10 V的交流电控制其透光度，故需桥式电路将输入的直流电转换成交流电，桥式电路原理如图2所示。在一个周期内：1）若PWM2P输出高电平，PWM4P输出低电平，则输出端OUT1为高电平，OUT2为0；2）若PWM2P输出低电平，PWM4P输出低电平，则输出端OUT1、OUT2均为0；3）若PWM2P输出低电平，PWM4P输出高电平，则输出端OUT1为0，OUT2为高电平；4）若PWM2P输出低电平，PWM4P输出低电平，则输出端OUT1、OUT2均为0。以上四步为一个周期产生矩形波交流电，再以STC8H3K64S2控制PWM的周期及高低电平占空比，即可完成对新型自动调光遮阳板的控制。

图2 桥式电路图

2.2 降压稳压电路设计

本次电路设计适用于某款重型商用车，该车型驾驶室内提供12 V/24 V两种供电线路，且后续移植到其他车型时还需适配其他多种供电模式，因此，需要添加降压稳压模块，将驾驶室内提供的不同电压降至5 V后提供给单片机及其他模块。

本次设计采用友台半导体有限公司生产的LM2576S-5.0降压稳压模块，该模块接受最高40 V的宽范围输入电压，满足绝大多数车型驾驶室内提供的各种电压线路。且仅需提供4个外部元件，可以尽可能减小电路板体积，方便集成安装。降压稳压电路原理如图3所示。

图3 降压稳压电路原理图

LM2576模块VIN接口连接驾驶室供电路线，并通过一个100 μF的电解电容接地；OUTPUT接口经过100 μH的电感连接到+5 V输出端口，另一边通过肖特基二极管接地；COMMON接口接地；FB接口连接+5 V输出端口；ON/OFF接口接地；TAB接口悬空。

同时注意到目前有部分新型乘用车驾驶室内电压从之前的12 V提升到48 V[9]。此时该降压稳压器将不再适用，但该系列降压稳压器同时提供60 V高版本器件，但价格略高，出于后期商用考虑，本文仅使用低压版本。

2.3 保护电路设计

根据前文所述，桥式电路的两个输出端口OUT1和OUT2会产生0～10 V的交流电，在电源突然关闭的瞬间可能会发生自感现象，为了防止自感电压损坏电路，需要增加4个续流二极管，释放能量，起到保护电路作用。保护电路设计如图4所示。

图4 保护电路原理图

3 控制程序设计

3.1 主程序

主程序流程如图5所示，程序开始时首先进行初始化：将调节模式设置为手动模式，PWM调制信号占空比设置为0，此时控制电路输出电压为0，新型调光遮阳板处于未供电状态，透光率处于最高状态。并将GY-302光敏传感器、定时器中断、IO口等进行初始化。

图5 主程序流程图

然后检测当前调光模式，如果为手动模式，对按键KEY2和KEY3进行监控，如果KEY2按下则提高PWM调制信号占空比，即提高输出电压，降低遮阳板透光度；如果KEY3按下则降低PWM调制信号占空比；如果当前为自动调光模式，则调用GY-302数字型光敏传感器检测当前驾驶室内光线强度，根据光线强度自动调节PWM信号占空比，完成自动调光功能。

最后检测切换模式按键KEY1是否按下，如果按下则切换调光模式，并循环执行。

3.2 光强检测程序

使用GY-302数字型光敏传感器获取当前驾驶室内光线强度。模块内部由光敏二极管、运算放大器、模拟数字转换器（Analog To Digital Conv- erter, ADC）采集、晶振等组成。光电二极管（Photo Diode, PD）通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路后，由ADC采集电压，然后通过逻辑电路转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中，获取光强程序及其注释如图6所示。

图6 获取驾驶室内光强程序

3.3 生成PWM调制信号程序

根据上述GY-302数字型光敏传感器所获取的光强信息，实时改变PWM调制信号的占空比，以此控制EC-SPD调光玻璃的供电电压，进而合理控制其遮光度，确保经过新型遮阳板遮光后的光线强度不超过3 000 lx，保证驾驶安全。

1）初始化。将桥式电路的两个控制端PWM2P、PWM4P初始化为0（即断电状态，此时新型遮阳板处于未供电状态），将使能端En初始化为1（即使能状态）。

2）PWM调制信号更新。根据前文所述，PWM调制信号在一个周期内分为4种状态（实际为3种，因为第2、4种状态相同），如图7所示。因此，在一个周期内需要更改四次PWM2P、PWM4P的输出情况，所以设计程序使用定时器中断0完成每个周期内的调制信号更新，更新程序如图8所示。

图7 调制信号周期内状态图

图8 调制信号更新程序

3.4 模式切换程序

设计的控制电路除了具备自动调节新型遮阳板的透光度功能之外，同时支持手动调节功能。在手动调节模式下，PWM调制信号分为4个挡位，4个挡位的占空比分别为0%、10%、15%、75%。使用图1中KEY1切换手动、自动模式，KEY2、KEY3两个按键控制挡位的增减。

4 测试

所设计的控制电路及新型调光遮阳板安装到某款重型商用车上进行测试，遮光效果达到预期要求，变光反应灵敏，该电路设计满足日常驾驶所需功能。表2为PWM占空比、输出电压、透光率对应关系。

表2 PWM占空比、输出电压、透光率对应关系

PWM占空比/%输出电压/V原始光强/lx遮光后光强/lx透光率/% 0047 20012 11025.66 60.847 20012 09025.61 101.447 20011 13023.58 152.047 2007 15015.15 202.747 2003 9778.43 253.447 2002 3905.06 304.047 2001 6723.54 354.747 2001 3362.83 7510.047 2008661.83

如前文所述，所使用的调光玻璃为调试样品，最高透光率仅为26%，如图9所示。根据《汽车车窗玻璃遮阳膜》（GA/T 744－2013）[10]，本文所使用的调光玻璃属于Ⅲ类遮阳膜，改用成品后透光率可提升至50%～68%，此时根据标准规定属于Ⅱ类遮阳膜，实用性将进一步提升。

图9 新型遮阳板透光率与电压关系图

5 总结

根据标准规定，汽车前挡风玻璃仅能使用Ⅰ类遮阳膜，即透光率需不低于78%，因此，本文所使用的调光玻璃不能恒处于展开状态，尚需手动反转，对此笔者做两点展望：1）设计旋转舵机，控制该遮阳板的自动展开和收起；2）等待调光玻璃生产工艺提升，当最高透光率超过78%后该新型遮阳板即可贴合于前挡风玻璃之上，此时便可实现无需手动反转和自动调光功能。

[1] 王广瑞,郝传柱.汽车遮阳板自动控制技术的研究[J].现代信息科技,2020,4(7):145-146.

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[10] 中华人民共和国公安部.汽车车窗玻璃遮阳膜:GA/T 744－2013[S].北京:中国标准出版社,2013.

Design of Control Circuit for Automatic Dimming Sun Visor of a Heavy Commercial Vehicle

XIAO Fei1, ZHANG Xichao*2, YOU Chengjiang2, FENG Zhe1, LI Chao1

( 1.Commercial Vehicle Tech Center, Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited, Liuzhou 545005, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China )

In this paper, a control circuit design scheme of automatic dimming sun visor is proposed.The EC-SPD dimming glass that can flexibly adjust the light transmittance is used to replace the traditional car sun visor.The 12V DC circuit in the cab of a heavy commercial vehicle is used to supply power. The microcontroller generates the corresponding pulse width modulation (PWM) signal according to the light intensity data detected by the GY-302 digital light sensor. Under the control of the PWM signal, the bridge circuit converts 12V DC power in the driver into 0～10V AC power,which is then transmitted to the dimming glass to realize the shading function of the sun visor according to different light intensity.In addition to the automatic adjustment function, the circuit also supports the manual key adjustment function.This design has the advantages of low cost, small size, flexible control, etc. It is convenient to integrate into the cab of a heavy commercial vehicle. Through simple series parallel improvement and simple modification of other traditional glass in the cab, it can complete the integration with the intelligent cabin, and improve driving safety and riding comfort.

Automatic dimming; Sun visor;EC-SPD dimming glass; PWM

U462

A

1671-7988(2023)17-65-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.011

肖飞（1986－），男，硕士，高级工程师，研究方向为商用车智能优化控制研究，E-mail:531386789@qq.com。

张西超（1998－），男，硕士研究生，研究方向为智能驾驶，E-mail:qbyzjsz@163.com。

广西创新驱动发展专项（AA22068001）；广西重点研发计划（AB21196029）；柳州市科技计划项目（2022 AAA0102、2021AAA0112）。