汽车远近灯自动控制37页

1、 汽车远近灯自动控制系统设计摘 要汽车远光灯是为了让驾驶者在夜间高速行驶时看清远方路况，但是在会车时如果不及时切换到近光，其强烈的光线会使对面车辆无法看清道路，极易发生交通事故。国内统计，在夜间发生的交通事故中，与远光灯有关的事故占到三四成，且成上升趋势。本文以单片机为核心，构成汽车前大灯自动调光控制系统，当夜晚行车远光灯打开时，系统能通过光检测输入模块察看前方是否有相对行驶车辆，若有则自动启动调光输出模块，关闭远光并打开近光。能很好地解决传统方式下，手动调光延迟时间长和驾驶员因频繁手动调光而分散注意力等问题，从而大大减少事故的发生。关键词：单片机；光探测器；自动控制Automatic con

2、trol of vehicle distance lightAbstraetWhen automobile travels at high speed,the high beam is used to allow driver to see distant traffie.But if we do not switch to last light timely when two automobile travel at opposite direetion and very adjaeent,the strong light will make the drivers not be able

3、to see across the road,so traffic accidents can easily occur.National statistics shows that the accident occurred at night with high beam related accounted for as 34%,and into an upward trend. Microcontroller as the core of this paper constitutes a vehicle headlight dimming control system for automa

4、tic, high beam is turned on when driving at night, the system look through the optical input module testing whether there is a relatively moving vehicles in front, if the output module starts automatically dimming , Close and open the near light beam. Can solve the traditional way, manually adjust t

5、he delay time of light for long and frequent manual dimming driver distracted by other issues, thus reducing accidents.Keywords: microcontroller; light detector; automatic control- 33 -参考文献目录第一章 绪论11.l引言11.2国内外对汽车远光灯控制的研究状况及最新成果11.2.1国内汽车远光灯控制的研究现状11.2.1.1汽车防眩远光前照明灯11.2.1.2利用偏振光防眩目21.2.1.3汽车前照灯自动变光器

6、21.2.2国外汽车远光灯控制的研究现状21.2.2.1红外夜视系统21.2.2.2单色光防眩31.2.2.3液晶变光装置31.2.2.4美国GENTEX公司开发成功了智能变光汽车前照灯31.2.3汽车远光灯控制的研究发展趋势31.3课题研究的目的3第二章 基于C51单片机汽车远近灯自动控制的方案52.1 任务分析52.2 设计方案52.2.1 设计思想52.2.2总体框图52.3 常见的光电探测器件62.3.1光电池62.3.2光电二极管62.3.3 PIN管82.3.4 雪崩光电二极管82.3.5 光电晶体管82.3.6 阵列式或象限式结型光电器件92.3.7 光电开关与光电耦合器92.4

7、 半导体光探测器的特征参数9第三章 系统硬件实现123.1主控电路设计123.1.1 80C51系列123.1.2 80C51的基本结构133.1.3 80C51单片机的的封装和引脚143.1.4 80C51单片机的时钟153.1.5 80C51单片机的复位153.1.6 I/O引脚163.2外围接口电路设计183.2.1 光检测输入电路183.2.1.1 对数放大器193.2.1.2 LOG100对数放大器193.2.1.3 施密特触发器213.2.2调光控制输出电路233.2.2.1 关于继电器的正确使用24第四章 软件流程及实物展示264.1 软件流程264.2 实物展示27第五章 系统

8、调试28结论29参考文献30附录一 整体电路图31附录二 实物设计的软件部分32致谢34第一章 绪论第一章 绪论1.l引言当夜晚行车远光灯打开时，若前方有相对行驶车辆，则驾驶员通常会将远光变为近光，避免对面车辆因受强光照射而无法正确判断前面路段情况，造成危险的情况。但在传统方式下，驾驶员手动调光所需延迟时间较长，并且驾驶员因频繁手动调光容易造成注意力分散，极易因此而引发交通事故。为了人身的安全以及驾驶员的舒适驾驶，设计构思了一种汽车远近灯自动控制系统。关于汽车夜间行车远光灯的使用，中华人民共和国道路交通安全法做出了明确规定，但是在实际驾驶中不按规定在会车及通过路口时关闭远光的情况十分严重，比如

9、汽车交会时开远光灯，强光直射对面司机眼睛，形成视觉盲区，极易造成车祸。不按规定使用远光灯主要有三种情况：一是刚拿到驾照的新手，不知道如何使用灯光，乱打灯。二是有的司机明知违规用灯却依然我行我素。三是在有些路段需要频繁的切换远近光灯，驾驶员在打开远光灯后往往忘记关掉。因此而导致的交通事故给人们的生命和财产安全带来了极大的危害，也在一定程度上影响了经济的发展。要最大程度减少这种事件发生，在加强交通执法力度的同时，对夜间行车远光灯的使用进行自动控制是一个有效地解决办法。目前国外一些汽车公司己经开始远光灯的自动辅助控制系统的试验，德国巴伐利亚汽车制造厂研制了一种远光灯辅助系统，主要构件是安装在后视镜外

10、壳前面一个传感器，传感器内包含一架照相机，相机拍摄的图像被反馈到一个电子评估系统里，由该系统分析前方的物体从而自动控制远光灯的开闭。这个系统计划在该公司的宝马5系、6系和7系中加装。当前对汽车远光灯炫目的问题，有许多不同的解决方案，但都存在着这样或那样的问题。当前的趋势是研制一种确保安全、简单有效、成本低廉、易于推广的远光灯自动控制系统。11.2国内外对汽车远光灯控制的研究状况及最新成果1.2.1国内汽车远光灯控制的研究现状1.2.1.1汽车防眩远光前照明灯汽车防眩的技术特征是根据灯光测试平面上眩目光线区间的界线与光线反射平面的关系确定灯丝的安装空间，其防眩光形可以根据不同测试标准变化，具有远

11、光的照射距离和近光的防眩光形。但是从眼睛的感光角度来说，光觉是最基本的视觉。眼的感光最早由视网膜的两种视细胞，即视杆细胞和视锥细胞开始，视杆细胞在甚暗的环境，可对微弱的光产生感觉，即暗视觉。视锥细胞则在较亮的光线下，产生光觉，即明视觉及颜色感觉。而锥细胞主要分布在眼球的中心凹。也就是说眼球正常固视前方的情况下，中心视野30范围内对光的敏感度最强;30以外的周边视野光敏感逐渐减弱。当两车夜间交会车时，往往有些开车的人视觉会不自觉地跟随对方的车灯，也就是瞪视对方来车，这样眼睛的中心视野正对着对方的车灯，所以远光灯眩目的问题依然存在。21.2.1.2利用偏振光防眩目其基本原理是根据马斯吕定律(两个起

12、偏器的偏振轴互相垂直时，对光的透射率几乎为零;而两个起偏器的偏振轴相互平行时透光率最大)，在每辆车的风挡玻璃和车灯玻璃加上偏振片，其偏振轴与水平面成45度角，则两车相向行驶时，一方风挡上偏振轴与对方车灯上偏振轴正交。根据马斯吕定律，对方车灯发出的光线经过车灯玻璃和本方风挡玻璃的透射率几乎为零。当前，偏振片的透光率很不理想，单片透光率只有36%左右，因此需要加大车灯功率，提高车灯亮度。这种方式由于偏振片性能有待提高，尚未达到实用化程度。3-51.2.1.3汽车前照灯自动变光器其工作方式是利用光敏传感器探测前方来车的远光灯，当距离对面车辆200m左右时，自动变光器可根据对方车辆灯光变换作相应的变换

13、，如果对方车辆远光超过2s不变换时，本车能自动恢复远光，提醒或迫使对方车辆变光。此装置存在一定的弊端，如果对方未关闭远光，本车也不关闭远光，使得会车时的危险加倍;如果对方关闭远光，本车装置要在安全距离以外及时准确的发现对方车辆较为困难，故实际使用效果不理想，目前一直未能得到广泛应用。远光灯的控制问题一直没有得到妥善解决。6-81.2.2国外汽车远光灯控制的研究现状1.2.2.1红外夜视系统红外夜视是利用目标与周围环境之间由于温度或发射率的差异所产生的热对比度进行成像。由于热对比度的差异而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为热像，再通过热像将红外图像变为可见光图像。9-10目前应用的红外夜视主

14、要分为两种，远红外夜视系统能够看清前方300m。显示辐射热能物体，物体越热，光线就越强，主要是人和动物。近红外夜视系统能够看清前方150m，但画面更为明亮，显示信息更为丰富。红外夜视系统只能作为远光辅助，不能完全解决远光危害问题，且其价格昂贵，国外最低售价也在人民币两万元左右。目前只有在奔驰S级，宝马740以上的豪华汽车中才装配。1.2.2.2单色光防眩单色光防眩是利用单色光的远光灯来照明。研究发现，饱和照明时，人眼对黄光有比白光更佳的敏感度;人眼睛被黄光眩目后暗视野的恢复相对较快。可以在紧急情况出现时争取宝贵时间。这种方法利用的仅是黄光这一段较窄波长范围的光，通常照射效率低，视野较暗。效果不

15、理想。1.2.2.3液晶变光装置液晶变光的基本原理是在车灯前加液晶版，利用光敏传感器探测外界光照强度，自动平稳地随外部照明情况改变液晶的透射率，从而控制远光灯的眩目问题。问题在于系统的造价高，液晶面板的耐温特性差，此技术尚不成熟。11-131.2.2.4美国GENTEX公司开发成功了智能变光汽车前照灯该前照灯利用传感装置感测前方光源。当迎面来车时会自动降低前照灯的光照度，当会车毕又恢复强光。此种光照度变化十分柔和，是渐进的。但如前方车流突增，如转弯行驶时光照度亦会立刻减弱。福特林肯车系(Lineoln-Mereeury)己决定从2004年起装用此种变光照度前照灯。该灯现在存在的问题是成本价稍高

16、些，现Gentex已在做着将其成本降到150-200美元的工作，以期向低价车种进行普及。1.2.3汽车远光灯控制的研究发展趋势违章使用汽车远光灯造成的交通事故不在少数，每年新增车辆越来越多，由远光灯使用不当造成的夜间交通事故比例更是急速上升。对国内外研究情况的分析发现，多数远光灯炫目问题的解决方案都不完善，不能完全解决远光灯危害问题。根据实际情况需求，对于汽车远光灯探测与控制系统，一定要确保安全，简单有效;目前除去极少数豪华型车辆外，大多数路上行驶的车辆都不具备远光智能控制功能，这主要是汽车工业生产特点决定的，每一点点成本的增加都会改变一款车销售情况，甚至影响一款车的市场定位，要想做到好的效果

17、，系统一定要具有成本低廉，易于推广的特点。简而言之，确保安全，简单有效，成本低廉，易于集成是今后这类产品的发展趋势。1.3课题研究的目的本课题研究的目的是拟开发一种夜间行车远光灯自动控制系统，通过对各种汽车远光灯照度的分析，制作合适的传感器捕捉远光灯信号，发现前方车辆远光开启，及时减弱以至将其换到近光。辅助驾驶者进行自我约束，确保汽车夜间行车远光灯的按章使用，提高行车安全，减少因车远光灯造成的交通事故。第二章 基于C51单片机汽车远近灯自动控制的方案2.1 任务分析单片机应用系统可以分为智能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪一类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场

18、调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。根据论文的设计需求：（1）、熟悉protues环境；（2）、熟悉有关传感器的理论知识；（3）、给出设计方案2.2 设计方案2.2.1 设计思想此次设计选用了80C51单片机。其中包含了电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的汽车远近灯自动控制系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和控制电路设备。当前方的光强达到传感器能识别的数值时，传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输入。单片机经过处理后再

19、对我们的控制电路进行控制，从而达到自动控制的目的。2.2.2总体框图工作原理图如图2.l所示。控制开关电路置于汽车大灯远光开关上，当远光灯打开时即启动自动控制系统工作。当对面有车时其灯光或其反射镜的反射光可被“光检测输入电路”捕获，电路向单片机发送有效高电平，单片机通过程控方式检测到来自“光检测输入电路”的有效信号则启动“调光控制输出电路”自动变为近光；否则继续检测输入信号。控制开关电路光检测输入电路AT89C51调光控制输出电路时钟电路复位电路图2.1 系统框图2.3 常见的光电探测器件常见的光电探测器件主要有以下几种：2.3.1光电池光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分，有硅、硒、硫化

20、福、砷化稼和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池，国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光。增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si4N3，SiO2-MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。

21、当光电池短路时，短路电流Isc。与照度E成线性关系，S=Isc/E称为灵敏度。在一定的照度下，曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为0.45-0.6V，最大不超过0.756V，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流Isc为35-40mA/cm。142.3.2光电二极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、

22、饰化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列，以P-Si为衬底。2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导

23、电类型相同，可以使P-Si表面与N-Si连通起来。当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个N-Si的环把受光面(N-Si)包围起来，并从N-Si环上引出一条引线，SiO2使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使

24、N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压，如上图所示。实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。由于多数场合光电二极管都是加反向电压，所以其伏安特性曲线常画成如图2.2所示的形式。图2.2 伏安特性曲线上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中、象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。

25、二是因为开路电压Uoc一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。在一定的照度下，光电二极管的伏安特性曲线几乎是平直的，可把它看成是恒流源。152.3.3 PIN管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层(相对)很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。另一个特点是，因为层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，层电阻

26、很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。2.3.4 雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100-200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个

27、主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。2.3.5 光电晶体管光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。所以光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流。光电晶体管的电流放大作

28、用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系，多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。2.3.6 阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使两个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处

29、理。就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。2-4个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。几十个至几百个或更多并列的光敏元，可用来摄取光学图象或用作空间频谱分析。象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。光电位置探测器(PSD，Position SensitiveDeteetors)是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面

30、上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。2.3.7 光电开关与光电耦合器光电开关和光电藕合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。光电祸合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透风的管壳内。发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。光电祸合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。2.4 半导体光探测器的特征参数表征半导体光电探测器性能的参数主要有：1、响应度：响应度的定义是信号量除

31、以它接收的辐射度量，记作R，不同的响应度用下标来表示。如：对辐通量的电流响应度R=I/对辐照度的电流响应度RE=I/E探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。测量不同的辐射度量，应当用不同的响应度。2、噪声：探测器的噪声源通常有以下几种：(l)散粒噪声：它是由光子流以间断入射的形式投射到探测器表面以及探测器内部这些光子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性所造成的。(2)产生一复合噪声：光电导型探测器的产生-复合噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过程中其导带上的电子和空穴数随机起伏所形成的。(3)热噪声:它是电阻材料中离散的载流子的热运动所造成的。3、响应速度当阶跃光入射到

32、探测器时，一般探测器的输出信号不能完全随输入光变化。同样，在光照突然停止时也是这样。故用响应时间来描述器件的响应速度。相应光入射和停止的状态，有上升响应时间和下降响应时间。4、量子效率量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数。它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。5、线性度线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内探测器的响应度是常数。这一规定的范围称为线性区。光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。因此要获得所要的线性区，必需设计有相应的电

33、子线路。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。线性度是辐射功率的复杂函数，指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差d来度量。在光电检测技术中，线性是应认真考虑的问题之一，应结合具体情况进行选择和控制。6、工作温度工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探测器的重要性能参数之一。光电探测器工作温度不同时，性能有变化，例如象HgCdTe探测器一类的器件在低温(77K)工作时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性

34、能逐渐变差，以致无法使用。本章对半导体光探测器件的原理与特性进行了分析，以利综合考虑人眼视觉曲线和常见车灯光谱范围选择合适的光敏器件。综合考虑后，本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。第三章 系统硬件实现3.1主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面接受传感器传来的信号，另一方面，将接收到的信号经过处理后送给输出端，从而达到自动控制的目的。3.1.1 80C51系列80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构

35、合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的AdC8系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列

36、，所以，本次设计选择80C51单片机。16-173.1.2 80C51的基本结构时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K 字节RAM 128字节SFR 21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工 2个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS图3.1 80C51的基本结构由图3.1可见，80C51单片机主要由以下部分组成：180C51的微处理器（CPU）（1）运算器：累加器ACC ；寄存器B ；程序状态字寄存器PSW 。（2）控制器：程序计数器PC ；指令寄存器IR ；定时与控制逻辑280C51的片内存储器 在物理上设计

37、成程序存储器和数据存储器两个独立的空间： （1） 内部ROM容量4K字节， 范围是：000H-0FFFH （2） 内部RAM容量128字节， 范围是：00H-7FH380C51的I/O口及功能单元（1）四个8位的并行口，即P0-P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。 （2）有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；（3）有2个16位的定时/计数器 ；（4）有1套完善的中断系统。 480C51的特殊功能寄存器（SFR）内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，IE，IP等21个特殊功能寄存器单元，它们同内部RA

38、M的128个字节统一编址，地址范围是80H-FFH。3.1.3 80C51单片机的的封装和引脚80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3.2所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。图3.2 80C51的引脚和封装(1) 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；(2) 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 (3) 控制线:控制线共有4根，ALE/PROG:地址锁存

39、允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。(4) I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输

40、入输出和控制信号（属控制总线）。3.1.4 80C51单片机的时钟8051单片机的时钟电路通常有两种形式：内部时钟方式和外部时钟方式。把一个由晶体振荡器和两个电容器组成的自激振荡电路接于XTAL1和XTAL2之间，把振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，成为单片机的时钟脉冲信号。如图3.3。图中，电容器Cl，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF，本次试验采用了18pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况比较多。本次实验采用了6MHz。图3.3 时钟电路3.1.5 80C51单片机的复位在整个远近灯自动变换系

41、统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。RESET作复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。本次8051的复位方式是手动复位（按键后

42、电容充电，RESET为高，松开后，电容放电，直到RESET为低），见图3.4图3.4 复位电路复位状态：初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表3.1所示，表中“x”为不定数。寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HBSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL000HP0P3FFHSCON00HIPxx000000BSBUFxxxxxxxxBIE0x000000BPCON0xxx0000B表3.1 复位状态复位后，P0P3口输出高电平且使这些双向口皆

43、处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。183.1.6 I/O引脚 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚(1) P0口8位双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图3.5所示。P0口能驱动8个LSTTL门。19-20图3.5 P0口(2) P1口8位准双向I/O口(“

44、准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图3.6所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。由图可见，P1口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。输出驱动电路与P2口相同，内部设有上拉电阻。 P1口是通用的准双向I/O口。输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。当口用作输入时，须向口锁存器写入1。图3.6 P1口（3）P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图3

45、.7所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。图3.7 P2口(4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。结构如图3.8所示。图3.8 P3口3.2外围接口电路设计3.2.1 光检测输入电路在夜晚，当两车相遇时，远光灯的照度是比较低的，当偏离主轴位置后因照射角度的变化，照度还会下降，探测环境光线较弱，所以远光传感器的选取着重的是其在微弱光线下的灵敏度和线性度，加之各种车灯的发射光谱均处于可见光范围，故本设计采用光电池作为远光传感器，它的光谱响

46、应特性曲线与人眼光谱光视效率曲线接近，对可见光频率的光谱响应度好，同时光电池感光面积大，适合用于对低照度的测量。弱光检测通常是先将光信号通过光电器件转换成电信号，再经前置放大电路放大后，由A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号进行分析处理。弱光检测技术广泛应用于现代通信、医疗和科研等领域。弱光检测电路一个重要性能指标是对噪声的滤除能力，但在弱光检测时，光信号与噪声几乎处于同一数量级，信号很容易淹没在噪声中，不利于后续电路处理。传统方法是采用电路级联来滤除干扰，放大信号；但这种电路需用精密电阻，且设计复杂，电路体积大，可靠性差。随着集成对数放大电路的发展，其宽动态范围、高精确输出的显著特点，光检

47、测电路也得到不断发展与完善，对数电路具有优异的数据压缩性能，可将很宽的输入动态范围信号压缩在很窄的电压范围内。因此，这里提出一种以LOGl00作为前置放大的弱光检测电路设计方案。3.2.1.1 对数放大器 LOG100是什么？它是一种对数放大器，所谓的对数放大器，通常人们把它看作是一种放大器，反而淡化了其非线性的特性，把它们看作特殊类型的放大器更是不对。尽管这些电路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它对小信号呈现出高增益等等，但它们真正的用途是实现精确的对数变换，严格地说，这些电路应该叫做“对数变换器”。但多年来人们已经习惯了“对数放大器”的叫法。3.2.1.2 LOG100对数放大器

48、LOG100是美国BURR-BROWN公司生产的精密对数放大器,它可对两个电流或电压之比进行对数运算,也可对单个电流或电压进行对数运算。该放大器输入电流动态范围宽,可在1nA和1mA之间变化。LOG100采用了先进的集成电路技术,其输入电流或两个输入电流之比在100dB(105)范围内变化时,都能保证总的输出误差在满度输出电压的0.37%以下,偏离理想对数关系不超过0.1%。由于该芯片将放大器、对数晶体管和低漂移薄膜电阻都集成在一起,因此使用时无须外部元件就可以改变增益,给用户带来极大方便。内部电阻经激光调整,用户无需调整就可达到参数规定的运算精度。LOG100还可使用户方便地改变增益,或对失

49、调电压和偏置电流进行补偿,以获得更好的性能。LOG的优良性能使它具有广泛的应用,除了进行对数和反对数运算外,还可进行数据的压缩和解压,在光学应用中,可进行光密度测量,也可测定物质对光波的吸收系数。LOG100的电源电压为15V,环境工作温度范围为0-70。图3.9 简化的对数放大器现以图3.9简化的对数放大器来说明它的工作原理。双极型三极管的基-射电压为:VBE=VTln(IC/IS)。式中,VT=kT/q, k=1.3810-23焦耳/度(波尔兹曼常数), q为电子电荷量。T为绝对温度(开尔文),IC为集电极电流, IS为反向饱和电流。从图3.9电路可以得到VOUT=VBE1-VBE2=VT

50、1ln(I1/IS1)-VT2ln(I2/IS2)如果两只晶体管性能一致、温度相同,则:VOUT=VTln(I1/IS)-ln(I2/IS)=VTln(I1/I2)VOUT=VOUT(R1+R2)/R1=(R1+R2)/R1VTln(I1/I2)由于lnX=2.3logX,所以, VOUT=Klog(I1/I2)这里,K=2.3VT(R1+R2)/R1。因为VT随温度上升而增加,所以R1用一个正温系数的热敏电阻进行温度补偿。这里我们有必要对对数放大器的相关指标做进一步的说明，因为他们与工程实践密切相关。也是在使用对数放大器中必须考虑的问题。(1)噪声所有信号处理系统都受到随机噪声的限制，这便对

51、最小信号设置了可被检测或识别的门限。随机噪声和信号输入端的带宽密切相关，随机噪声常用“噪声频谱密度（SND）”来定义，总的噪声功率与系统的噪声带宽 BN（用 Hz 来表示）成正比。在线性系统中，输出噪声功率N与系统的带宽有关，这里的带宽通常是指 3dB带宽，对于理想低通系统 而言，3dB带宽就是系统的等效噪声带宽。而在非线性系统中例如对数放大器，情况就不同了，即使输入端很小的噪声都会引起放大器末级的过载现象。因此对数放大器的主 要缺点是会降低大信 号的信噪比。所以对数放大器的前级一般的噪声频谱密度（NSD）设计的非常低。例如 AD8307 的前级放大器 SND为 1.5nV/。(2)交调失真两

52、个单一频率的交调失真指标在射频应用中特别重要。它是表征放大器的交调失真（IMD）的质量因数。谐波失真是由幅度传递函数特性中的非线性所致。交调失真由两个或更多不同频率的信号混频而成。当输入信号只含一种频率时，放大器的输出仅产生谐波失真，若输入信号含两中频率，则输出产生谐波失真和交调失真。此时，输出包含了放大器的直流偏移、有用信号、二次谐波、二阶交调失真、三次谐波、三阶交调失真等等。大多数的交调失真可以被滤掉（包括二阶交调失真），但输入信号的两个频率靠的很近时，三阶交调失真将和两个基频相近而不容易被滤掉。通常三阶交调失真与窄带应用有关，而二阶交调失真与宽带应用有关。如果放大器的非线性可以用幂级数展

53、开的话，那么输入信号每增加1dB，二阶交调失真会增加2dB，三阶交调失真会增加3dB。输入信号超过一定值后，放大器开始饱和，同时IMD分量明显增加，理想输出功率和二阶交调，三阶交调失真功率会会在某一点相交。这些交点在纵轴上的投影既对应的输出功率通常为 放大器输出功率提供基准。交点功率越大，使IMD增大的电平就越大。所以给定的信号电平下IMD就越低。另一个值得关注的参数是1dB压缩点(1dB compression point),从这点开始，输出信号已开始受到限制，并相对理想的输入输出曲线衰减1dB。(3)动态范围 系统的动态范围的下端在能够保证测量精度的范围内受噪声的限制，而信号范围的上端受放

54、大器非线性方面的影响。因此，在实际应用中规定系统动态范围的一种方法是确定信号的大小使其总谐波失真（THD）在某种可接受的程度，比如1%。或规定使系统的输出功率相对理想输出功率下降1dB的信号电平（1dB压缩点）。显然，测定系统动态范围依赖于信号的性质和采用的处理方法，没有单一的标准可用来精确测定所有系统的动态范围。事实上，信号处理系统设计的中心问题是对每一部分进行优化，使其能恢复出最大可能的信息。 (4)对数一致性误差在消除了参考电流误差和失调分量后，对数放大器输出端呈现的实际电压值与传输特性方程所算出的理想值的差值称为对数一致性误差。它与器件的动态范围、频率特性和温度密切相关。一个成熟产品的

55、对数放大器制造出来后其对数一致性误差也就响应的定了下来。因此，定义在一个可接受的误差范围内（比如3dB），相应的对数放大器的动态范围也就确定。 以上就是对对数放大器的介绍，要想通过单片机来实现其功能，必须要进行对采集到的信号的矩形脉冲的转换，在这用到了施密特触发器。下面介绍一下什么是施密特触发器。213.2.1.3 施密特触发器施密特触发器(Schmitt Trigger)是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈工

56、程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。22图3.10 施密特触发器的电路符号和电压传输特性上图就是施密特触发器的电路符号和电压传输特性。图3.11为光电检测电路。该检测电路是由放大器A，反馈电阻RF和CF组成，其输出电压为u1=SPRF，其中，S为光电池的灵敏度，P为入射光功率。在检测弱光信号时，RF为提高增益，RF的取值应选择尽可能大，放大器的输入偏置电流IB和输入失调电压VB对输出电压的影响分别为IBRF和(1+RF/RS)VB，RS为光电池内阻。可以看出，减小RF可以减少以上影响，但同时会减小电路的增益。解决这个问题需选择偏置电流和失调电压均很低的运算放大器。这里选用0PAlll型高精度运算放大器，其偏置电流约为0.8 pA，输入失调电压约100V。经过计算，RF的值取在几百M范围内时，上述影响可以近似忽略，能够满足电路的要求。图3.11光电检测电路由于光电转换电路的输出信号通常在mV数量级，且信号常常淹没在噪声中，因此前置放大部分需有较强的滤噪和放大能力。选用精密对数放大电路LOGl00与外围元件构成前置放大电路。图3.11虚线框内所示电路为LOGl00的简化内部电路，其动态输人范围1 nA1 mA，满跨度输出误差(FSO)低于037，