基于微控制器的新型智能车灯控制系统的设计与实现

1、第39卷第2期吉林大学学报(工学版Vol.39No.22009年3月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition Mar.2009收稿日期:2007208224.基金项目:吉林省教育厅科研计划项目(2005082.作者简介:周求湛(19742,男,副教授,博士.研究方向:微弱信号检测.E 2mail :tongxin 通信作者:吴丹娥(19852,女,硕士研究生.研究方向:微弱信号检测.E 2mail :wudane_200401基于微控制器的新型智能车灯控制系统的设计与实现周求湛1,吴丹娥1,王淼石2,张秀媛1

2、,刘富1(1.吉林大学通信工程学院,长春130022;2.吉林大学电子科学与工程学院,长春130012摘要:研制了一种自动控制车辆前灯的装置,通过感受外界光线来控制车辆灯光的变化。考虑了行车时会遇到的各种灯光环境,经过神经网络的训练使分类的正确率达到98%以上,能够保证根据不同的环境作出快速、准确的判断。采用微控制技术对车辆前灯进行控制,使手动和自动兼容。它能模仿司机的实际控制思维,使控制效果最大限度地接近实际操作,同时能排除各种杂散光的干扰,误判率低,抗干扰性强,广泛适用于各种车型。关键词:自动控制技术;微控制器;智能车灯;神经网络;B P 算法中图分类号:TP183文献标识码:A 文章编号

3、:167125497(2009022*Design and implementation of novel intelligent lightingcontrol system based on micro 2control unitZHOU Qiu 2zhan 1,WU Dan 2e 1,WAN G Miao 2shi 2,ZHAN G Xiu 2yuan 1,L IU Fu 1(1.College of Comm unication Engineering ,J ilin Universit y ,Changchun 130022,China;2.College of Elect roni

4、cScience and Engineering ,J ilin Universit y ,Changchun 130012,China Abstract :An intelligent lighting cont rol system based on t he micro 2cont rol unit (MCU was developed to cont rol t he headlight s of t he vehicle.The system controls t he change of t he lighting power by sensing t he ambient lig

5、ht.After t he t raining of t he applied neural network ,t he accuracy of t he classification rate for t he various t raffic lighting environment s encountered during vehicle driving may reach above 98%,being able to make quick and accurate decision for t he headlight cont rol.The system uses t he MC

6、U technology ,being co mpatible for bot h manual and automatic controls.It imitates t he act ual contol t hinking of t he driver ,makes t he cont rol effect close as much as po ssible t he p ractical requirement.Additionally ,it can avoid t he dist urbance of t he various st ray light s wit h low mi

7、sjudgment rate ,can be widely used in various types of vehicle.K ey w ords :automatic cont rol technology ;micro 2cont rol unit (MCU ;intelligent lighting ;neural network ;BP algorit hm交通报曾经报道1,我国夜间发生的交通事故,其中有70%左右是由于驾驶人员违章使用灯光造成灯光眩目而无法看清前方路面情况而造成的。在汽车夜间行驶会车时,两车远灯强光相互第2期周求湛,等:基于微控制器的新型智能车灯控制系统的设计与实现

8、照射,造成驾驶人员目眩而无法看清前方路面情况,由此导致的交通事故频频发生。据资料统计2,当视距大于100m时,事故率下降幅度随视距增加而趋缓;当视距大于600m时,事故率基本不变;雨天交通事故的发生率约为平时的5倍,夜间重大交通事故的发生率约为白天的3倍,而近40%的夜间交通事故与驾驶员不正确使用灯光有关。本文研制了智能车灯控制器,能对环境和行车状况自动作出判断,并根据需要自动控制车灯,它利用传感器技术、微处理器技术和电子电路技术实现精确感测和判断,应用人工智能技术来辨别环境,自动选择适宜的灯光模式,实现车辆前灯的全程自动控制。该控制器能够模仿司机的实际控制思维,有效地辅助驾驶员工作,减轻驾驶

9、员负担,避免了由于操作人员疏忽等因素而导致的违章使用灯光,可有效降低因车灯使用不当造成的交通事故率。1智能车灯控制系统该系统是根据光电传感器和温湿度传感器检测外界环境光线的变化和汽车行驶的状态把接收到的信号转化为电压信号,并对这些信号进行分析判断,进而控制车灯的远近光灯、雾灯开启和关闭,远近光灯切换等功能。系统结构如图1所示 。图1智能车灯控制系统结构简图Fig.1Diagram of the intelligent lighting control system 1.1系统的工作原理通过外置的传感器感测环境光线强弱、光线实时变化情况和外界的天气情况,把感测到的信号转化为电压信号,作为神经网络

10、的输入。由神经网络按照事先对测得数据已经划分好的类进行分析归类,判断出汽车所处的行车环境(白天、雨雾天气、夜晚的市区、夜晚的郊外、夜晚会车、进入隧道等等,在与内置的特征参数进行对比后发送灯光控制指令给车灯控制开关。如果检测到光探测器输出的电压高于一定值时,单片机控制继电器的常开触点闭合,汽车变为近光灯;如果光探测器的电压低于一定值时,汽车变为远光灯;若电压介于二者之间,则继电器保持原来状态,汽车车灯不发生变化,这样就实现车辆前灯的全自动控制。此外,本控制器是并接在车灯线路上的,并有手控操作检测电路,不改变汽车原有的线路和操控习惯,能够自动识别并排除一些短时偶发性的外界干扰。1.2系统的基本功能

11、(1自动开关灯:可以根据环境光线和行车环境,自动判断是否开启或关闭灯光。当探测器检测到光线不足时,自动开启近光灯,光线足够时自动关灯;汽车白天过隧道,进入地下停车场,夜幕降临时,自动开启示宽灯、近光灯。暴雨或大雾等恶劣天气、较弱光照时,自动开启近光灯和雾灯。(2自动变光:光线变化时,汽车灯光自动变化。夜间行驶在有路灯的市区,则自动为近光;夜间行驶在郊区公路、长途公路或者乡村公路上,自动变换为远光灯。夜间会车时,两车相距150m 或者更近,系统自动变为近光状态;会车完毕自动恢复到远光灯状态。(3手动和自动兼容:在不影响原车手动功能的情况下,可以随时从自动状态切换到手动状态,能够满足各种情况的需求

12、。2系统的硬件设计硬件主要由光照探测传感装置、逻辑判断控制电路和车灯控制开关三部分组成。2.1光照探测和温、湿度传感装置这部分电路主要是用于探测外界的光线强弱以及温、湿度情况,把测得的数据以电压的形式传输到逻辑判断控制电路,再由逻辑判断控制电路对这些数据进行处理。光照探测装置采用3DU系列的光敏三极管,它是通过一块基极上的聚光镜,将光聚集在发射结上,打破发射结内电场的动态平衡,使发射极电流发生变化。选用P T100集成温度传感器,它的测温范围很大,适合在汽车上使用,主要是对外界的温度进行检测。湿度传感器选择的是IH3605,它的工作温度为-4085,同时能够把电压放大输出,不需要额外设计放大电

13、路。2.2逻辑判断控制电路它是本系统的核心部分,光敏三极管和温、湿度传感器检测到的信号转化为电压后,送入这部184吉林大学学报(工学版第39卷分电路,它把接收到的电压与事先划分好的类进行匹配,判断汽车所处的行车环境,进而驱动车灯控制开关完成车灯的开启、关闭及远近光变换324。这部分的功能由单片机以及辅助算法来实现,本系统单片机选取的是f reescale 公司的16位微控制器MC9S12D G128。这是一个在汽车行业应用较广的单片机,内部包括SPI 、SCI 、IIC 、A/D 、PWM 等接口模块,可以在不同的系统中灵活地发挥作用,它的各接口模块也有利于其他功能的扩展,具有强抗干扰能力和高

14、可靠性等优点,控制车灯电路的示意图如图2所示。 图2GZ 16控制车灯电路示意图Fig.2Diagram of the GZ 16lighting control circuit 算法要在单片机中实现,系统采用Codewarrior for HCSl2作为推荐的程序编译软件。本文在Codewarrior 软件中使用C 语言对单片机编程,实现车灯的控制。2.3车灯控制开关用于完成汽车的远近光灯、雾灯的开闭以及远近光灯的切换。由单片机I/O 口的输出电压经过功率驱动芯片,驱动继电器来控制车灯的开启和关闭,由继电器的位置来控制车灯的远近光变换。继电器位于常闭触点时,汽车远光灯开启;位于常开触点时,近

15、光灯开启。继电器位于常开或常闭触点由单片机输出的电压来决定,即单片机判断所处的行车环境应进行哪种操作,从而来控制车灯的变化。3系统的软件设计要实现车灯的控制,首先要对汽车所处的行车环境作出判断。这就需要对光的强度进行划分,区分出何时需要开远光灯、近光灯、示宽灯及完成灯光的切换。这部分工作需要进行实际实验,对数据进行采集,划分成不同的类,然后对传感器输出的电压信号进行识别,判断出它所属的类,进而对车灯进行控制。本文采用BP 神经网络算法对输入信号分类,进而对智能车灯系统进行控制526。3.1Matlab 程序设计把传感器输出的温度、湿度、光强的值作为神经网络的输入,把所处的行车环境作为期望输出,

16、在各种环境下测得足够多、具有代表性的温度、湿度、光强数据作为训练样本进行学习7。通过输入信号的正向传播和输出误差的反向传播来不断调整各神经元间的权值,以减小期望输出与实际输出之间的误差,达到训练样本的目的,最后得到温度、湿度、光强与行车环境之间的映射关系。只要输入温度、湿度、光强的数值,根据这种对应关系,就可以得到输出样本应属的类,即得到汽车所处的行车环境,进而知道应该对车灯进行哪种操作,实现对车灯的自动控制。用Matlab 进行网络训练的主要代码如下:net.trainParam.epochs =100;net.trainParam.goal =0.001;net =t rain (net

17、,p ,t ;y =sim (net ,p 其中:p 为输入向量;t 为目标向量。训练结果如图3所示,经过4次训练后,误差达到规定要求,此时分类正确率为98.23%。图3网络的训练误差Fig.3T raining error of the netw ork3.2单片机程序设计分类完成后,采用C 语言进行编程来实现灯光的变换。其中包括车灯的开启、关闭,由远光变为近光和由近光变为远光,只有当它们各自满足所需条件时,才能进行灯光的切换。软件完成的功能有:系统的初始化;采集光敏三极管和温、湿度传感器输出的电压;主程序循环。主程序流程图如图4所示。284第2期周求湛,等:基于微控制器的新型智能车灯控制系

18、统的设计与实现 图4主程序流程图Fig.4Main flow chart由远光变近光的条件包括:光强。两辆车相向而行,当检测到光强超过某一值时,由远光变为近光。光强的变化率。在实际中,可能两辆车的灯光亮度不同,假设A 车车灯比B 车亮,当两车相遇时,B 车接收到的光强先超过一定阈值进而切换成近光。此时,A 车接收到的光强始终达不到阈值,车灯不发生变化,这是不允许的。因此,为了解决这一问题,引入了光强的变化率。当两车正常行驶时,检测到的光强缓慢增加,光强变化率很小。但是,当其中一车由远光变为近光时,另外一车感受到的光强就会突变,这时该车也应由远光切换为近光。由近光变远光的条件:两车变为近光后,光

19、敏三极管检测到的光强信号比较弱,但当两车的近光灯区交汇时,光强将突然增大,即光强的变化率会超出一定阈值。当满足这个条件时,时延t 后,把近光切换为远光。远近光切换的流程图如图5所示。 图5远近光切换流程图Fig.5Flow chart of the headlamp switching4结束语本智能车灯控制系统以Freescale 公司的MC9S12D G128单片机为核心器件,能对车辆前灯进行控制。经过神经网络对输入样本的训练使分类的正确率达到98%以上,能够保证操作效果最大限度地接近司机的实际操作,同时它的手动和自动控制功能兼容,在自动控制的同时不改变手动控制的习惯,具有可靠性高、成本低、

20、使用寿命长等优点。其智能调配的能力完全符合实际需要,并能省时省力,提高了系统的可靠性。由于该单片机具有许多其他接口模块,还可以根据需要采用其他模块进行通信,只要编写相应的程序,便可实现根据外界环境的变化改变车灯。同时,它的安装及使用方便,适用范围广,可以应用于各种车型,以减轻驾驶员的负担。参考文献:1郑乃金.智能灯光系统的发展、功能及技术动向J .世界汽车,1999,6(1:18221.Zheng Nai 2jin.The development ,f unction and tech 2nical tendency of intelligence lighting system J .World Automobile ,1999,6(1:18221.2王雪松.夜间行车用灯有学问J .汽车运用,2005,12:35.Wang Xue 2song ,Traffic lig