基于單片機(jī)的汽車智能高位剎車燈控制器設(shè)計(jì)

彭湘靈

摘 ?要：本作品是一種新型汽車智能高位剎車燈控制器，通過對(duì)OBD接口讀取汽車行駛數(shù)據(jù)（節(jié)氣門開度、汽車車速等信息），通過綜合運(yùn)算與處理后，控制汽車高位剎車燈進(jìn)行各種不同的工作狀態(tài)，達(dá)到警示后方駕駛員的目的。

關(guān)鍵詞：OBD數(shù)據(jù)讀取;智能高位剎車燈;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：U468.2 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0081-02

Abstract： This work is a new type of intelligent high position brake lamp controller. Through the OBD interface， it it able to read the vehicle driving data （throttle opening， vehicle speed， etc.）， and through the comprehensive operation and processing， it can control the car high brake lamp for a variety of different working conditions， so as to achieve the purpose of warning the rear driver.

Keywords： OBD data reading; intelligent high brake lamp; single chip microcomputer

1 研究背景

在國(guó)內(nèi)外因汽車引起的各類交通事故中，追尾事故所占比例較大，在高速公路上，追尾事故更列為首位，因汽車在高速行駛時(shí)，后車駕駛員不能準(zhǔn)確判斷前車的行駛狀態(tài)，無法提前采取預(yù)防措施，只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷，以致容易造成事故的發(fā)生。

目前，汽車的剎車燈是由制動(dòng)踏板控制的，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，剎車燈開關(guān)閉合，剎車燈亮，提醒后面來車，這種剎車提供的信號(hào)與汽車制動(dòng)動(dòng)作同時(shí)產(chǎn)生，不能預(yù)警也不能閃爍?，F(xiàn)有的第三高位剎車燈，在實(shí)際運(yùn)用中只起到了強(qiáng)化剎車燈的作用，起不到剎車提前警告和提示駕駛動(dòng)態(tài)的作用。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，高速公路通車?yán)锍淘龆啵囆旭偹俣扔泻艽筇岣?，為了保證行車安全，防止交通事故的發(fā)生，迫切需要對(duì)原來僅靠剎車燈來顯示汽車剎車制動(dòng)狀態(tài)的狀況進(jìn)行改進(jìn)。

汽車的油門踏板和制動(dòng)（剎車）踏板是由駕駛員右腳控制的，在汽車行駛過程中，駕駛員的右腳長(zhǎng)時(shí)間放在油門踏板上，當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，必須松開油門踏板后，再踩下制動(dòng)踏板，這段時(shí)間一般在0.5秒左右。在高速公路上行駛的汽車車速一般在100km/h左右，即每秒約30m，如果提前0.5秒采用措施，則可增加約15m的安全距離，從而大大減少追尾事故及減輕交通事故的危害程度，減少生命財(cái)產(chǎn)的損失。

綜上所述，研究一個(gè)能檢測(cè)汽車行駛狀態(tài)、汽車故障等信息，功耗低、控制功率小，安裝無損、便捷的高位剎車燈控制器具有十分重要的意義。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 功能描述

（1）無損加裝原則。本控制器加裝時(shí)無損安裝，不影響原車剎車燈的控制，高位剎車燈在原車制動(dòng)控制時(shí)具有優(yōu)先原則。（2）提前預(yù)警。駕駛員松開加速踏板后、踩下制動(dòng)踏板前，高位剎車燈在松開加速踏板后能立即以3Hz頻率閃動(dòng)，提前提示后面車輛。此步驟比傳統(tǒng)汽車制動(dòng)時(shí)能提前至少0.5秒的時(shí)間警示后方車輛。（3）辨別緊急制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員緊急制動(dòng)時(shí)，高位剎車燈以10Hz頻率閃動(dòng)，提示后車注意。（4）故障自動(dòng)警示。車輛有故障存在時(shí)，高位剎車燈“3短、3長(zhǎng)、3短”閃動(dòng)，警示后車輛。（5）緩解視力疲勞。車輛長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，高位剎車燈在制動(dòng)10秒后進(jìn)入“呼吸”（由亮到暗，由暗到亮）狀態(tài)，以緩解后方車輛駕駛員的視力疲勞。

2.2 基本思路

（1）利用汽車車載OBD接口讀取汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)節(jié)氣門開度、車速等數(shù)據(jù)判斷汽車是否處于急減速和松油狀態(tài)，預(yù)判駕駛員的操作意圖，從而提前控制高位剎車燈工作，并提示后方駕駛員提前采取措施，利用OBD接口利用外接OBD解碼芯片對(duì)OBD協(xié)議進(jìn)行解碼，同時(shí)利用單片機(jī)讀取汽車行駛數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算后控制高位剎車燈進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。（2）考慮到無損安裝問題，將控制系統(tǒng)分為OBD讀取和高位剎車燈控制器兩大部分，由315MHz無線傳送數(shù)據(jù)。考慮到高位剎車控制器取電問題，為了不破壞原車的線路，也不額外增加原車用電設(shè)備的負(fù)荷，增加4600mAH，12V電池給高位剎車控制器供電。

3 硬件設(shè)計(jì)

汽車智能高位剎車燈控制器由OBD數(shù)據(jù)讀取和高位剎車燈控制裝置兩大部分組成。OBD數(shù)據(jù)讀取裝置由OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)、315MHz無線模塊組成，高位剎車燈控制裝置由控制系統(tǒng)、電池、315MHz無線模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路組成?？傮w設(shè)計(jì)組成框圖如圖1所示。

3.1 控制系統(tǒng)

單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心單元，采用STC公司的STC15W408AS系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)結(jié)合了AVR與51單片機(jī)，具有高速度、低電壓、低功耗、大電流驅(qū)動(dòng)能力和內(nèi)部集成AD、PWM等電路。

OBD數(shù)據(jù)讀取裝置中的控制系統(tǒng)用于讀取汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)算控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)、檢測(cè)汽車啟動(dòng)狀態(tài)從而判斷是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)后系統(tǒng)將斷開315MHz無線模塊電源，減少能源損耗。

高位剎車燈控制裝置中的控制系統(tǒng)檢測(cè)315MHz無線模塊數(shù)據(jù)，控制高位剎車燈進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。檢測(cè)汽車啟動(dòng)狀態(tài)從而判斷是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)后系統(tǒng)將斷開315MHz無線模塊電源，減少能源損耗。

3.2 OBD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

該模塊實(shí)現(xiàn)一頭連接汽車OBD診斷接頭，然后另一頭將獲取到的車輛信息，通過串口的形式輸出，主要檢測(cè)車輛的數(shù)據(jù)如表1所示。

? ? 通過操作使用MCU或者外界串口，發(fā)送AT命令到模塊，模塊會(huì)返回車輛數(shù)據(jù)，操作特別方便。AT命令詳解如下：（所有AT指令以/r/n結(jié)束）

示例：$OBD-RT，12.2，6627，68，33，16，68，38

解析：電瓶電壓12.2V，轉(zhuǎn)速6627轉(zhuǎn)，車速68km/h，節(jié)氣門開度33%，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷16%，冷卻液溫度68℃，剩余油量38%。

3.3 電池供電

采用4600mAH，12V電池給高位剎車燈控制器供電，經(jīng)測(cè)試高位剎車燈控制器待機(jī)電流為0.04A，控制高位剎車燈工作時(shí)的平均電流為0.06A（高位剎車燈控制時(shí)均為閃動(dòng)狀態(tài)提醒后車駕駛員），電池在控制系統(tǒng)檢測(cè)到松油后給高位剎車燈提供能量，但在駕駛員踩下制動(dòng)踏板后電池由供能器件變?yōu)楹哪芷骷ǔ潆姡员ＷC電池有足夠的能量供給控制系統(tǒng)待機(jī)。

3.4 保護(hù)電路

保護(hù)電路由自恢復(fù)二極管、電壓檢測(cè)電路、喚醒電路組成。自恢復(fù)二極管串聯(lián)在電池和原高位剎車燈控制電路中，以保護(hù)控制器或高位剎車燈短路情況發(fā)生。電壓檢測(cè)電路時(shí)刻檢測(cè)電池電壓情況，若出現(xiàn)電池潰電后，將斷開無線模塊電源，以減少待機(jī)電流，保障快速充電，但此時(shí)并不影響原剎車電路功能。喚醒電路檢測(cè)原剎車電路電壓，當(dāng)控制系統(tǒng)處于休眠后，若檢測(cè)到原車剎車信息將喚醒控制系統(tǒng)處于正常待機(jī)狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)到節(jié)氣門關(guān)閉后將進(jìn)行休眠狀態(tài)，同時(shí)將無線模塊的供電斷開，以減少停車時(shí)對(duì)電池消耗，保障系統(tǒng)能被再次喚醒并提供安全服務(wù)。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)汽車剎車燈存在的一些問題一直困擾著汽車使用者，通過對(duì)目前市場(chǎng)上的汽車剎車燈預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了深刻剖析后創(chuàng)新設(shè)計(jì)本作品，使作品具有如下特點(diǎn)：（1）安全性。本作品對(duì)原車電路零破損，同時(shí)加入了自恢復(fù)保險(xiǎn)避免電路過流情況的發(fā)生，杜絕短路后造成的破壞性損害，另加入了電池電壓檢測(cè)、電池過充、過放保護(hù)電路，使電池能安全穩(wěn)定的工作。本作品待機(jī)功率約0.3W，工作時(shí)最高功率約1W，休眠時(shí)功率約1mW，屬于微小功率控制器件，避免了因本身功率過大或控制汽車大功率器件的有損汽車安全性加裝。（2）便捷性。本作品設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，以客戶使用體驗(yàn)感為出發(fā)點(diǎn)，在無損加裝理念的指導(dǎo)下本作品設(shè)計(jì)成插接式接口，按車型不同定制不同的高位剎車燈插接頭。加裝時(shí)，輕松兩步解決問題：一是在汽車OBD接口上插上OBD數(shù)據(jù)讀取裝置;二是斷開原車高位剎車燈連接頭，將高位剎車燈控制裝置串進(jìn)原車高位剎車燈控制線路即可。因采用與原車接頭同型號(hào)插接頭，因此在串進(jìn)原車線束時(shí)不需要斷線操作，僅需對(duì)接插頭就可以。本作品的便捷安裝性使每一位車主都能自已加裝，方便快捷且安全可靠。隨時(shí)隨地安裝與拆除，拆除時(shí)僅對(duì)接插接頭即可恢復(fù)原車原樣。（3）可靠性。OBD接口本為汽車故障讀取口，理論上分析長(zhǎng)時(shí)間占用OBD接口讀取數(shù)控、控制汽車電腦是會(huì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因汽車在設(shè)計(jì)過程中就已考慮到該問題的存在，特設(shè)立CAN線網(wǎng)關(guān)來保護(hù)汽車電腦不被外界設(shè)備干擾?；谏鲜鰡栴}本作品設(shè)計(jì)為僅讀取數(shù)據(jù)，不對(duì)汽車電腦進(jìn)行任何控制性操作，以此對(duì)汽車電腦進(jìn)行多重保護(hù)，以確保行車安全。

本作品僅控制高位剎車燈，對(duì)原車制動(dòng)燈不采取任何控制操作，確保在本作品發(fā)生不可預(yù)計(jì)故障導(dǎo)致高位剎車燈無法點(diǎn)亮或常亮?xí)r，也會(huì)不影響汽車制動(dòng)燈的正常工作，確保安全。通過對(duì)電路、程序、元器件、控制邏輯的不斷優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品的反復(fù)測(cè)試、老化實(shí)驗(yàn)等，以此來降低高位剎車燈無法點(diǎn)亮或常亮的故障發(fā)生率。

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