DOI :10.19557/jki.1001-9944.2021.05.006
李德英，李延康，易
涛，陈希祥
(湖南信息学院电子科学与工程学院，长沙410151)
摘要：汽车的照明系统是夜间驾驶员行驶的安全保障，该设计以STM32F407单片机为主控芯片，由模式选择、智能切换、双操作3个模块组成。通过对光电传感器、温湿度传感器DHT11及超声测距传感器采集的汽车行驶环境数据分析，实现汽车灯光系统的智能控制。该设计进行了硬件设计、程序开发、上位机监控界面设计，通过USART 串口实现上位机与系统之间的通讯。经过实物模型的测试结果表明，该系统能根据外部环境的变化，准确地选择最佳的灯光控制模式，具有操作简单、可靠性高、性能稳定、灵敏度高等特点，可适用于传统汽车灯光系统的智能化升级改造，具有推广应用价值。关键词：汽车灯光;STM32；单片机；传感器；智能控制中图分类号:TP277
文献标识码:A
文章编号:1001⁃9944(2021)05⁃0027⁃05
Design of Automobile Intelligent Lighting Control System Based on STM32
LI De ⁃ying ,LI Yan ⁃kang ,YI Tao ,CHEN Xi ⁃xiang
(College of Electronic Science and Engineering ,Hunan University of Information Technology ,Changsha 410151,China )
Abstract :The lighting system of the car is the safety guarantee of the driver driving at night.This design uses
STM32F407as the main control chip ,which is composed of three modules :mode selection ,intelligent switching and dual operation.By analyzing the data collected by photoelectric sensor ,temperature and humidity sensor DHT11and ultrasonic distance sensor ,the intelligent control of automobile lighting system is realized.This design includes hard ⁃ware design ,program development ,host computer monitoring interface design ,and communication between host comput ⁃er and system through USART serial port.The test results of the physical model show that the system can accurately select the best lighting control mode according to the changes of the external environment.It has the characteristics
of simple operation ,high reliability ,stable performance and high sensitivity.It can be applied to the intelligent up ⁃grading of the traditional automobile lighting system ,and has the value of popularization and application.Key words :automobile lighting ;STM32;single chip microcomputer ;sensor ;intelligent control
收稿日期:2021-01-25；修订日期:2021-03-15
基金项目：湖南省教育厅科学研究重点项目(19A349)；湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(19B396)；教育部协同育人项
目(201902165007)
作者简介：李德英(1968—)，女，硕士，教授，研究方向为智能控制、高性能计算等；李延康(1998—)，男，本科，研究方向为嵌
入式控制。
随着人民生活水平的提升，汽车总量日益增加，而夜间驾驶员不适当的灯光操作造成交通事故频发、年均交通事故也随之上升。如何提高汽车的安全性、减少交通事故的发生已经成为急需解决的难题[1]。本设计能根据环境变化而自动变换汽车灯
光系统，大大减少交通事故的发生。
1系统总体设计
1.1系统构成
汽车灯光智能控制系统由灯光模式选择模块、智
能会车模块、双操作模块3个模块组成。STM32F407单片机做为主控芯片，由超声波测距传感器、光电传感器、DHT11温湿度传感器等组成环境检测模块，将检测到的外部环境数据通过A/D 转换电路传送给单片机进行判断和处理后发出相应的控制指令，控制车灯做出相应的动作，实现灯光的智能控制。且采用QT 界面开发软件，设计开发了上位机监控界面，通过UART 串口通讯实现控制过程的可视化。本系统具有成本低、功耗低、安全可靠、智能可控等特点。系统组成框图如图1所示。
1.2主控芯片选型
STM32F407单片机具有高性能、运算速度快、功能强大等特点[2]，其片上外设包含AD 转化模块，以及PWM 脉冲调宽调频模块，内置定时器等功能模块，不需要外加扩展模块，最高运行速度可达到168MHz
的工作频率[3]
，能够达到项目所需的运算速度。
2系统硬件设计
本系统由STM32单片机、超声波测距、光照强
度检测、温湿度检测、按键模块等组成，其系统的硬件组成如图2所示。
2.1超声波测距电路设计
超声波测距的实现原理是在已知超声波的传播速度下，发射一定频率的声波，当声波在向前传
播时遇到障碍物，就会产生反射声波[4]，由超声波接收器接收，根据发射与接收这一过程的时间差，通
过时间差距离法计算得到发射点到障碍物之间的相对距离，如式(1)所示:
l=(T 伊C )/2
(1)
式中:l 为发射点与障碍物之间距离;T 为从计时器
获取声波发射与返回的时间差;C 为声波速率。
超声波在空气中传播的速率会随温度变化而发生变化。表1是波速C 与温度的对应关系表，在使用时，可使用温度补偿的方法提高测距精度。
STM32F407给US_025超声波测距传感器模块
提供10kHz 的时钟频率，经放大器放大、锁相环电路检波处理后达到40kMz [5]。超声波发射模块发射
声波,Echo 引脚变成高电平，触发相应中断程序,systick 计时器开始计时；当接收器接收到反射波,Echo 引脚变成低电平[6]，中断结束，得到发射和接收
的时间差，再通过算法计算得到车距数据，其原理如图3所示。
超声波发射电路原理如图4所示。超声波发射电路核心是由反相器74LS04和超声波发射换能器T 组成[7],40kHz 的方波信号一路通过一级反向器传输至超声波换能器一端电极，另一路通过两级反向器之后，送到超声波环能器的另一端电极。单片机时钟脉冲信号输出端采用推挽方式，提高电平输出能力和超声波发射信号的强度。信号流过两个反相器并联的二级反相器，可提高检超声波发射电路的驱动能力[8]。图中电阻R 10和R 11可提高反向器驱动
能力以及增强超声波环能器的阻尼效果，缩短自由震荡时间[9]。
本设计超声波检测模块使用的超声波换能器是压电式的，其内部核心器件是1个换能板和2个检测声波震动的压电晶片[10]。当做发射器时，超声波
汽车前灯换能器两端电极加上脉冲信号，当脉冲频率与压电
图1控制系统的整体结构框图
Fig.1Overall structure block diagram of control system
传
感器
灯光模式选择模块智能会车模块
双操作模块S T M 32
驱动电路
执行元件
图2系统整体硬件框图
Fig.2System hardware block diagram
上位机监控界面
按键模块
环境检测模块
汽车灯光控制汽车喇叭控制PWM 输出
Flash 闪存
STM32
表1超声波波速与温度的关系表
Tab.1Relationship between ultrasonic wave velocity
and temperature
温度/(℃)-30-20-100102030100声速/(m ·s -1
)
313
319
325
323
338
344
349
386
图3超声波测距原理框图
Fig.3Schematic diagram of ultrasonic ranging
超声波反射器
超声波接收器放大电路锁相环检波电路
单片机处理器
放大电路
图4超声波发射电路原理图
Fig.4Ultrasonic emission circuit schematic diagram
晶片的固有频率一致时，晶片就会产生共振现象，带
动共振板振动产生超声波[11]；当它做接收器时，两端电极没有脉冲信号加持，当共振板接收到超声波信号，会产生振动，带动压电晶片振动，压电晶片内部
就会将振动信号转换为微弱的电信号，经过放大电路，就能实现超声波接收功能。发射换能器与接收换能器的电路结构不同[12]，超声波接收器电路图如
图5所示。
2.2光照强度检测电路设计
光照强度是将光敏电阻与恒值电阻串联，利用光敏电阻的特性进行分压检测，读取分压电压后直接以AN 模拟信号的方式输入至单片机中[15]，以达
到检测光照强度的效果，在程序中可以通过上位机设定一个阈值，检测环境的光照强度有没有达到设定值，以此判定环境光线是较暗还是良好，单片机发布控制指令驱动LED 灯光模块做出相应的动作。其光照检测电路设计图如图6所示。
2.3温湿度检测电路设计
采用DHT11温湿度一体数字化传感器，对湿度数据进行采集,DHT11传感器核心测量元件是电阻式的测湿元件和NTC 测温元件[13]，在其内部有一个高性能的8位单片机控制。通过相应的电路连接就能达到实时采集模块所处环境的温湿度数据[14]。
3系统软件设计
3.1总体程序设计
系统要对DHT11温湿度传感器、光电传感器以
及超声波测距传感器和按键触发等输入模块采集到的数据进行分析处理后，发出控制指令，控制执行元件，实现汽车灯光的智能控制，图7为控制系统主体流程。
3.1.1
系统灯光模式选择模块
灯光模式选择模块根据光敏模块采集到的数
据与阈值进行比较确定开启远光灯还是近光灯，通过湿度传感器模块采集的数据与阈值进行比对确定是否需要开启雾灯及警示灯，其程序流程如图8所示。3.1.2
系统灯光智能会车模块
灯光智能会车模块需要调用光敏检测模块和
超声波测距模块，在远光灯模式行驶，当测距模块检测到前方来车时，远光灯的亮度会根据车距的缩小
向近光灯转化，灯光的亮度根据相对车距成正比变化，车距越小灯光亮度越趋近于近光灯，过程中会车光敏电阻检测对向车辆发出的光线强度，将检测数据与阈值比较，大于阈值则判断对向车辆未切换近光灯，系统开启2s 提示灯光。其程序流程如图9所示。
图5超声波接收电路图
Fig.5Ultrasonic receiving circuit diagram
图6光照检测电路设计图Fig.6Light detection circuit diagram
V CC
R 2
D 1
C 1C 2
D 2
R 1
I 3
I 4
I 1I 2
C B
A
3.3V
R
光敏电阻GM1
ADC 信号读取端
图7主体逻辑流程Fig.7Main logic flow chart
开始系统初始化读取Flash 中的
数据
系统灯光选择模块外部中断开关
智能灯光会车模块
外部中断入口双操作模块
返回
U4A U4B V CC
R 111k Ω
U4D U4C
74LS0474LS04
74LS04
U4E 10
6
435
11
8
9
2
1T
R 101k Ω
图8灯光选择模程序流程
Fig.8Flow chart of lighting selection mode
3.2上位机监控界面设计
上位机监控系统需实现STM32单片机采集数据的可视化以及各阈值设定功能等。需实现上、下位机间通讯、制定通讯协议、上位机监控主界面的布局设计以及上位机接收数据后的数据处理与显示。本设采用通用异步收发传输器(UART )进行全双工异步串行通讯方式实现数据的传输与
接收[16]。
4系统仿真测试
在光电传感器上加照射光线或者用不透光盒
子罩住，可模拟车辆夜间行驶的光照环境的优劣。用湿纸巾捂住温湿度传感器，检测的湿度数据会发生变化，可模拟汽车是否行驶在雾天或者非雾天。该模块的实物模型控制效果如图10所示。上位机监控效果如图11所示，笑脸图标代表相应车灯点亮，方块则代表车灯未点亮。当系统检测数据小于
光照强度设定值时，系统判断为汽车行驶于光照条件较好的环境中，湿度检测数据大于设定值时，系统判断为汽车行驶于雾天，此时系统如图11所示开启近光灯，示轮廓灯，雾灯以及警示灯。
5结语
本系统以STM32F407集成芯片作为核心，以电源电路、传感器、最小系统、按键电路以及执行机构等构成外围电路。设计了系统的主程序和各功能模块流程图、开发了QT 上位机监控界面，并采用自定义的通讯协议实现上位机于单片机的通讯，实现系统控制以及数据采集的可视化效果。经实践证明，该控制系统稳定可靠，故障率低，人机界面友好，操
图9灯光智能会车模块程序流程Fig.9Intelligent meeting flow chart
开始采集光照数据
小于设定值?
Y
N
开启远光灯模式
开启近光灯模式
采集湿度数据
大于设定值?
Y
N
雾天模式
结束
结束
开始采集车距数据
小于设定值?
N
Y
灯光开始变换
采集光照数据
大于设定值?
Y
N
开启提示灯
光
图10灯光模式选择效果图
Fig.10Lighting mode selection
renderings
图11灯光模式选择上位机监控效果图
Fig.11Light mode selection of the upper
computer renderings
由人工测试操作繁琐，数据分析困难、测试效率极低且容易出现漏测和误判带来的问题，充分发挥了自动测试的独特优势。在测试任务量大、周期要求紧的情况下，可以大大提高测试效率。如冗余后备测控装置全面测试项目，在未进行自动测试时一般测试员需要每天工作8小时，连续进行30天测试，而利用自动测试进行测试后仅需3天左右。本方案基于继电保护测试仪构建的自动测试系统，实现了各种配置
类型的测控装置闭环自动测试，尤其在多间隔冗余后备测控装置中发挥极大作用，通过大量试验证明该自动测试方法可有效节省测试人员工作时间，提高测试可靠性和测试效率。对智慧变电站冗余测控装置的现场调试、验收等工程实践具有参考意义。
参考文献:
[1]
王尚鹏，唐登平，雷鸣，等.智慧变电站计量系统综合误差模型研究[J/OL].电测与仪表,[2020-11-02].http ://knski/kcms/detail/23.1202.TH.20201030.1717.002.html.
[2]谭文兵，陈高辉，钱尚，等.环境友好型共享智慧变电站[J].电器工业,2020(7):76-78.
[3]
张颖，沈曦，黎其浩，等.基于马尔可夫逻辑树和系统脆性分析的智慧变电站协议延迟攻击检测与恢复模型[J].电力系统保护与控制,2020,48(3):113-121.
[4]李峰，易永辉，陶永健，等.智能变电站测控技术方案研究[J].电测与仪表,2013,50(7):118-122.
[5]黄雄，刘晓铭，郝永奇，等.智能变电站新型通用保护测控平台研制[J].电力系统自动化,2014,38(7):66-69+94.
[6]王勇，韩少晓，尚力，等.智能变电站监控系统新型体系架构研究与实践[J].电力系统保护与控制,2019,47(8):145-151.[7]蒋正威，杜奇伟，刘永新，等.智能变电站集测控系统的研究及应用[J].电力科学与工程,2014,30(11):27-30.
[8]蔡亮亮，龚世敏，唐斌，等.智能变电站虚拟后备测控单元自动投退及无缝切换技术研究[J].华电技术,2019,41(10):30-34.[9]
王永福，张方正，王亚飞，等.采用虚拟化技术的智能变电站间隔层集测控装置研制[J].电力系统自动化,2019,43(13):169-
176+190.
[10]熊剑，刘陈鑫，邓烽.智能变电站集中式保护测控装置[J].电力系
统自动化,2013,37(12):100-103.
[11]郑经荣，朱强，黄茂森.变电站测控冗余配置无缝切换研究[C].
2017智能电网信息化建设研讨会论文集.北京：中国电力科学
研究院,2017:34-36.
[12]应站煌，胡建斌，赵瑞东，等.继电保护装置自动测试系统研究和
设计[J].电力系统保护与控制,2010,38(17):142-146.[13]王忠，张晓莉，李忠安，等.继电保护装置自动测试系统设计[J].电力系统保护与控制,2015,43(5):130-135.
[14]刘巍，赵勇，石光.智能变电站继电保护装置一键式测试方法及
系统[J].电力自动化设备,2013,33(2):152-155.
[15]李保恩.智能变电站继电保护装置自动测试平台的研究和应用[J].电力系统保护与控制,2017,45(7):131-135.
[16]浮明军，刘昊昱，董磊超.智能变电站继电保护装置自动测试系
统研究和应用[J].电力系统保护与控制,2015,43(1):40-44.[17]温东旭，杨辉，王旭宁，等.电力保护装置保障性自动测试方案研
究与实践[J].电力系统保护与控制,2015,43(10):135-138.
■
(上接第10页)作方便，具有较高的实用价值。
参考文献:
[1]胡品超.基于单片机的汽车智能前照灯系统的研发[D].武汉：武汉理工大学,2011.
[2]翟羽佳，刘雨佟，汪凡.基于STM32F103单片机的汽车前照灯智能控制系统的设计与实现[J].科技与创新,2019(7):54-55.[3]孙祝兵，高鹏.一种汽车LED 前照灯智能控制系统[P].CN2016⁃10518187.3.2016-07-05.
[4]魏丹，张忠洋，王冬梅，等.一种基于车辆多角度防止追尾碰撞的预警装置[P].CN201621187462.X.2016-11-04.
[5]黄会明，傅丽贤.汽车灯光智能控制系统设计[J].数控技术与应用,2018,36(9):12-14.
[6]冯乾隆，程吉鹏，党美婷，等.一种基于双目摄像头的车辆防碰撞预警装置[P].CN201721701105.5.2017-12-08.
[7]蔡光昭，洪远泉，周永明.基于STM32的超声波测速测距系统设计[J].现代电子技术,2014(24):95-97.
[8]
杨鑫玙，喻秋山，季伟驰，等.超声测距测速系统的设计及应用
[J].物理实验,2018,38(11):39-44.
[9]
刘楚红，董镇，钱宇捷，等.基于Arduino 的倒车雷达系统设计[J].现代电子技术,2014(17):148-150.
[10]李寿涛，杨铭，杨蕊嘉，等.智能小车自主避障及定位系统[P].CN201621159923.2.2016-10-25.
[11]Zhijie ,Zhao ,Bo ,et al.Design and Implementation of Intelligent
Lighting Ducontrol System for Speech Recognition Based on Arduino [C]//20183rd International Conference on Materials Science ,Machinery and Energy Engineering ,2018:153-160.[12]夏晓枫，杨佳丽，宁维阳，等.超声波定位智能小车自动跟随算法[J].科技资讯,2019,17(7):31-32+34.[13]王玥，张海.STM32自主定位的小车导航系统设计[J].单片机与
嵌入式系统应用,2015,15(12):19-22.[14]蒋伟.基于GPS 定位的智能跟随小车设计[J].数字化用户,2018,24(7):44-45.
[15]Zhu Y.Research on the Application of Chinese Folk Art Pat ⁃terns in Animation Design[J].国际技术管理,2017(2):21-23.[16]陈乐鹏，谭晓东，曹江浩，等.超声波定位系统智能跟随小车设计
[J].科技创新与应用,2019(35):24-26.
■
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