Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар

       УДК  621.316.541.1 – 181.48:629.113

       Аннотация 
 

       В проекте представлена краткая характеристика микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар. Разработаны функциональная, электрическая схемы на базе микроконтроллера Atmega 128 и выбрано оборудование. Выбрано устройство  питания, элементы  и датчики системы.

         В экономической части определяется заработная плата персонала, себестоимость системы, а также определена точка безубыточности методом CVP-анализа. Рассматриваются вопросы по безопасности жизнедеятельности. 
 

       The summary 
 

       In the project the enterprise краткая характеристика complexes microcontroller control by Atmega 128 are developed  фар. Calculations of functional block, electrical diagram of automobile protected  system on the basis microcontroller control by Atmega 128 are developed  фар. Power supply as well as sensor system are considered.

       In an economic part the cost a wage fund of the personnel is defined price system and also calculation point capital by method CVP-analyze. Questions on safety of ability to live are considered.

        Содержание 

       Стр.

Введение……………………………………………………………………………6

1 Обзор  по теме и определение структуры  системы……………………………8

1.1 Общие  сведения………………………………………………………………..8

1.2 Обзор  современных датчиков, микроконтроллеров и других устройств..10

1.3 Определение  структуры системы…………………………………………….18

2 Алгоритмы работы системы……………………………………………………..21

2.1 Основной  алгоритм работы системы…………………………………………21

2.2 Алгоритмы  обработки сигналов датчиков…………………………………..25

2.3 Алгоритм оценивания скорости по показаниям положений………………..26

3 Разработка схемы электрической принципиальной……………………………30

3.1 Выбор  микроконтроллерного комплекта……………………………………30

3.2 Выбор датчика угла поворота рулевого колеса……………………………..38

3.3 Выбор датчиков углов поворота фар…………………………………………40

3.4 Выбор датчиков углов положения кузова…………………………………….40

3.5 Выбор  датчика скорости……………………………………………………….43

3.6 Синтез принципиальной схемы………………………………………………..44

3.7 Программа  генерации ШИМ сигнала………………………………………..49

4 Технико-экономическое обоснование работы…………………………………52

4.1 Анализ соотношения затрат и прибыли………………………………………52

4.2 Графический метод CVP-анализа……………………………………………..56

5 Безопасность и экологичность …….………………………………………….59

5.1 Системный анализ  опасных и вредных факторов………………………….59

5.2 Разработка мероприятий по безопасности…………………………………..61

5.3 Технические мероприятия……………………………………………………62

5.4 Пожарная безопасность………………………………………………………63

5.5 Защита окружающей природной среды…………………………………….66

Заключение…………………………………………………………………………69

Список  литературы………………………………………………………………..71

Приложение  А. Список используемых сокращений…………………………….73 

        Введение 
 

       Дипломная работа  на тему “Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар” по  специальности  140607 ”Электрооборудование автомобилей и тракторов” выполнена на кафедре электротехники и мехатроники в соответствии с приказом  ректора ТТИ ЮФУ  №     от    .    .2010г.

       В настоящее время все большее  внимание производителями автомобилей  уделяется обеспечению безопасности движения. Развиваются системы пассивной и активной безопасности, системы сигнализации и предупреждения. В последнее время много внимания уделяется новым аспектам безопасности, в частности контролю состояния водителя, адаптации автомобиля к условиям движения.

На безопасность движения в ночное время суток существенное влияние оказывают условия освещенности дороги. Современные адаптивные системы освещения, позволяют поворачивать фары только в горизонтальной плоскости. При движении автомобиля по наклонной поверхности, на дорогах в горах необходимо поворачивать фары, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Современные микроконтроллеры позволяют выполнять регулировку фар автоматически без участия человека.

       Тема дипломной работы “Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар”, актуальна и значима для настоящего времени, поскольку решает обозначенную проблему.

       Объектом  исследований является электрооборудование автомобиля.

       Предмет исследований микроконтроллерная система автоматической регулировки фар для освещения дорожного полотна движущимся автомобилем.

       Целью дипломной работы является разработка такой микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар, которая обеспечит адаптацию света фар в соответствии с условиями движения автомобиля, к которым следует отнести – скорость движения, направление движения, положение кузова автомобиля относительно земли.

       Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

       – рассмотреть особенности существующих современных систем и провести их сравнительный анализ;

       – определить структуру системы в соответствии с заданием;

       – разработать общий алгоритм работы системы;

       – разработать алгоритмы обработки  сигналов датчиков;

       – разработать алгоритмы косвенных измерений скорости по положениям кузова автомобиля;

       – выбрать базовый микропроцессорный  комплект и элементную базу разрабатываемого устройства;

       – разработать схему электрическую принципиальную устройства;

       – рассчитать соотношения затрат и прибыли;

       – выбрать метод для определения  безубыточности реализации  системы, в которой наступает окупаемость издержек и есть прибыль;

         – провести системный анализ  опасных и вредных;

       – определить мероприятия по безопасности;

       – разработать дерево отказов.

       Научная новизна работы состоит в том, что разработаны общий алгоритм работы системы и алгоритмы обработки сигналов показаний датчиков в пределах технологических границ.

       Практическая  ценность работы состоит в том, что  разработанная микроконтроллерная система автоматической регулировки фар реализована на комплектующих элементах и составных частях,  выпускаемых промышленностью.

       Методическим  обеспечением разработки являются справочники, учебная, периодическая литература, ГОСТ, нормативные и законодательные положения, интернет  ресурсы и другие источники.

        1 Обзор по теме и определение структуры системы

       1.1 Общие сведения 
 

       В наше время современный автомобиль представляет собой сложную систему, оснащенную электронными и автоматическими системами, которые предназначены для улучшения динамики автомобиля, его экологичности, стабильности движения, комфорта водителя и пассажиров, безопасности.

       Качественное  освещение автомобилем дорожного полотна в темное время суток является одним из важнейших требований безопасности и должно соответствовать любой дорожной ситуации. Системы головного освещения автомобилей обязаны учитывать особые режимы освещения в городе, на развилках и перекрестках, сельской дороги и при разъезде со встречным транспортом и в соответствии с конкретной обстановкой изменять настройку фар, чтобы они, "прощупывали" будущую траекторию движения автомобиля.

       Попытки повернуть фары автомобиля вслед  за рулем люди начали предпринимать  сразу после появления самих  фар. Ведь это удобно – освещать ту часть дороги куда едешь. Однако механическая связь фар и руля не позволяла соотносить угол поворота лучей света со скоростью движения, и правила начала века "адаптивный" свет просто запрещали. Попытку возродить идею осуществила Cibie. В 1967г. Французы представили первый механизм динамической регулировки угла наклона фар, а через год на Citroen DS начали ставить поворотные фары дальнего света.

       Теперь  идея поворотного освещения возрождается на новом, "электронном", уровне. Самое  простое решение – дополнительная "боковая" лампочка, которая загорается при повороте руля или включенном "поворотнике" на скорости до 70км/ч.

       Следующая ступень – действительно поворотные фары. В них прожектор ближнего/дальнего света поворачивается с учетом скорости движения и угла поворота рулевого колеса. Поворотные фары с автоматическим управлением имеют режимы ближнего и дальнего света и постоянно корректируют свое положение в зависимости от скорости движения автомобиля. Другими словами, при движении на высокой скорости положение фар меняется быстрее, а при более медленном движении поворотный механизм снижает скорость поворота фар. В результате световой пучок фар распределяется в соответствии с изменением "сектора обзора" водителя при маневрах на любой скорости. Такими системами оснащаются, в наше время, большинство автомобилей, начиная от престижных и дорогих марок Mercedes, BMW, Lexus и заканчивая популярными автомобилями Opel.

       Подобные  системы открывают новую эру  в технологии освещения, давая возможность  использовать различные функции  фар и позволяя автоматически регулировать освещение к дорожной ситуации.

       Последнее поколение регулируемых фар связано  с использованием светодиодных ламп, которые включаются группами в зависимости  от режима движения автомобиля. Данное направление является наиболее перспективным. Однако поворотные фары также остаются актуальными, пока стоимость светодиодных ламп достаточно высока.

       Система автоматического управления светом является сегодня одним из важных направлений повышения комфорта и надёжности автомобильных систем. Актуальность данной тематики очевидна, поскольку в настоящее время развитие автомобильной бортовой электроники имеет колоссальные масштабы. Главной идеей такого развития является роль человека в управлении агрегатами автомобиля с целью снижения утомляемости водителя, повышения комфортабельности и безопасности.

       Согласно  последним данным федерального бюро статистики Российской Федерации, более 40 процентов автомобильных аварий со смертельным исходом происходят ночью, несмотря на то, что в это  время суток загруженность дорог на 80 процентов меньше, чем днем. И это неудивительно.  Визуально водитель воспринимает 90 процентов всей необходимой дорожной информации. Научные исследования показали, что этот показатель снижается до 4-процентного уровня в условиях плохой видимости в ночное время суток.  Адаптивная система головного освещения повышает безопасность в условиях плохой видимости, особенно осенью и зимой. Таким образом, применение новых фар позволяет взгляду водителя точно следовать траектории движения автомобиля в повороте и лучше концентрировать свое внимание на дороге. Поворотные фары с автоматическим управлением улучшают освещение дороги в направлении движения почти на 90 процентов.

       Очевидно, что существует острая необходимость  в создании устройств подобного типа, имеющих еще большую эффективность, поэтому целью данной работы является создание микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар. 
 

       1.2 Обзор современных датчиков, микроконтроллеров и других устройств 
 

       Современной тенденцией является использование микроконтроллерной и микропроцессорной техники, которая обеспечивает быструю, точную и надежную обработку данных и гибкость за счет возможности программирования требуемых операций. Основным устройством микропроцессорной управляющей системы является программируемый однокристальный микроконтроллер, построенный на базе современной микропроцессорной техники, который обладает развитыми интерфейсами, позволяющими осуществлять не только обработку данных, но обмен информацией, считывание датчиков, передачу управляющих сигналов, связь с электронным блоком управления автомобиля.

       По  конструктивному признаку микроконтроллеры можно разделяются на:

       – однокристальные с фиксированной разрядностью (8 бит, 16 бит, 32 бит) и определенной системой команд;

       – многокристальные (секционные) микроконтроллеры с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением.

       В настоящее время контроллеры  строятся на основе RISC архитектуры, то есть, процессоров, выполняющих более ограниченный набор команд, но с высокой производительностью. Кроме того, основным типом в настоящее время являются без аккумуляторные котроллеры, в которых операции выполняются над любым регистром общего назначения. В таких контроллерах резко уменьшено число операций пересылки данных, что повышает их производительность. С точки зрения организации чтения данных и команд контроллеры строятся по гарвардской архитектуре, которая характеризуется наличием отдельный шин данных и команд, что также повышает производительность.

       Основными характеристиками микроконтроллера являются быстродействие, разрядность, объем памяти и интерфейсы.

       Быстродействие  – это число выполняемых операций в секунду. В настоящее время контроллеры обладают высоким быстродействием, достаточным для решения большинства задач автоматизированного управления автомобильными системами.

       Разрядность характеризует объём информации, который микроконтроллер обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор  за одну операцию обрабатывает 8 бит  информации, 32-разрядный – 32 бита. Скорость работы микроконтроллера во многом определяет быстродействие

       всей  системы. Он выполняет всю обработку  поступающих данных и хранящихся в его памяти, под управлением  программы, также хранящейся в памяти.

       Внутренняя  шина данных соединяет собой основные части микроконтроллера. В микроконтроллерной системе используется три вида шин: данных, адресов и управления. Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности cлов, которыми оперирует микроконтроллер. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного микроконтроллера внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь ввиду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые операционным устройством слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру. Шина данных микроконтроллера работает в режиме двунаправленной передачи, то есть по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно.

       Для обеспечения работы микроконтроллера необходима программа, т. е. последовательность команд, и данные, над которыми процессор  производит предписываемые командами  операции. Основная память, как правило, состоит из запоминающих устройств (ЗУ) двух видов оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).

       Рабочая программа должна храниться в  постоянном запоминающем устройстве. Постоянное запоминающее устройство содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения микроконтроллером программы. Такую информацию составляют стандартные подпрограммы, табличные данные, коды физических констант и постоянных коэффициентов и т. п. Эта информация заносится в ПЗУ предварительно, и в ходе работы микроконтроллера может только считываться. Таким образом, ПЗУ работает в режимах хранения и считывания. Для того чтобы программу можно было легко модифицировать, лучше, использовать перепрограммируемые ПЗУ, Т.е. ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство).

       Для хранения промежуточных результатов вычислений используется ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микроконтроллером вычислительных операций с данными. Это значит, что микроконтроллер может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат. Причем возможно размещение в ОЗУ новых данных на местах прежних, которые в этом случае перестают существовать. Таким образом, ОЗУ может работать в режимах записи, считывания и хранения информации.

       К микропроцессору ОЗУ и ПЗУ  для передачи данных подключаются через  шину данных (ШД). Обращение к ячейкам  памяти осуществляется с помощью адресов, передаваемых микропроцессором по шине адреса (АД). Для выполнения операций чтения или записи микропроцессор вырабатывает специальные управляющие сигналы (RD, WR), выборка ОЗУ или ПЗУ осуществляется микропроцессором с помощью сигналов выборки (CS_RAM, CS_ROM), а ЗУ сообщают о своей готовности к выполнению операций записичтения с помощью сигнала готовности. Такие сигналы объединяются в шину управления (ШУ).

       Источником  информации для микропроцессора  являются датчики, позволяющие получать информации о состоянии управляемого объекта, а также положении исполнительных устройств, Т.е. через датчики осуществляется обратная связь объекта управления с устройством управления. Рассмотрим какие датчики могут быть использованы в системе управления поворотом фар автомобиля.

       Датчики системы. Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

       Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики – с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

       Датчик  – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) В сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

       Используемые  датчики весьма разнообразны и могут  быть классифицированы по различным признакам.

       В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают датчики:

1. механических перемещений (линейных и угловых);
2. пневматические;
3. электрические;
4. расходомеры;
5. скорости;
6. ускорения;
7. усилия;
8. температуры;
9. давления и другие.

       По  виду выходной величины, в которую  преобразуется входная величина, различают неэлектрические и  электрические: датчики постоянного  тока (ЗДС или напряжения), датчики  амплитуды переменного тока (ЗДС  или напряжения), датчики частоты  переменного тока (ЗДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

       Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

       – электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

       – электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

       – они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

       По  принципу действия датчики можно  разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной  величины в электрический сигнал.

       Параметрические датчики входную величину преобразуют  в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или С) датчика.

       Различают три класса датчиков:

       – аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

       – цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или

       двоичное  слово;

       – бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, О или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

       Требования, предъявляемые к датчикам:

       – однозначная зависимость выходной величины от входной; стабильность – характеристик во времени;

       – высокая чувствительность;

       – малые размеры и масса;

       – отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

       – работа при различных условиях эксплуатации;

       – различные варианты монтажа [5].

       Итак, датчики служат для преобразования неэлектрических показателей в электрические требуемыми параметрами.

       Для рассматриваемой системы используемыми  датчиками являются:

       – датчик угла поворота рулевого колеса;

       – датчики положения кузова;

       – датчики углов поворота фар.

       Задача  датчиков угла поворота рулевого колеса (ДУПРК) и положения кузова (ДУПК) – измерение точного угла поворота оси привода рулевого механизма и положения кузова в двух осях, соответственно. Существует несколько разновидностей таких датчиков: оптические, магниторезистивные, с использованием специальных потенциометров и т.д. Выберем одну из популярных моделей высокоточного бесконтактного датчика угла поворота, использующего эффект Холла, что гарантирует долгий срок его эксплуатации. Хотя можно использовать любую разновидность датчиков угла поворота, главным определяющим фактором является точность измерения и, конечно, цена.

       Датчик  угла поворота фары (ДУПФ) служит для  обеспечения обратной связи, он фиксирует  поворот прожектора фары и передаёт информацию об угле поворота фары микроконтроллеру. Датчик полностью идентичен датчику  угла поворота рулевого колеса. Датчика угла поворота фары должно быть четыре: по два на каждый поворачивающийся прожектор фары.

       Как было сказано, для определения угла поворота фар необходимы данные скорости и угла поворота рулевого колеса. Датчики  угла поворота фар и рулевого колеса выдают постоянное напряжение, зависящее от угла поворота. Для обработки информации от этих датчиков процессором системы необходимо преобразовать аналоговые значения с этих датчиков в цифровые при помощи АЦП.

       Сигнал, поступающий с датчика скорости, является частотным. На входы микроконтроллера должна поступать информация в виде цифровых кодов, поэтому сигнал с датчика необходимо преобразовать в код с помощью преобразователя частота-код.

       Амплитуда выходных сигналов датчиков зачастую приблизительно равна напряжению борт сети 12В, а это требует преобразования уровня этих сигналов до 5В, для чего используются преобразователи уровня сигнала.

       Сигналы с органов управления, к которым (в нашем случае) относится сигнал с выключателя поворота и выключателя внешнего освещения, также имеют напряжение равное напряжению питания борт сети – 12 В или 24 В. Т.к. входные сигналы микроконтроллера должны иметь уровни, не превышающие напряжения его питания, составляющее обычно 5 В, следовательно, необходимо преобразовать уровень сигнала от выключателя указателя поворота в уровень входных – сигналов микроконтроллера. Для этого используется преобразователь уровня дискретного сигнала.

       Для микроконтроллера нагрузкой являются устройства, потребляющие значительные токи (электродвигатели и осветительные лампы), поэтому необходимо устройство позволяющее подключать нагрузки, например коммутационные ключи или твердотельные реле, которые управляются сигналами с малыми токами (не более 20мА), а коммутируют на нагрузку сигналы с большими токами (более 0,5А). Так же им, выходным усилителям, необходимо напряжение питания бортовой сети автомобиля + 128.

       Система управления поворотом фар, для обмена данными, должна иметь связь с  другими электронными блоками автомобиля, а так же возможность проведения диагностики системы. Для этого лучше использовать контроллер CAN. CAN – технология получила всемирное признание как очень универсальная, эффективная, надежная и экономически приемлемая платформа для почти любого типа связи данных в передвижных системах, автомобилях, техническом оборудовании и индустриальной автоматизации. Передача данных процесса, данных ввода-вывода между устройствами распределенной системы - цель системы на основе CAN протокола [2].