某重型商用車自動(dòng)調(diào)光遮陽(yáng)板控制電路設(shè)計(jì)

肖 飛，張西超，尤成江，馮 哲，李 超

某重型商用車自動(dòng)調(diào)光遮陽(yáng)板控制電路設(shè)計(jì)

肖 飛1，張西超*2，尤成江2，馮 哲1，李 超1

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545005； 2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

文章提出一種自動(dòng)調(diào)光遮陽(yáng)板的控制電路設(shè)計(jì)方案，使用可以靈活調(diào)節(jié)透光度的EC-SPD調(diào)光玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車遮陽(yáng)板，使用某重型商用車駕駛室內(nèi)12 V直流電路供電，單片機(jī)根據(jù)GY-302數(shù)字型光敏傳感器所檢測(cè)到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，在PWM信號(hào)的控制下，橋式電路將駕駛內(nèi)的12 V直流電轉(zhuǎn)換成0～10 V交流電，然后輸送給調(diào)光玻璃，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)板根據(jù)不同光照強(qiáng)度進(jìn)行不同程度的遮光功能。除自動(dòng)調(diào)節(jié)功能外，該電路同時(shí)支持手動(dòng)按鍵調(diào)節(jié)功能。該設(shè)計(jì)具有成本低廉、體積小巧、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，方便集成到某重型商用車駕駛室內(nèi)部，通過(guò)簡(jiǎn)單的串并聯(lián)改進(jìn)和駕駛內(nèi)其他傳統(tǒng)玻璃的簡(jiǎn)單改裝即可完成與智能座艙的融合，提升駕駛安全與乘坐的舒適性。

自動(dòng)調(diào)光；遮陽(yáng)板；EC-SPD調(diào)光玻璃；PWM

近年來(lái)，隨著汽車數(shù)量的日益增多導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，部分交通事故是由于駕駛員眼睛受到異常光線照射所導(dǎo)致[1]，因此大部分車輛都裝有車載遮陽(yáng)板，然而傳統(tǒng)的遮陽(yáng)板通常存在兩方面弊端，一是傳統(tǒng)遮陽(yáng)板需要手動(dòng)反轉(zhuǎn)，分散駕駛員注意力；二是傳統(tǒng)遮陽(yáng)板采用不透光材質(zhì)，雖然遮擋了光線，但也遮擋視野，不利于安全駕駛[2]。由此可見(jiàn)傳統(tǒng)遮陽(yáng)板在實(shí)際應(yīng)用中效果欠佳。

為了解決上述傳統(tǒng)遮陽(yáng)板存在的諸多弊端，本文使用一款可以靈活調(diào)節(jié)透光度的EC-SPD調(diào)光玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)遮陽(yáng)板。該調(diào)光玻璃的透光度隨著電壓增大逐漸降低，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遮光功能[3]。

該新型調(diào)光遮陽(yáng)板需要使用0～10 V交流電供電，而駕駛室內(nèi)由車載蓄電池提供的電壓均為直流電，因此需要橋式電路在調(diào)制策略的控制下將其轉(zhuǎn)化為交流電，常見(jiàn)的調(diào)制策略有脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation, PWM）、基于載波的正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）、電壓空間矢量調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）和虛擬空間矢量調(diào)制（Virtual Space Vector Modulation, VSVM）[4-6]等。一般來(lái)說(shuō)，在要求低成本且對(duì)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter, DAC）精度要求不高時(shí)采用PWM調(diào)制[7]，則本文使用PWM調(diào)制控制該新型遮陽(yáng)板的透光度。

1 控制原理

1.1 控制電路原理

單片機(jī)選用STC生產(chǎn)的STC8H3K64S2，該單片機(jī)具有超高速8051內(nèi)核（1T），比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快約12倍以上，且內(nèi)部集成高精度IRC誤差為±0.3%，在線編程（In-System Programming, ISP）編時(shí)4～45 MHz寬范圍可選，不需要外部提供晶振和復(fù)位電路，可以進(jìn)一步節(jié)省商用生產(chǎn)時(shí)的成本和擴(kuò)大該單片機(jī)體積較小的優(yōu)勢(shì)，方便集成安裝于某重型商用車駕駛室內(nèi)部。同時(shí)此單片機(jī)還具備8路高級(jí)PWM、5個(gè)16位定時(shí)器，并提供19個(gè)中斷源，滿足本次設(shè)計(jì)要求的同時(shí)還具備后續(xù)擴(kuò)展完善的空間[8]。與其他單片機(jī)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：成本低廉、體積小節(jié)省空間、響應(yīng)快速、大容量靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)（Static Random Access Memory, SRAM）等。本文就是通過(guò)該單片機(jī)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，控制后續(xù)電路產(chǎn)生合適電壓，完成對(duì)新型遮陽(yáng)板遮光度的控制?？刂圃砣鐖D1所示。

圖1 控制原理圖

圖1中，按鍵KEY1控制自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)光模式的切換，在手動(dòng)調(diào)光模式下，按鍵KEY2和KEY3分別控制遮陽(yáng)板透光度的增減；而在自動(dòng)調(diào)光模式下，單片機(jī)根據(jù)GY-302數(shù)字型光敏傳感器所檢測(cè)到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)控制PWM2P、PWM4P兩個(gè)端口產(chǎn)生不同的調(diào)制信號(hào)。后續(xù)橋式電路在PWM調(diào)制信號(hào)的控制下將駕駛室內(nèi)12 V/24 V直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后經(jīng)過(guò)保護(hù)電路輸送到新型調(diào)光遮陽(yáng)板，以此控制遮陽(yáng)板在不同光照情況下進(jìn)行相應(yīng)程度的遮光，確保駕駛?cè)藛T所受光線照射情況始終處于舒適范圍。

1.2 EC-SPD調(diào)光玻璃控制原理

該新型調(diào)光玻璃由玻璃、乙烯-醋酸乙烯共聚物膠片和EC-SPD調(diào)光膜組成，利用懸浮粒子設(shè)備（Suspended Particle Device, SPD）的感光特性，在不通電時(shí)粒子呈同向排列，進(jìn)而透過(guò)光線。在通電后，根據(jù)不同的電壓懸浮粒子進(jìn)入不同程度的混亂排列狀態(tài)，該調(diào)光玻璃的透光度將隨著供電電壓的升高而逐漸降低。本文所使用的EC-SPD調(diào)光玻璃使用10 V及以下的交流電供電，表1為本文所使用的調(diào)光玻璃電壓-透光率關(guān)系表。

表1 調(diào)光玻璃透光度與有效供電電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

項(xiàng)目名稱參數(shù) 供電電壓/V02410 透光率/%26153.51.8

由表1可知，該調(diào)光玻璃透光度與供電電壓不成線性關(guān)系。此外還與調(diào)壓方式有關(guān)，本文使用PWM調(diào)制控制供電電壓，若使用SPWM、SVPWM、VSVPWM或者PAM調(diào)制，相同電壓下的透光率將有略微出入。某公司提供的調(diào)光玻璃測(cè)試樣品，在不通電狀態(tài)下的透光率較低，實(shí)際成品的最高透光率在50%～68%之間[4]。經(jīng)過(guò)實(shí)車觀察測(cè)試，在強(qiáng)光照射狀態(tài)下，26%透光度仍可以清晰觀察路面情況。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 橋式電路設(shè)計(jì)

EC-SPD調(diào)光玻璃需要0～10 V的交流電控制其透光度，故需橋式電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，橋式電路原理如圖2所示。在一個(gè)周期內(nèi)：1）若PWM2P輸出高電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1為高電平，OUT2為0；2）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1、OUT2均為0；3）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出高電平，則輸出端OUT1為0，OUT2為高電平；4）若PWM2P輸出低電平，PWM4P輸出低電平，則輸出端OUT1、OUT2均為0。以上四步為一個(gè)周期產(chǎn)生矩形波交流電，再以STC8H3K64S2控制PWM的周期及高低電平占空比，即可完成對(duì)新型自動(dòng)調(diào)光遮陽(yáng)板的控制。

圖2 橋式電路圖

2.2 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

本次電路設(shè)計(jì)適用于某款重型商用車，該車型駕駛室內(nèi)提供12 V/24 V兩種供電線路，且后續(xù)移植到其他車型時(shí)還需適配其他多種供電模式，因此，需要添加降壓穩(wěn)壓模塊，將駕駛室內(nèi)提供的不同電壓降至5 V后提供給單片機(jī)及其他模塊。

本次設(shè)計(jì)采用友臺(tái)半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的LM2576S-5.0降壓穩(wěn)壓模塊，該模塊接受最高40 V的寬范圍輸入電壓，滿足絕大多數(shù)車型駕駛室內(nèi)提供的各種電壓線路。且僅需提供4個(gè)外部元件，可以盡可能減小電路板體積，方便集成安裝。降壓穩(wěn)壓電路原理如圖3所示。

圖3 降壓穩(wěn)壓電路原理圖

LM2576模塊VIN接口連接駕駛室供電路線，并通過(guò)一個(gè)100 μF的電解電容接地；OUTPUT接口經(jīng)過(guò)100 μH的電感連接到+5 V輸出端口，另一邊通過(guò)肖特基二極管接地；COMMON接口接地；FB接口連接+5 V輸出端口；ON/OFF接口接地；TAB接口懸空。

同時(shí)注意到目前有部分新型乘用車駕駛室內(nèi)電壓從之前的12 V提升到48 V[9]。此時(shí)該降壓穩(wěn)壓器將不再適用，但該系列降壓穩(wěn)壓器同時(shí)提供60 V高版本器件，但價(jià)格略高，出于后期商用考慮，本文僅使用低壓版本。

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，橋式電路的兩個(gè)輸出端口OUT1和OUT2會(huì)產(chǎn)生0～10 V的交流電，在電源突然關(guān)閉的瞬間可能會(huì)發(fā)生自感現(xiàn)象，為了防止自感電壓損壞電路，需要增加4個(gè)續(xù)流二極管，釋放能量，起到保護(hù)電路作用。保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 保護(hù)電路原理圖

3 控制程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序流程如圖5所示，程序開(kāi)始時(shí)首先進(jìn)行初始化：將調(diào)節(jié)模式設(shè)置為手動(dòng)模式，PWM調(diào)制信號(hào)占空比設(shè)置為0，此時(shí)控制電路輸出電壓為0，新型調(diào)光遮陽(yáng)板處于未供電狀態(tài)，透光率處于最高狀態(tài)。并將GY-302光敏傳感器、定時(shí)器中斷、IO口等進(jìn)行初始化。

圖5 主程序流程圖

然后檢測(cè)當(dāng)前調(diào)光模式，如果為手動(dòng)模式，對(duì)按鍵KEY2和KEY3進(jìn)行監(jiān)控，如果KEY2按下則提高PWM調(diào)制信號(hào)占空比，即提高輸出電壓，降低遮陽(yáng)板透光度；如果KEY3按下則降低PWM調(diào)制信號(hào)占空比；如果當(dāng)前為自動(dòng)調(diào)光模式，則調(diào)用GY-302數(shù)字型光敏傳感器檢測(cè)當(dāng)前駕駛室內(nèi)光線強(qiáng)度，根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比，完成自動(dòng)調(diào)光功能。

最后檢測(cè)切換模式按鍵KEY1是否按下，如果按下則切換調(diào)光模式，并循環(huán)執(zhí)行。

3.2 光強(qiáng)檢測(cè)程序

使用GY-302數(shù)字型光敏傳感器獲取當(dāng)前駕駛室內(nèi)光線強(qiáng)度。模塊內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog To Digital Conv- erter, ADC）采集、晶振等組成。光電二極管（Photo Diode, PD）通過(guò)光生伏特效應(yīng)將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大電路后，由ADC采集電壓，然后通過(guò)邏輯電路轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部的寄存器中，獲取光強(qiáng)程序及其注釋如圖6所示。

圖6 獲取駕駛室內(nèi)光強(qiáng)程序

3.3 生成PWM調(diào)制信號(hào)程序

根據(jù)上述GY-302數(shù)字型光敏傳感器所獲取的光強(qiáng)信息，實(shí)時(shí)改變PWM調(diào)制信號(hào)的占空比，以此控制EC-SPD調(diào)光玻璃的供電電壓，進(jìn)而合理控制其遮光度，確保經(jīng)過(guò)新型遮陽(yáng)板遮光后的光線強(qiáng)度不超過(guò)3 000 lx，保證駕駛安全。

1）初始化。將橋式電路的兩個(gè)控制端PWM2P、PWM4P初始化為0（即斷電狀態(tài)，此時(shí)新型遮陽(yáng)板處于未供電狀態(tài)），將使能端En初始化為1（即使能狀態(tài)）。

2）PWM調(diào)制信號(hào)更新。根據(jù)前文所述，PWM調(diào)制信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)分為4種狀態(tài)（實(shí)際為3種，因?yàn)榈?、4種狀態(tài)相同），如圖7所示。因此，在一個(gè)周期內(nèi)需要更改四次PWM2P、PWM4P的輸出情況，所以設(shè)計(jì)程序使用定時(shí)器中斷0完成每個(gè)周期內(nèi)的調(diào)制信號(hào)更新，更新程序如圖8所示。

圖7 調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)狀態(tài)圖

圖8 調(diào)制信號(hào)更新程序

3.4 模式切換程序

設(shè)計(jì)的控制電路除了具備自動(dòng)調(diào)節(jié)新型遮陽(yáng)板的透光度功能之外，同時(shí)支持手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，PWM調(diào)制信號(hào)分為4個(gè)擋位，4個(gè)擋位的占空比分別為0%、10%、15%、75%。使用圖1中KEY1切換手動(dòng)、自動(dòng)模式，KEY2、KEY3兩個(gè)按鍵控制擋位的增減。

4 測(cè)試

所設(shè)計(jì)的控制電路及新型調(diào)光遮陽(yáng)板安裝到某款重型商用車上進(jìn)行測(cè)試，遮光效果達(dá)到預(yù)期要求，變光反應(yīng)靈敏，該電路設(shè)計(jì)滿足日常駕駛所需功能。表2為PWM占空比、輸出電壓、透光率對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 PWM占空比、輸出電壓、透光率對(duì)應(yīng)關(guān)系

PWM占空比/%輸出電壓/V原始光強(qiáng)/lx遮光后光強(qiáng)/lx透光率/% 0047 20012 11025.66 60.847 20012 09025.61 101.447 20011 13023.58 152.047 2007 15015.15 202.747 2003 9778.43 253.447 2002 3905.06 304.047 2001 6723.54 354.747 2001 3362.83 7510.047 2008661.83

如前文所述，所使用的調(diào)光玻璃為調(diào)試樣品，最高透光率僅為26%，如圖9所示。根據(jù)《汽車車窗玻璃遮陽(yáng)膜》（GA/T 744－2013）[10]，本文所使用的調(diào)光玻璃屬于Ⅲ類遮陽(yáng)膜，改用成品后透光率可提升至50%～68%，此時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定屬于Ⅱ類遮陽(yáng)膜，實(shí)用性將進(jìn)一步提升。

圖9 新型遮陽(yáng)板透光率與電壓關(guān)系圖

5 總結(jié)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，汽車前擋風(fēng)玻璃僅能使用Ⅰ類遮陽(yáng)膜，即透光率需不低于78%，因此，本文所使用的調(diào)光玻璃不能恒處于展開(kāi)狀態(tài)，尚需手動(dòng)反轉(zhuǎn)，對(duì)此筆者做兩點(diǎn)展望：1）設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，控制該遮陽(yáng)板的自動(dòng)展開(kāi)和收起；2）等待調(diào)光玻璃生產(chǎn)工藝提升，當(dāng)最高透光率超過(guò)78%后該新型遮陽(yáng)板即可貼合于前擋風(fēng)玻璃之上，此時(shí)便可實(shí)現(xiàn)無(wú)需手動(dòng)反轉(zhuǎn)和自動(dòng)調(diào)光功能。

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Design of Control Circuit for Automatic Dimming Sun Visor of a Heavy Commercial Vehicle

XIAO Fei1, ZHANG Xichao*2, YOU Chengjiang2, FENG Zhe1, LI Chao1

( 1.Commercial Vehicle Tech Center, Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited, Liuzhou 545005, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China )

In this paper, a control circuit design scheme of automatic dimming sun visor is proposed.The EC-SPD dimming glass that can flexibly adjust the light transmittance is used to replace the traditional car sun visor.The 12V DC circuit in the cab of a heavy commercial vehicle is used to supply power. The microcontroller generates the corresponding pulse width modulation (PWM) signal according to the light intensity data detected by the GY-302 digital light sensor. Under the control of the PWM signal, the bridge circuit converts 12V DC power in the driver into 0～10V AC power,which is then transmitted to the dimming glass to realize the shading function of the sun visor according to different light intensity.In addition to the automatic adjustment function, the circuit also supports the manual key adjustment function.This design has the advantages of low cost, small size, flexible control, etc. It is convenient to integrate into the cab of a heavy commercial vehicle. Through simple series parallel improvement and simple modification of other traditional glass in the cab, it can complete the integration with the intelligent cabin, and improve driving safety and riding comfort.

Automatic dimming; Sun visor;EC-SPD dimming glass; PWM

U462

A

1671-7988(2023)17-65-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.011

肖飛（1986－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯逃密囍悄軆?yōu)化控制研究，E-mail:531386789@qq.com。

張西超（1998－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄荞{駛，E-mail:qbyzjsz@163.com。

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)（AA22068001）；廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（AB21196029）；柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022 AAA0102、2021AAA0112）。