基于ATmega8L的智能LED緊急剎車燈的設(shè)計

1 引言
    汽車發(fā)生追尾的真正原因是因為前后車“剎車不同步”。急剎車時，后車司機(jī)始終滯后于前車，對于120 km／h的車速，需要向前多沖17米。哪怕向前少沖1米,也許就少發(fā)生一場追尾事故。LED車燈具有反應(yīng)速度快,辨識效果好，耐震性強(qiáng)等特性。智能LED緊急剎車燈系統(tǒng)是在車輛緊急剎車時，利用LED車燈優(yōu)異的特性快速點亮剎車燈,警示后車，從而避免事故發(fā)生。本文以ATmega8L單片機(jī)為核心給出一種智能LED剎車燈的設(shè)計方案，該系統(tǒng)設(shè)計利用加速度傳感器迅速獲取車輛加速度的變化，并將結(jié)果傳輸至ATmega8L單片機(jī)，ATmega8L單片機(jī)再對接收到的信息進(jìn)行判斷、處理，并根據(jù)結(jié)果決定是否點亮緊急剎車燈。

2 器件選型
2．1 ATmega8L簡介
    本系統(tǒng)設(shè)計選用美國Atmel公司推出的AT-mega8L器件,它是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器,增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī),片上Flash存儲器附在用戶產(chǎn)品中，可隨時編程,易于用戶產(chǎn)品設(shè)計，便于產(chǎn)品更新。AT-mega8L具有先進(jìn)的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。同時,ATmega8L內(nèi)部集成有增強(qiáng)RISC 8位CPU與在線系統(tǒng)編程和應(yīng)用編程的Flash存儲器，使其成為功能強(qiáng)大的單片機(jī),為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活且低成本的解決方案。
    ATmega8L內(nèi)含8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1KB SRAM,32個通用I／O端口線，32個通用工作寄存器，3個具有比較模式的靈活的定時器／計數(shù)器(T／C)，片內(nèi)／外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口,10位6路(8路為TQFP與MLF封裝)A／D轉(zhuǎn)換器，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，以及5種可通過軟件選擇的省電模式。
2．2 MMA1260D簡介
    本系統(tǒng)設(shè)計選用MMA1260D作為加速度傳感器。MMA1260D是一款1．5 g的z軸向加速度傳感器，它由G-單元和信號調(diào)理ASIC電路兩部分組成。其中，G-單元是機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體制作技術(shù)、由多晶硅半導(dǎo)體材料制成，并且密封。而信號調(diào)理ASIC電路是由積分、放大、濾波、溫度補(bǔ)償、控制邏輯和EEPROM相關(guān)電路、振蕩器、時鐘生成器、以及自檢等電路組成，用于完成G-單元測量的電容值向電壓輸出的轉(zhuǎn)換。
    G-單元相當(dāng)于在兩個固定的電容極板中間放置一個可移動的極板。當(dāng)加速度作用于系統(tǒng)時,中間極板偏離靜止位置。利用中間極板偏離靜止位置的距離測量加速度，中間極板與一個固定極板的距離增加，而與另一個固定極板的距離減少，且距離變化值相等。距離的變化使得兩極板間的電容改變，電容值的計算公式：C=Ae／D,其中A是極板的面積，D是極板間的距離，e是電介質(zhì)常數(shù)。信號調(diào)理ASIC電路將G-單元測量的兩電容值轉(zhuǎn)換為加速度值，并使加速度與輸出電壓成正比。濾波單元由二階開關(guān)電容濾波器組成，用Bessel實現(xiàn)平穩(wěn)的延時響應(yīng)，從而將脈沖完整保留。自檢單元用于保證G-單元和加速計中的電路工作正常,在G-單元中有4個極板,當(dāng)ST引腳施加高電平時，校準(zhǔn)電壓加在自檢極板和中間極板之間，在電場的作用下使中間極板移動，由信號調(diào)理ASIC電路測得的偏移應(yīng)與輸出電壓成比例。

3 硬件電路設(shè)計
    本系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路主要是由單片機(jī)控制電路、傳感器與單片機(jī)的接口電路、電源電路、發(fā)光二極管陣電路等組成。圖1所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖。

3．1 單片機(jī)控制電路
    單片機(jī)控制電路由Atmel公司的ATmega8L型單片機(jī)、濾波電容和A／D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，用于采集加速度傳感器信號，將采集到的信號與預(yù)先設(shè)置的閾值相比較，控制發(fā)光二極管的閃爍，如圖2所示。ATmega8L每個端口引腳都有3個寄存器位：DDxn、PORTxn和PINxn。DDxn位于DDRx寄存器,PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。DDxn用于選擇引腳方向，DDxn為“1”時，Pxn設(shè)置為輸出，否則設(shè)置為輸入。當(dāng)引腳置為輸入時，PORTxn為“1”，上拉電阻使能。如果需要關(guān)閉該上拉電阻，可將PORTxn清零，或者將該引腳置為輸出。復(fù)位時各引腳為高阻態(tài),即使此時并沒有時鐘在運行。當(dāng)引腳配置為輸出時，若PORTxn為“1”,引腳輸出高電平，否則輸出低電平。ATmega8L判斷和處理加速度傳感器MMA1260D測得的信息，若能滿足條件則通過PD0、PD1、PD2引腳產(chǎn)生3路信號施加到3個繼電器依次對內(nèi)、中、外三圈的LED燈進(jìn)行點亮與熄滅控制。若不滿足條件，則ATmega8L不
輸出信號。

3．2 傳感器與單片機(jī)的接口電路
    MMA1260D加速度傳感器對汽車加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過ATmega8L的PC0端口(ADC0)傳輸至ATmega8L，MMA1260D加速度傳感器的輸出電壓與加速度成正比。為了測量加速度傳感器的輸出電壓，通常使用帶有A／D的微控制器,具體連接如圖3所示。VOUT與A／D IN引腳之間的RC具有濾波，用于減小時鐘噪聲。加速度傳感器與微控制器之間不能存在大電流。電源與地之間的0．1 μF電容為去耦電容。加速度傳感器要盡可能的靠近微控制器放置。同時為了使體積盡可能小,器件通常選用表貼封裝。

3. 3 穩(wěn)壓電源電路
    穩(wěn)壓電源電路由7805組成，可將外接電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5 V電源，并由VOUT輸出，向ATmega8L和MMA1260D提供穩(wěn)定的5 V電源。該電路主要由二極管、電阻、三端穩(wěn)壓管、電容構(gòu)成。當(dāng)緊急剎車時，+12 V先通過電阻降壓(主要是為了三端穩(wěn)壓管散熱)，然后再通過三端穩(wěn)壓管電路穩(wěn)定于+5 V，并與單片機(jī)、發(fā)光二極管及加速度傳感器電路連接。
3．4 發(fā)光二極管陣電路
    發(fā)光二極管電路由LED、二極管和電阻構(gòu)成，LED車燈的放置遵循由內(nèi)到外擺成3圈，用于緊急剎車燈時由內(nèi)→中→外→內(nèi)循環(huán)點亮熄滅，且亮度較高，以此警示后面的司機(jī)注意剎車。該電路主要由ATmega8L單片機(jī)的3個引腳控制，其LED車燈放置如圖4所示。

4 軟件設(shè)計
    根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計的相關(guān)要求，軟件設(shè)計用于完成系統(tǒng)的初始化、對加速度傳感器信號提取與分析，并根據(jù)設(shè)置的門限來決定是否點亮緊急燈。系統(tǒng)軟件流程設(shè)計如圖5所示。通過對ATmega8L進(jìn)行嵌入式C語言編程，實現(xiàn)緊急剎車燈功能。一旦系統(tǒng)滿足門限條件，軟件編程可使內(nèi)、中、外三圈燈通過延時不斷以高亮度閃爍，并循環(huán)判斷條件來決定是否繼續(xù)點亮剎車燈，這樣就易于引起后面汽車司機(jī)的警覺。一旦門限條件不滿足，剎車燈熄滅，單片機(jī)繼續(xù)等待中斷。

5 結(jié)束語
    本文討論基于ATmega8L的智能LED緊急剎車燈的方案，簡要介紹了系統(tǒng)各個硬件模塊，利用中斷控制來增強(qiáng)小車的智能性，并給出系統(tǒng)軟件設(shè)計流程。該系統(tǒng)各部分功能模塊化，易于調(diào)試，易于擴(kuò)展其他功能。本設(shè)計應(yīng)用前景良好。避免汽車追尾事故的發(fā)生，尤其是在夜晚，具有良好的安全效應(yīng)。