单片机原理在智能泊车系统设计中的应用

2017-09-15季磊苏元楷蔚国将关玉琴

课程教育研究·上 2017年30期

季磊苏元楷蔚国将关玉琴

【摘要】如今的车多停车位少和泊车空间狭小，对驾驶人员的泊车技术提出更高的要求。针对此现象本文设计了一种泊车系统，部分解决了这一难题。利用STM32F103单片机作为微处理器，通过各种光电探测器实时监控，再通过微处理器进行识别，从而控制汽车实现安全且精确的泊车。使得人们在驾驶汽车时，无需过度为泊车时的安全和准确性而担忧，在一定程度上解决了因为停车而引发的安全问题。

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）30-0151-03

一、引言

随着人们经济水平的不断提高，购买汽车的人越来越多，虽然汽车使人们出行更加方便，快捷，舒适，但伴随而来的安全问题也不能忽视。例如侧方停车不能安全驶入停车位，经常出现汽车之间剐蹭，追尾，停车时位置不正确，以及停车时占用过多场地或者影响其他人停车、行车，而引起的一系列不必要的麻烦[1]。这些问题的主要原因就是泊车难。由于汽车的数量不断增加，路边，小区，停车场随处可见停着横七竖八的汽车，既影响汽车及行人的正常行动而且不美观，同时带给城市交通的压力也越来越大[2]。随着计算机，通信，控制技术的不断发展，智能化，人性化体系不断完善，智能汽车渐渐进入了人们的眼帘，例如很多汽车厂商都在大力研究智能泊车系统，并且取得了很大进步，最常用的泊车辅助系统就是倒车雷达系统，它们的功能是在倒车时，帮助司机探测汽车尾部到最近物体的距离[4]。目前很多车型都安装了此装置，以方便驾驶员更好、更安全的停靠车辆。有些汽车还在其尾部配置了摄像头，可以通过观察倒车影像来识别倒车时的安全位置[5]。

但是在现实生活中，仅仅有倒车雷达和倒车影像是远远不够的，虽然可以探测汽车尾部到障碍物的距离，可实际人们在泊车时依然会发生由于驾驶员的判断不正确而导致的车祸，其根本原因还是驾驶员无法全面的观察汽车在泊车时的实际情况，所以现在已有的倒车系统根本无法实现智能泊车的目的。

现如今，已经在广泛研究的智能泊车系统有超声波测距智能泊车系统和可视化倒车系统，其中超声波测距系统是利用超声波来判断汽车在倒车过程中距离障碍物的远近，从而当汽车行驶到与障碍物小于安全距离时，开始报警或停止汽车运行[3]。但是仅仅利用超声波和可视化视频传输工具是不够的，由于汽车在行驶中难免会出现因道路不平而引起的车身震动，这就会影响超声波在工作中发生抖动，从而失去判断能力[6]。而且以上两种方法只是帮助我们监测在倒车过程中是否会碰撞到障碍物，并没有实现真正的智能泊车。本系统旨在让人们享受汽车方便快捷的同时，也更加的安全。

二、工作原理

首先，在泊车位贴上可以分辨清晰地黑色宽带，并利用单片机智能小车作为实际汽车进行模拟。在无人干预的情況下，小车进行泊车，利用超声波判断泊车位上是否有障碍物，如果在泊车过程中检测有障碍物，则立即停止泊车，如果没有障碍物，继续泊车。通过红外对管对泊车位进行精确识别，并将检测数据发还给单片机进行数据处理，再由单片机控制小车的电机驱动，从而控制小车的泊车方位及行车速度。红外对管识别原理：红外探测具有发射管和接收管，首先由发射管发射出一定频率的红外线，当红外线沿发射方向遇到反射面时，红外线被反射，由于黑色吸收红外线，当照射在黑色宽带时反射回来的红外线就较少，同理，如果红外线照射在除黑色以外的区域，反射回来的红外线较多，通过比较模块可以区分这两种现象，同时利用电平的高低来描述上面两种现象就会出现高低电平的区别，此时再将信号传输到单片机的I/O口，单片机就可以判断是黑白路面，进而可以精确的按照黑色宽带的路径完成路径识别。直到红外探测模块探测到已经停车入库，则小车完成泊车动作。

本泊车系统主要可以分为小车控制部分，线路识别部分，实时监测部分，数据处理部分，信息传输等部分组成，各部分之间的关系如图1所示。

三、系统功能描述

本系统主要分为以下五个模块，单片机控制电路模块，电源及稳压模块，红外对管探测模块，超声波测障模块，电机驱动模块。

1.主控制器模块

本系统所使用的STM32F103是一款多功能32位的ARM微控制芯片，该芯片内具有大小为64K的Flash。芯片集成了定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种功能。而且具有高性能，低功耗的特点，并且还具有睡眠、停机和待机多种模式，最高工作频率72MHz，可达1.25DMips/MHZ，2个12位模数转换器2个DMA控制器，共12个DMA通道。多达112个快速I/O端口，8个定时器，其中包含3个16位定时器，2个看门狗定时器，9个通信接口，2个I2C接口，3个USART接口，2个SPI接口，USB 2.0全速接口，充分满足系统要求[7]。单片机最小系统如图2。

2.电源及稳压模块

本系统采用的稳压模块为LM2596，LM2596为一种电源开关调节器，主要功能是调节电源电压，并进行降压的一款贴片型集成电路，能够输出3A的电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。能够调节出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHZ，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接器件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了本系统对开关电源电路的设计。电源稳压模块电路图如图3。

3.红外对管探测模块

本系统所使用的是一款E18-D80NK-N的红外反射式光电传感器，其采用了高发射功率红外光电二极管和高灵敏度晶体管组成.其发射的红外光经过调制后发出，接收管对接收光进行解调输出。避免了因为可见光的干扰而产生的误差。最远可以检测80厘米左右的距离，并且可以根据检测障碍物的距离要求通过调节电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、使用方便等特点，充分满足实验要求。红外对管电路设计图如图4。

4.电机驱动模块

本系统采用L298N作为主驱动芯片。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两台直流电机。

电机驱动模块电气连接图如图5。

定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两台直流电机。电机驱动模块电气连接图如图5.

5.超声波测障模块

超声波测障模块采用HC-SR04超声波模块，该模块可探测最远400cm最近2cm的探测距离，并且探测方式为非接触式距离探测，测距精度最高可高达3mm。主要包括超声波发射器、接收器与探测电路。

基本工作原理：采用 IO 口 PA8 触发测距，给至少10μs的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO口PA9输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，PA8触发控制信号输入，PA9回响信号输出等四支线[3]，超声波模块电路连接图如图6.

四、软件设计部分说明

在main函数中首先对STM32进行初始化，确定系统时钟，然后对用到的IO口进行配置[7～10]。

串口初始化程序如下：

//初始化IO 串口1

//pclk2：PCLK2时钟频率（Mhz）

//bound：波特率

voiduart_init（u32 pclk2，u32 bound）

{

float temp；

u16 mantissa；

u16 fraction；

temp=（float）（pclk2*1000000）/（bound*16）；//得到USARTDIV@OVER8=0

mantissa=temp； //得到整数部分

fraction=（temp-mantissa）*16； //得到小数部分@OVER8=0

mantissa<<=4；

mantissa+=fraction；

RCC->AHB1ENR|=1<<0； //使能PORTA口时钟

RCC->APB2ENR|=1<<4； //使能串口1时钟

GPIO_Set（GPIOA，PIN9|PIN10，GPIO_MODE_AF，GPIO_OTYPE_PP，GPIO_SPEED_50M，GPIO_PUPD_PU）；//PA9，PA10，复用功能，上拉输出

GPIO_AF_Set（GPIOA，9，7）； //PA9，AF7

GPIO_AF_Set（GPIOA，10，7）；//PA10，AF7

//波特率设置

USART1->BRR=mantissa； //波特率设置

USART1->CR1&=～（1<<15）； //设置OVER8=0

USART1->CR1|=1<<3； //串口发送使能

#if EN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中断

USART1->CR1|=1<<2； //串口接收使能

USART1->CR1|=1<<5； //接收缓冲区非空中断使能

MY_NVIC_Init（3，3，USART1_IRQn，2）；//组2，最低优先级

#endif

USART1->CR1|=1<<13； //串口使能

}

其中在主函数中将串口波特率设置为9600

五、总结

本文是基于STM32F103单片机所设计的一种在无人干预的情况下实现自动泊车的智能系统。通过超声波和红外对管探测系统的完美结合，不但利用红外对管来辨别路线，从而解决了超声波有误差的缺点，又利用了超声波测障来防止倒车出现碰撞，实现了真正的自动泊车。但是，本系统并不能在任何时间任何场地进行自动泊车，主要原因是对停车位有较高的要求，停车位的边界线必须清晰可见，才可以完成自动泊车。随着城市建设的不断完善，停车位的边界线也得到进一步的完善，所以本系统的前景十分可观。

参考文献：

[1] 边海玲.城市违章停车治理问题研究[D].东北财经大学，2016.

[2] 龙俊仁.城市停车系统发展战略规划相关问题研究[D].西南交通大学，2006.

[3]魏振亚.基于超声波车位探测系统的自动泊车方法研究[D].合肥工业大学，2013.

[4]陈烁华，冯桑.倒车辅助系统的技术发展[J]. 城市車辆，2009，（10）：36-38

[5]马程.车辆辅助驾驶全视角成像关键技术研究[D].合肥工业大学，2009

[6]苏炜，龚壁建，潘笑. 超声波测距误差分析[J]. 传感器技术，2004，（06）：8-11.

[7] 刘军.精通 STM32F4[M]. 北京航空航天大学出版社： 2015.

[8]朱涛.基于 STC89C52 单片机的智能循迹小车设计[J]. 电脑知识与技术，2011，（31）：7751-7753+7758.

[9]陈和娟. 基于 STC12C5A60S2 的智能循迹小车设计[J]. 湖南工业职业技术学院学报，2012，（04）：8-10+22.

[10]倪刚. 基于 AT89C51 智能循迹小车设计[J]. 电子技术与软件工程，2014，（14）：266.

基金项目：内蒙古工业大学2016年大学生创新实验计划。