基于单片机的自动泊车系统设计

周 玲，高 怀，刘梦莹，李泱科，朱倚娴

（1.运城学院物理与电子工程系，山西运城 044000；2.南通大学机械工程学院，江苏南通 226019）

随着我国汽车数量逐年增多，泊车位的数量却跟不上其增长的速度，日益拥挤的泊车环境要求人们对汽车的泊车技术更加地娴熟，这就更加重了人们工作之外的紧张情绪。因此，如何解决泊车过程中的不便利，越来越受到人们的关注[1]。

文章针对这一问题设计一种自动泊车系统，即在不加以人为控制的情况下，通过智能控制帮助驾驶者快速、安全地完成泊车操作[2]。系统包括信息采集模块、信息处理模块和控制模块，具有辨识车库、判断车位是否有车、显示车位数等功能，使小车能够自动泊车。

1 系统方案设计

自动泊车系统框图如图1 所示。包括信息采集系统和驱动控制系统[3]。其中，信息采集系统由循迹模块、避障模块、超声波模块和感光模块组成，用于检测路面及车库信息，并将数据发送给单片机进行处理。驱动控制系统包括舵机模块和电机驱动模块。

系统各部分的功能：超声波模块发射超声波测距，将测量距离发送至单片机，经单片机处理后，确认车库方向[4]；舵机模块控制超声波模块进行转向；红外循迹模块用于引导小车进入车库和完成停车；红外避障模块防止小车与已有停车及车库相碰撞；感光模块用于感应光源后，触发舵机和超声波模块工作，判断车位是否已有停车并正确泊车；电机驱动模块控制小车的行驶状况；数码管模块显示泊车车位数。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 信息处理

单片机最小系统由STC89C52、晶振和复位电路组成，具体原理图如图2 所示。其中，单片机具有以下标准功能：8k 字节Flash，256 字节RAM，32 位I/O端口，2个数据指针，2个16位定时器/计数器，片内晶振及时钟电路，可以满足本次设计要求。晶振为单片机提供一个震荡源，使其产生时钟周期。复位电路保证系统上电时不会出现死机等情况，使单片机可以正常读程序。

图2 单片机最小系统原理图

2.2 信息采集

信息采集主要包括红外循迹模块、红外避障模块、感光模块和超声波模块，各模块原理图如3图所示。

红外循迹模块利用红外光对不同颜色的反射特性不同，采用左右两侧循迹黑线的方法[5]。小车到达车库范围时，开始循迹。由红外发射管发射红外线，当右侧检测到黑线时，红外线被吸收，右侧指示灯灭，小车右转；当右侧检测到路面时，红外光反射后被红外接收管接收，右侧指示灯亮，小车直行。同理，当左侧检测到黑线时，小车左转。当左右两侧检测到路面时，小车前进。当左右两端检测到黑线时，小车停车。

红外避障模块利用红外线的反射特性。当小车通电后，避障模块启动，红外发射端发射红外线。当没有检测到障碍物时，小车前进。当小车左侧检测障碍物时，红外线反射，左侧指示灯亮，小车右转。反之，当小车右侧检测障碍物时，红外线反射，右侧指示灯亮，小车左转。

感光模块利用光敏电阻的阻值随光线的变化而变化[6]。小车感应到光源时，其阻值变小，电压比较器输出端低电平，单片机启动舵机模块转向和超声波模块检测车位是否已经停放车辆[7]，同时单片机记录检测到光源的次数。

超声波模块由超声波发射器、接收器和控制电路组成[8]。采用I/0端口触发测距。小车初始化完成后，将超声波接收端置0，单片机I/O 端口输出＞=10 μs 的高电平，超声波发射器发射8 个40 kHz 的方波，同时定时器开始计时。当接收端检测到返回信号时置1，定时器结束。小车与障碍物间的距离=(高电平持续时间*340m/s)/2[9]。

图3 信息采集各模块原理图

2.3 驱动控制

由于超声波只能测量单一方向的距离，所以选用180度的模拟舵机。舵机的控制信号为I/O 端口输出的周期为20 ms 的脉宽调制信号，其中脉冲宽度从0.5～2.0 ms，对应的舵机位置时0～180 度。将超声波模块固定在舵机云台上，调整占空比使舵机分别转向小车左、右、中三个方向，实现超声波多向测距功能[10]。

电机驱动模块由直流电机和双桥驱动芯片L298N组成，具体原理图如图4所示。其中L298N 的逻辑电压为4.5～7 V，工作电压为5～46 V，通过I/O对芯片控制端口进行设置，实现电机正转反转；通过PWM对直流电机输出电压进行调试，控制电机转速[11]。

图4 电机驱动模块原理图

3 系统软件设计

3.1 编译环境

自动泊车系统均在STC89C52 的基础上进行设计，故本系统均采用C 语言进行编写。编写程序使用的软件是Keil 4，可以为系统程序的编写提供一个完整的开发环境。编写完成的程序通过STC－ISP 软件烧录入开发板。

3.2 系统流程图

系统的主程序框图如图5 所示，小车启动后，进行初始化，包括定时器初始化，计数器初始化，数码管检测。初始化完成后，进入while 循环。启动舵机模块，控制超声波模块测距，判断泊车位方向，每隔2 s 测试一次。当小车距离车位附近时，启动循迹模块。当感应到地面引导线后，小车沿引导线进入车库。小车感应到光源时，单片机触发舵机和超声波模块工作，通过测量泊车位距离判断车位是否已有停车。如果车位无停车，则小车驶入泊车。如果车位已有停车，则小车驶入下一车位并泊车检测，直至完成泊车。

图5 系统流程图

4 测试与模拟

选择模拟车库场景的方式进行实验测试。

4.1 超声波舵机调试

调节PWM 占空比，使舵机可以转向小车左、前、右三个方向。经实践测量，舵机的转向范围是4～20。其中，角度标识等于4时，舵机指向小车右侧；等于12时，舵机指向前方；等于20 时，舵机指向小车左侧。测量小车在静止时，超声波实际测试距离与代码中设置距离的差距如表1 所示，选择15 cm 作为小车启动循迹模块的阈值[12]。

表1 超声波距离测试

4.2 传感器功能调试

以避障模块为例，调节右侧电位器，使小车右侧有障碍物时，指示灯亮，小车左转，如图6 所示。同理，调节左侧电位器，使小车右侧有障碍物时，指示灯亮，小车右转。分别调试循迹和感光模块的电位器，使其可以正常工作，完成的测试图如7所示。

图6 避障模块测试图

图7 传感器功能测试图

4.3 车库设计

车库车位模拟分布图如图8所示，以十个车位为例，小车从“停车入口”进入车库后，逐个车位进行判断[13]。测试车位如图9所示，模拟1号和2号两个车位[14]。

图8 车库车位模拟分布图

图9 测试车位

4.4 数码管显示

数码管的显示范围是1～9。小车启动后数码管倒计时至1 时，开始自动泊车。当1 号车位无停车时，小车驶入停车且数码管模块显示“1”，测试结果如图10所示。当1号车位有车时，小车继续前往2号车位检测，检测到无停车时，小车驶入停车且数码管模块显示“2”，测试结果如图11所示。其中，1号车位的障碍物模拟已有停车。

图10 1号车位测试图

图11 2号车位测试图

5 结语

本设计以STC89C52 单片机为控制核心，结合传感器和电机等模块。通过设置模拟场地，调试和测试硬件与软件系统。针对场地布置和传感器灵敏度测试，多次修改系统设计，实现了小车自动泊车的基本功能。随着智能平台的兴起，本设计将在已有研究的基础上，研究泊车信息的反馈通信技术以及基于移动端的自动泊车设计[15]，推进产品的实际应用。