【《基于单片机的自动泊车系统设计》16000字（论文）】

基于单片机的自动泊车系统设计摘要随着我国汽车数量逐年快速增多，快速、精确地将汽车停到恰当的停车位置，逐步引起了重视。自动泊车技术对于有人驾驶来说是很大的方便，对于即将到来的无人驾驶来说也是关键技术。论文设计了自动泊车系统，以单片机为控制核心，由超声波测距、循迹、电机驱动、LCD液晶电子显示和语音自动播放模块等组成，可以实现小车自动入库、侧方停车、超声波测距、语音自动提醒与LCD1602液晶电子显示等作用功能。系统设置了超声波传感器，测试阻碍物，检测出有效实际距离，送入单片机处理，输出信号驱动电机进行方位的调整，完成小车的准确定位，从而控制小车进入相应的车位。论文给出了系统总体方案，硬件电路和软件设计。通过对模型小车进行实物调试,基本实现了侧方停车和根据引导线自动入库的功能。同时该技术也将对车辆最终实现无人驾驶产生积极的意义。关键词：自动泊车，单片机，超声波传感器，循迹引导目录TOC\o"1-3"\h\u295271绪论 1261221.1选题背景和意义 1129781.2国内外研究现状 1289001.3论文主要内容 3211202系统总体方案设计 4325212.1系统总体设计思路 4213802.2系统硬件模块方案选型 474862.3系统整体方案 7108132.4本章小结 7178363系统硬件电路 895163.1系统硬件原理图 8294843.2单片机最小系统 971573.2.1STC89C52RC单片机 950053.2.2时钟振荡模块 10240223.2.3复位模块 1058813.3电源电路 11250983.4L298N驱动电路 11123063.5LCD1602显示模块电路 1316763.6超声波测距定位模块电路 1491503.7语音模块电路 16251023.8循迹导航光电模块电路 16178113.9本章小结 17256124系统软件设计 18201244.1系统主程序设计 1863394.2系统子程序流程图 19285984.2.1定时中断程序流程图 1945674.2.2测距子程序流程图 2084444.2.3电机驱动子程序流程图 2150274.2.4循迹引导子程序流程图 2264904.2.5液晶显示子程序流程图 23300504.3本章小结 24224495系统的实物调试 25116055.1电路板焊接 2531415.2系统模块功能测试 25123645.2.1超声波模块测试 2582895.2.2光电管模块测试 26183695.2.3自动侧方停车测试 26249165.3系统全功能测试 2772495.4本章小结 2813616总结与展望 29234656.1论文总结 2985226.2未来展望 2916474参考文献 3014453附录1：实物图 3415375附录2：部分源程序 351绪论1.1选题背景和意义随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，我国家庭汽车拥有量迅速增加，停车位、停车库的数目却跟不上其增加的脚步，如何快速安全地停车成为了一个急需解决的问题。日渐拥挤的停车环境要求人们对汽车的停车专业技术更为熟练，汽车产业的迅速发展也带动了相关产业的发展。人工智能汽车给汽车产业创造机会，也带来了直接挑战。汽车的人工智能化，必将会成为今后汽车产业发展进步的态势，因此，处理和解决停车过程里的不方便，去除危险隐患，快速、精确地把汽车停在恰当的具体位置，逐步引起了大多数人们的充分重视。中国社会经济的飞快发展进步，道路交通运输车辆的持续增加而形成的道路交通安全矛盾问题，愈来愈逐渐发展成为了人民群众重视的主要问题和矛盾。特别是我国汽车保有量连年提高，车主泊车时撞到其他车和行人，由此引发的事故也占了交通事故的很大一部分[1]。因此，自动泊车技术的研究对于汽车行业的迅猛发展具有重要意义和使用价值。超声波作为距离测量的一类主要方式，以其距离测量便利，运算简易，容易实时控制，测量精度也可以达到实用的要求，同时有经济实用的优点，在今后汽车人工智能化发展进程里必然会获取大规模推广和应用。中国作为一个世界强国，在高科学技术行业领域也需要占据重要地位，今后汽车的人工智能化，是汽车产业发展进步必然的趋势，在这类实际状况下分析研究超声波在人工智能停车上的使用具备十分深远的意义，这将会对中国今后人工智能汽车的分析研究，在全球高科学技术行业领域占有遥遥领先具备关键性影响作用[2]。随着社会的向前发展，无人化必将是大趋势。而自动泊车作为无人驾驶的核心技术之一，有着很深远的意义和前景。自动泊车也向全自动泊车发展，环境识别更加全面，将来也会实现车库自主泊车。一个高效的人工智能停车系统，不仅可以协助驾驶员迅速、安全地实现停车操作应用，进而减少车辆驾驶者负担，减少降低公共道路交通意外事故，而且可以非常高效地提升汽车的人工智能化程度，增加汽车的附加收益，进而创造强大的经济实际收益。在这背景下，论文设计了基于单片机控制的自动泊车系统。1.2国内外研究现状自动智能停车系统（APS）能够经过车辆周身搭载的感应设备测量确定车身和周边自然环境之间的有效实际距离与作用角度，收集整理感应设备数据信息运算出操作管理步骤，与此同时，修改调配方向控制盘的机械转动完成停车入位[3]。这个专业技术为停车创造的方便性受到消费人员的充分重视。生活里侧方向停车很常见，停车的时候，无人辅导与协助，停车分布空间相对狭窄，难度比较多。自动智能停车过程能够划分为三个组成部分，依次是车位检测、途径策划与途径跟踪。车位检测就是使用超声波感应设备等实时监测本车和路边车辆的有效实际距离数据信息，判定车位的有效长度是否符合停车需求；途径策划是中央运算处理器参考依据汽车和发展目标停车泊位的相对具体位置等数据信息，得知汽车的目前具体位置、去的具体目标位置及四周的环境系数，因此策划运算出最优化停车途径与战略；途径跟踪通常都是履行途径策划，把有关策略转变成为电信号传达给履行控制器设备，参考指示引导汽车根据策划好的途径停车。自动智能停车系统遇到的难题：（1）APS启用要求符合一定速率基本条件。APS针对车辆正常行驶速率有严格限制，通常在车速小于30公里/小时才能够启用，进而展开车位检测。（2）具有侧分布方向停车、Y轴竖向停车作用功能模式里的一类或者两大类。自动智能停车作用功能方式主要包含：侧分布方向停车、Y轴竖向停车，还可附带自动智能驶出作用功能。有些车身型号具有侧分布方向停车或者Y轴竖向停车里的一类，以侧分布方向停车比较多，有些车身型号与此同时，具有这两大类方式[4]。（3）半自动智能停车与全自动智能停车。假如在停车过程里，车辆制动操控、加速推动要求车辆驾驶者操作控制，将其称为半自动智能停车，截至当前，大多数车身型号装备的都是这种。也存在公司在研发不需要车辆驾驶者操作控制的全自动智能停车。（4）主要运用超声波感应设备。APS运用超声波感应设备是主流通用的专业技术设计方案，检测有效实际距离为5～8m，但是没有办法辨别车位线。如果想要辨别车位线，要求增长摄像头。APS最开始在一九九二年由大众在它的含义车IRVWFutura上搭载，这个车身型号在行李箱里安装设置了类似个人计算机大小般的电脑计算机来操作控制整个APS，因为成本费用比较大，后来还没有把这个系统量产。在外国人工智能化的发展进步有具体如下所示态势。一方面人工智能化在制造加工产业使用的作用范围愈来愈广阔，其参考标准化、功能模块化、在线化与人工智能化的水准愈来愈高，作用功能也愈来愈强，并且向着专业技术与装备设施成套化的分布方向发展进步；另一方面，人工智能化向着非制造加工产业使用以及微型分布方向发展进步，有表演型智能机器人，综合服务型智能机器人，智能机器人玩具等。外国分析研究组织机构正尝试把人工智能化应用在人类活动的每一个行业领域[4]。中国是制造业大国，对于智能机器人和工业机器人的需求很大，但大部分都是依赖进口，国产机器人无论在性能方面与外国还是有差距，国产工业机器人与国外工业机器人之间是有一定差距的，首先就是发展时间的差距，国外工业机器人发展时间要比国内机器人发展时间要早，这一点就意味着国外机器人的整体水平要比我们更完善，其次就是技术问题，目前国内机器人与国外机器人要按照高技术较量的话国内的技术要落后很多，所以在一些高端行业应用到的都是进口的。本题目综合系统设计的是基于单片机的自动泊车系统。因为应用了超声波传感器，它不会受到光照强弱与能见度的影响作用，能源消耗低，灵活性高，即使在较庞杂的环境内也能够运行工作。自动停车小车系统的设计使用了功能模块化的设计模式，工作电路组成结构简单，测试比较便利，有较大的拓展空间，稍稍调整，就可以应用在真实日常生活与实际生产里。1.3论文主要内容论文以四轮驱动小车为模型，采用电源模块变换电压输出5V为控制的核心单片机供电。主要以超声波传感器和光电传感器为系统的输入，输出采用语音模块和液晶显示模块，用直流电机驱动模块驱动电机。最后实现了小车侧位停车和根据引导线入库的功能。第一章阐述了基于单片机的自动泊车系统这一个毕设题目的研究背景和意义，结合当前国内外研究情况，对于本课题的未来发展前景进行了分析，同时论述了总体深化设计需求。第二章，详细论述了系统的总体设计应用方案，促使读者对应用系统有了一个整体认识。然后按照所需要的要求对于不同的选型方案进行对比，选出了最佳方案。最后确定了硬件方案。第三章是本次论文的核心组成，详细论述了应用系统的硬件工作电路设置，包括对于大量资料的翻阅后，能够自己使用AltiumDesigner软件实现电路原理图的绘制，自己对于芯片和各个模块的数据手册进行了详细阅读和学习，这是自己接下来实物焊接的基础工作。第四章介绍了系统主程序和子程序设计的流程图，以及主程序和子程序的编写。第五章介绍了实物的硬件调试和软件调试，自己用箱子搭建实物调试环境，经过反复调试，经过完善硬件和优化软件程序，实现了自动泊车的功能。2系统总体方案设计本章节针对应用系统的总体方案，展开了详细介绍，论述了系统设计方案的主体思路。2.1系统总体设计思路该自动泊车系统采用STC89C52单片机为控制器，将三个超声波传感器分别装载在小车的车头、左侧与右侧，利用超声波检测周围的障碍物与小车的距离，通过控制器准确计算出小车的位置信息，单片机程序规划路线，控制小车停入车位。电源模块为单片机供电，超声波模块和光电传感器作为系统输入，显示模块和语音模块输出，电机驱动模块驱动电机控制小车的前进、后退和转弯。系统整体框图如图2-1所示。图2-1系统整体框图2.2系统硬件模块方案选型车模功能选型方案1：购置玩具电动型汽车模型。车模整体模块由系统车架部件和车轮、电机及其驱动工作电路构成。然而玩具电动型汽车主要有以下两个缺点：第一，这种车模主要特点为设计功能模块较为密集紧凑，不便于多种传感器的安装。第二，车模的前后车轮联动，不利于原地维持分布坐标超过90度的转弯，并且直流电机的旋转力矩小，空载及荷载转速不稳定，速度调节能力差。根据以上分析可知，放弃此方案。方案2：购置现成车模。四轮驱动车体模型的每个车轮采用转速和力矩基本一致的直流减速电机进行驱动，若想实现小车进行原地90度或者180度转弯，仅需将左右两边直流电机转速相同、转向相反，即可实现小车原地旋转。综上分析，采用方案2。主控制器模块选型方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD能实现复杂的逻辑功能、I/O资源多功能易拓展等优点。其输入输出采用并行连接方式，提高数据传输速率，非常适应于大型操控管理系统的控制。然而该方案设计的控制系统无需复杂的逻辑功能，信息传输速度要求较低，考虑到各个方面因素，该方案不适合应用于泊车控制系统。方案2：应用STC89C52单片机作为自动泊车系统的控制器，通过传感器获取小车位置信息，将数据传入STC89C52单片机进行处理后输出驱动信号，以控制车模完成泊车动作。经过全面分析该系统方案的要求，该方案的微处理需操作控制简易便利[5-6]。针对自动泊车控制系统，51单片机物质资源丰富、有较强操作控制作用功能、价格低廉等优势，较为符合该方案要求。从经济和运行方面因素考虑，选用了设计方案2。供给电源选型目前常用的电源设计有以下几种方案。方案1：以12V蓄电池为供给电源。化学蓄电池工作时驱动电流强，输出电压较为稳定，然而其体积较大以及需要拆下充电，在微型的泊车控制系统应用不便利，所以放弃了采用该方案。方案2：以6节干电池串联工作电压为9V为供给电源，利用7805三端稳压集成电路将电池电压转换为单片机以及超声波传感器的工作电压，电机直接接电池来供应电源。锂电池由于重量轻、体积小等优点，仅需经过电源转换芯片就可以转换为符合自动泊车控制系统的多种电压，且电池便于拆卸进行充电[7]。干电池也有体积小、质量轻和容易获得等优点。通过分析蓄电池与锂电池和干电池的优缺点，采用方案2。电机驱动模块选型方案1：以继电器作为车模电机驱动的开或关控制操作，通过控制继电器开关导通与断开，以控制车模电机转动和停止动作。该方案采用继电器电路设计简单，然而继电器反应速度慢，极易被损害，所以可行性较低。方案2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，进而实现分压的目标。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件市场价格非常高。最主要的缺点是目前市场中的直流电机电阻很小，工作电流很大，分压不仅会降低效率，而且不容易实现。方案3：直流电机的驱动电路采用功率三极管构成的H型桥式电路，用单片机输出PWM信号控制达林顿管导通与关断，改变车轮的实际转速。这类工作电路采用L298N控制芯片，L298N芯片是一款具有高电压大电流的全桥驱动控制芯片，并且带有操作控制使能端。它作为直流电机驱动芯片，操作应用便利快捷，稳定安全性好，功能良好[8]。总而言之，本次综合系统设计选择设计方案3。电机模块型号选择方案1：应用步进电机作为这个系统的驱动电机。虽然步进电机可以驱动小车，但是它输出力矩偏低，随实际转速的升高而下降，并且在比较大的实际转速的时候，输出力矩会剧烈降低，其实际转速偏低，不适合应用在小车等有一定速率需求的系统。所以放弃了此方案[9-10]。方案2：应用直流减速电机。直流减速电机原始推动力矩大，有效容积小，质量轻，装配设计简易，运用便利。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，能够形成大的扭转作用力[11]。可以良好的符合系统的多种要求，所以选用了此设计方案。显示模块选型方案1：以数码电子管为自动显示模块。数码电子管有自动显示速率快，作用效果简洁的优点。然而因为要自动显示分布状态，分布坐标，编辑字模较为复杂。并且数码电子管无法显示较为复杂的车况信息内容，所以放弃了此设计方案。方案2：以LCD电子液晶为自动显示模块。LCD1602电子液晶屏因在各种恶劣情况下均能稳定显示内容且内容较为清楚，此外不仅可以显示中英文字体，而且可以显示各种复杂的内容，被广泛应用于工业的各种场合[12-13]。所以，选用了设计方案2。测距模块选型方案1：以超声波传感器作为感应距离测量模块。压电陶瓷超声波传感器发出超声波，若小车四周有障碍物，超声波遇到障碍物经过反射回到超声波传感器。然后将数据传入调理电路，将信号进行滤波放大送入单片机中，单片机对其进行处理得到车模位置信息。方案2：以红外光电控制开关作为距离测量模块。光电控制开关基本原理是投光控制器发出光束，遇到障碍物后反射到受光控制器中，受光控制器依据此做出判定反应[14]。该红外控制的缺点是易受到外界光线影响。思考到本次应用系统要求可靠工作运行，为了系统稳定安全性、方便操作管理与测试，最后选用了设计方案1。语音提醒功能模块选型方案1：以语音自动控制芯片为语音提醒功能模块，该优势是能够提醒车主对周围车距进行判断。通过超声波传感器对车模周围障碍物进行测量实时提醒车主进行倒车的各种操作，有智能化与科技化的优点。方案2：应用蜂鸣控制器提醒，声音单调。总而言之，选用设计方案1。循迹导航模块选型方案1：用光敏电阻构成光敏检测控制器。光敏额定电阻的阻数值能够跟随周边自然环境光线的改变而改变。所以光敏电阻在白线与黑线上方的时候，阻值会产生显著的改变。把阻数值的改变数值通过比较器就能够自动输出高低压电平[15]。这类设计方案缺点是光照影响大，不能稳定工作。方案2：ST178是一类系统化反射作用型光电探测器，其自动发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而自动接收控制器是一个高灵活性，硅平面光电三极管。ST178应用DIP4封装处理，其具备以下多个特点：塑料透镜能够提升灵活性；内部设置可见光线自动过滤控制器能降低离散光的影响作用[16-17]。该工作稳定且电路简单易行。所以选用了设计方案2。2.3系统整体方案车体综合系统设计采用现成的四轮驱动车模，4个车轮依次用实际转速与旋转力矩基本完全一致的直流减速电机进行驱动；主控制器模块采用STC89C52单片机作为整套系统的核心控制小车实现功能；电源模块采用6节5号干电池共9V；采用超声波传感器展开距离测量；语音提醒功能模块应用语音自动控制芯片提醒，可自由设定要提醒的声音；循迹导航传感器模块采用ST178，因为RPR220与ST178光电传感器通用，最后用的是RPR220光电传感器。软件采用keil5软件来编写程序，编译无误后把程序下载到单片机中。2.4本章小结本章首先介绍了系统总体设计思路，给出了系统总体框图。然后详细阐述了系统各个硬件模块的选型方案，包括车模功能选型、主控制器模块选型、供给电源选型、电机驱动模块选型、电机模块型号选择、显示模块选型、测距模块选型、语音提醒功能模块选型、循迹导航模块选型。按照系统要实现的功能对于不同的方案进行对比，选定了适合系统的最佳方案最后简要总结了要实现系统功能的整体方案，使读者对系统硬件方案有一个宏观大致的了解。3系统硬件电路本章对系统总体电路图和各个模块的电路图作了详细介绍，为即将进行的实物焊接打下了坚实的基础。3.1系统硬件原理图硬件总体原理图如图3-1所示。以下对各模块做详细介绍。图3-1硬件总体原理图3.2单片机最小系统单片机作为主要操作控制中心，单片机以及外界硬件工作电路的设计是关键。它协调管理整套系统工作任务，全面处理数据信息，是系统的中心。单片机类型选用STC89C52，其内部之间的程序语言设计与少数指令和51是兼容支持的。工作电源电路充分保障整个系统正常运行工作[18]；晶振电路主要对主控制器提供运算时钟源；复位电路主要对单片机进行上电复位和用户外部复位[19]。单片机最小系统如图3-2所示。图3-2单片机最小系统框图3.2.1STC89C52RC单片机STC89C52RC单片机是全新型单片机，对比于以前的单片机，它具备进一步抗外界干扰的功能。STC89C52单片机的内部自带有通过独特全面处理的看门狗，不需要外接外界看门狗。这个类型的单片机全面支持兼容汇编编程语言和C编辑语言程序编译。图3-3是STC89C52RC引脚功能说明。图3-3STC89C52引脚图其中3个传感器模块依次接在单片机的P32-P37口，电源接在VCC口，复位电路接在RST口，晶振电路依次接在XTAL2,XTAL1,GND口，显示模块的八个数据口依次连接在单片机的P0-P7口上，显示模块的数据/命令选择、读/写选择、使能信号也依次连接在P12-P10口上，按键切换接在P30和P31口，语音模块接P24-P27口，循迹电路接P17口，电机的驱动模块连接在单片机的P20-P23上，单片机通过这四个引脚向直流电机发出电信号脉冲来控制电机的转动，进而控制小车的转向和速度。3.2.2时钟振荡模块在单片机系统设计里，晶振工作电路是关键的组成部分。晶振提供了整个芯片的操作频率。在系统的工作中，只有保证系统频率的稳定性，才能确保系统进行正常的工作。晶振的少数基本特征如下：XTAL1：内部控制时钟工作电路反向放大器的输入端；XTAL2：输出端；晶振频次：11.0592MHz；匹配电容数值：30pF[20]。晶振工作电路如图3-4所示。图3-4控制时钟工作电路原理图3.2.3复位模块复位分为自动和人工复位。自动复位电路通常都是通过操作控制引脚的高低压电平进行系统的复位。当引脚是高压电平的时候，这个时候系统处于自动复位状态；当引脚是低压电平的时候，系统自动复位状态就会暂停。单片机复位包括两种方式：上电自动复位，利用一个10uF的电容器的储能效果来复位；手动复位，只要按下复位按钮按钮，单片机就可复位[21]。如下图按下S2按键，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。电路如下图3-5所示。图3-5自动复位工作电路原理图3.3电源电路系统工作电源电路的插座端口有很多种不同方式，选用的DC插口。工作电源的工作电压选用9V直流供应电源。工作电源主要应用7805控制电路，其工作电路的优势是简易、经济实用，而且完全可以符合小车单片机控制系统与L298N控制芯片的供应电源要求[22]。7805三端稳压集成电路有三个管脚，分别为输入IN端、输出OUT端与GND端，在散热充足的实际状况下能够供应高于1.5A的工作电流[23]。7805控制电路的自动输入工作电压能够为9V、12V、15V不等，自动输出工作电压稳定在5V，正负有效误差小于等于0.2V。根据实际状况选用了9V工作电源，并通过7805芯片转换为各个模块供应工作电压[23]，其工作电路如图3-6所示。图3-6工作电源电路设计图图3-6中，电源电路包括：额定电容、额定电阻、LED指示信号灯组、自锁控制开关、按钮等构成。额定电容具备充电放电功能，保障工作电路的稳定；额定电阻通常都是发挥限流的影响，能够预防元器件被烧坏掉；LED指示信号灯主要发挥提示数据信号的功能，可以直接观测工作电路的实际状况，系统的稳定离不开电源自动输出的稳定工作电压。3.4L298N驱动电路电机驱动采用H桥式驱动工作电路，L298N芯片集成了H桥式驱动工作电路，经过单片机赋予L298N工作电路PWM数据信号来操作控制小车的速率，起动和停止[24]。L298N管脚图如图3-7所示。图3-7L298N管脚图L298N管脚作用功能如下表3-8所示。表3-8L298N管脚作用功能表管脚作用功能SENSA、SENSB依次是2个H桥的工作电流信息反馈控制接脚，不用时能够直接连接大地ENA、ENB使能端，自动输入PWM数据信号IN1、IN2、IN3、IN4输入终端，TTL逻辑电平数据信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4输出终端，和与之对应输入终端同逻辑VCC逻辑控制工作电源，4.5~7VVSS电机驱动工作电源，最低数值需比自动输入的低压电平工作电压高GND连接大地本次设计利用达林顿管构成车模的驱动H桥电路，通过单片机输出占空比可以调控的控制开关分布状态下，准确修改调配机动设备实际转速[25-26]。H型桥式工作电路在管子的充分饱和截止方式下，工作效率十分高，开关反应时间短，输出稳定，广泛应用于直流电机驱动控制电路。直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，它可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，简单且调速范围大，所用原理为直流斩波原理。H型桥式工作电路如下图3-9所示。图3-9H桥电路图L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以驱动两个直流电机，或者一个两相步进电机。其电机驱动电路如图3-10所示。图3-10电机驱动电路图3.5LCD1602显示模块电路LCD1602有两大类自动显示种类：储存字段自动显示、存储字符自动显示[11]。LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它的结构包括字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等。LCD1602主要专业技术参数具体如下所示[27]：1.自动显示有效容量：16×两个存储字符2.工作电压：4.5~5.5V3.工作电流：2.0mA4.最优化工作电压：5.0V5.存储字符有效尺寸：2.95×4.35毫米。LCD1602的管脚定义如下表3-11所示。表3-11LCD1602控制命令表编号指示RSR/wD7D6D5D4D3D2D1D0D4D3D2D1D0W1清自动显示00000000012指示光标自动返回000000001∗3置自动输入方式00000001I/DS4自动显示开/关操作控制0000001DCB5指示光标或者存储字符移位000001S/CR/L∗∗6置作用功能00001D/LNF∗∗7置存储字符产生存贮控制器设备储存地址00018置数据信息存贮控制器设备储存地址0019读忙标记或者储存地址01BF10写数到CGRAM或者DDRAM1011从CGRAM或者DDRAM11LCD1602显示器总共有16个控制接脚。第1控制引脚与2控制引脚依次是地与工作电源控制引脚，3控制引脚应用在调节控制存储字符自动显示的对照度，7到14控制引脚为8位数据信息接口[28]。液晶功能模块电路如下图3-12所示。图3-12LCD1602液晶功能模块电路3.6超声波测距定位模块电路超声波传感器类型选用的是HC-SR04超声波功能模块，其测试有效实际距离作用范围可以从2cm至400cm，这是一类非直接接触型的测试模式，其测试准确度可以达到3mm。这个功能模块的基本理论是I/O端口的TRIG管脚触发。功能模块主要包含：超声波自动发射器、自动接收控制器和控制工作电路。超声波测距原理图如下图3-13所示。图3-13超声波测距原理图如图3-14所示只需Tring端提供一个脉冲触发信号到超声波模块的触发输入端，该模块内部将会自动发出8个高频的周期电平，这些电平经过超声波发射电路在T40将发出超声波，并且超声波接受端开始检测返回的回波。只要R40检测到有回波信号则输出回响信号，然后经过整合后从Echo端输出。只需要检测出回响信号的时间，就可以得到实际距离。超声波模块电路图如图3-14所示。图3-14超声波模块电路图3.7语音模块电路语音模块应用WT588D语音自动功能模块，WT588D语音芯片是一款可重复擦除烧写的语音单片机芯片。该模块能够作为语音控制芯片，因I/O端口多，不但有控制功能，而且带外置FLASH储存器，因此能做FLASH单片机[29]。图中两个二极管串联和10K电阻分压，限制一个最高的饱和电压。语音自动提醒功能模块电路图如图3-15所示。图3-15语音模块电路图3.8循迹导航光电模块电路本次循迹引导要检测地面黑线，通过传感器输出高压低压电平，采用比较器的方法满足功能要求，不用电压比较器传回的电压信号弱，不能直接当做数字信号用。光电传感器由左边的红外发射二极管和右这的红外接收管组成，把红外收发管封装在一起。12端的红外二极管发出红外光，经白纸（黑色会吸收光线，无反射）反射回来给34端的红外接收管接收，当接收到红外线，则34导通，当检测到黑线时，此时也就是红外接收管没有接收到反射回来的红外光，34的红外接收三极管截止，则在RPR220的3管脚输出一个电压。若检测到的是白线则3脚没有电压输出。LM339(四路差动比较器)是在电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是一种常见的集成电路LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。一个芯片有四个比较器，因为系统使用5个光电传感器去循迹，所以用339比较器可以降低成本和降低电路的复杂度[30]。整个电路工作时一旦检测到黑线，则RPR220的3脚输出一个电压与基准电压进行对比，若RPR220的3脚的电压比基准电压大，则LM339的2脚就输出一个低电平信号。如果检测不到黑线，则LM339的2脚就输出一个高电平信号，如此单片机就能识别出黑线。因此，本次设计考虑用比较器的方法，光电对管检测应用电路如图3-16所示。图3-16光电对管检测应用电路3.9本章小结本章对系统硬件总体原理图和各部分硬件电路图作了详细介绍，使读者对系统要实现功能的硬件有了直观的认识。首先原理图中说明系统由电源模块、单片机最小系统、语音模块、显示模块、循迹电路和电机驱动电路组成。单片机最小系统包含STC89C52RC单片机、时钟振荡模块、复位模块，对系统电路图和功能做了介绍。然后介绍了电源电路、L298N驱动电路、LCD1602显示模块电路、超声波测距定位模块、语音模块电路、循迹导航光电模块电路。4系统软件设计本章对系统总体和各个模块的程序流程图进行了详细介绍，简明地把系统软件控制的思想利用文字和流程图的方式进行展现。4.1系统主程序设计设计方案的程序编译思路是先明确主程序，然后依据各硬件电路的功能来设计各个子程序模块，最终再把各子程序模块嵌入到主应用程序里。因为子程序模块与硬件电路一一对应，所以系统调试程序方便。主程序包括超声波测距定位避障子程序，电机驱动子程序，语音播报子程序，显示子程序和循迹子程序。系统软件框图如下示意图4-1所示。图4-1系统软件框图小车最后实现的功能包括自动智能入库和小车能根据引导线入库。提醒方式为语音播报，小车总共安置了3个超声波传感器，车头一个，左边一个，右边一个。循迹引导使用RPR220型光电管，经过比较器处理后，传输数字信息，单片机随之去判断处置。当按下电源开关时，单片机初始化I/0，启动电机运行，随后小车进入超声波模式，当超声波传感器检测到障碍物时，会左转或右转躲避障碍物，随后继续直走，当检测到侧方有障碍物时，小车会启动泊车程序，先后退，然后进入车位，超声波传感器测出前方距离，显示屏显示出距离，语音播报出前方距离，泊车结束。如果地面有黑色引导线，按下小车模式切换按钮就会进入循迹模式，小车会跟着引导线前进，直到超声波传感器探测到前方一定距离有障碍物，小车会停下来完成泊车，语音报出前方距离。系统主流程图如图4-2所示。图4-2系统软件设计主流程图4.2系统子程序流程图4.2.1定时中断程序流程图初始化后，等候定时器到达提前设置的数值，假如定时器时间达到，则全面进入到定时器中断中，单片机就继续执行下一个命令指示[31]。总体思想是定时中断时间到，多任务就会启动时间划分，如果没有进入中断，则单片机继续执行下一个命令。定时中断程序流程图如图4-3所示。图4-3定时中段子程序流程图4.2.2测距子程序流程图对系统展开初始化之后，超声波距离测量程序设置定时器T0为16位定时器，开间断许可位EA，归零自动显示接口P0和P2。之后超声波自动发射子程序发出一个超声波脉冲，为了防止信号直接耦合作用的干扰，要求延时作用0.1ms再开外部中断自动接收返回的超声波信号（从而使超声波距离测量会有一个最低可测有效实际距离）超声波遥测的原理与雷达遥测的原理相同，可归纳为前面的超声波发射器发射超声波时，由于到达的障碍物被反射回来，反射回来的超声波就会被接收器接收[32]。基本理论主要包含：(1)应用IO端口TRIG激发距离测量，给最少10us的高压电平。(2)该超声波发送装置可以发出40.0千赫兹的方波，自动测试有没有数据信号返回；(3)有数据信号自动返回，经过IO端口ECHO自动输出一个高压电平，高压电平连续的有效时间就是超声波从自动发射到自动返回的有效时间[33]。调试有效实际距离=(高压电平时间*声速(340米/秒))/2。本设计中小车也需要计算障碍物与小车之间的距离。开始系统初始化，开始测距，超声波发射端发出信号，接收端接收信号，然后根据上面的公式测出距离，如果测量值超出量程就会显示错误，否则就会显示正常距离。小车通过测距实现定位，然后程序控制小车的左转、右转、后退就可以实现简单的避障。避障子程序流程图与测距子程序流程图基本一致，因此不再赘述。测距子程序流程图如图4-4所示。图4-4测距子程序流程图4.2.3电机驱动子程序流程图单片机在程序的操作控制里，能够完成小车的自动化控制管理，可以完成自动前行，左转，右转，后退等作用功能，能够经过操作控制左侧电机，或右边电机来完成左右电机的机械运转，输出不同的PWM波，直流减速电机能够以不同的运行工作速率运行，使用定时器可以准确的控制电机转动时间[34]。开始定时器初始化，单片机产生PWM信号输入给电机驱动芯片，然后驱动小车前进、左转、右转、后退，定时时间一到就会延时结束，返回主函数。电机驱动流程图如图4-5所示。图4-5电机驱动子程序流程图4.2.4循迹引导子程序流程图循迹引导子程序流程图如图4-6所示。图4-6循迹引导子程序流程图本次设计的小车可以实现循迹入库的功能，循迹引导采用光电管RPR220，光电管RPR220可以检测地面的轨迹线，根据单片机程序发出的指令接收数字信号，给[P_IOA_DATA]自动传送数据信息，进而驱动电机。经过比较器处理后，输出数字信号，单片机程序随之去判断处理[35]。开始按下按键切换按键小车启动循迹模式后，就开始不断地扫描与探测器连接的单片机I／O口，只要检测到某个I／O口有信号变化，相应的判断程序就会执行，电机驱动接收信号驱动给电动机纠正小车的状态。当前方距离小于设定值时，则小车就判断前方有垂直泊车位，则小车停下，随之前方超声波模块测出前方距离，显示屏显示出距离，语音播报出前方距离，进而此次小车泊车结束。4.2.5液晶显示子程序流程图当调用显示子程序时，首先进行显示功能和模式的设置，之后设置要显示的内容在屏幕上的位置，也就是显示地址，然后将需要显示的数据写入LCD，最后将内容显示出来。液晶显示子程序流程图如图4-7所示。图4-7液晶显示子程序流程图4.3本章小结本章对系统主程序和各个子程序流程图作了详细说明。首先介绍了系统主程序设计框图和流程图。然后介绍了定时中断处理流程图，测距子程序流程图，电机驱动子程序流程图，循迹引导子程序流程图和液晶显示子程序流程图。简明介绍了超声波传感器测距定位的原理和PWM电机调速原理。通过本章的介绍，使读者对最后小车要实现的功能的软件流程有了清晰地认识。5系统的实物调试本章对系统硬件与操作应用软件都展开了测试，实现了小车侧方停车和根据引导线自动入库垂直停车的功能。5.1电路板焊接使用万能表的二极管设备测量确定的档位来测试是否产生短路问题。能够依次对不相同控制芯片的VCC端，包括GND端来展开测试，假如控制芯片这2个引脚发送响声，则表明板子上这2个工作电源端是有短路的，则不可以直接通电，通电会产生冒烟烧糊的现象，从而烧坏电路板影响后续的工作。焊接加工实现了之后，第一步是实际外观上面的检测。少数问题能够用肉眼来检测出，例如少数元器件是不是焊接加工反了，少数额定电阻电容是不是有虚焊，有些时候要求使用放大镜去观察，而假如产生虚焊时，就需要使用电烙铁展开补焊，补焊以后就可以进行接下来的焊接工作。5.2系统模块功能测试5.2.1超声波模块测试本次设计的小车总共安置了三个超声波传感器，车头一个，左右两侧各一个，用超声波检测阻碍物体，当一旦检测到有阻碍物体，小车会绕开阻碍物，策划躲避障碍行驶路线，并且检测有效实际测量距离。在测试时，可以用纸板挡在超声波模块的前面一定的距离，并大概估计这个距离，再结合LCD显示屏上显示的实测距离进行判断，如果相差不大，超声波模块就调试成功，实际实物测试时显示屏显示的距离与实际距离基本一致。超声波模块测试如图5-1所示。图5-1超声波模块测试图5.2.2光电管模块测试小车实现循迹入库的功能是采用RPR220光电管模块，RPR220模块可以检测地面的轨迹线，结合编好的程序，就可以给[P_IOA_DATA]传送数据，进而控制转向电机和驱动电机。测试时，在地面上用黑色胶布黏贴一个轨迹线，按下循迹功能按键，观察小车是否沿着轨迹线行走入库。小车自动入库测试图如图5-2所示。图5-2小车自动入库测试图5.2.3自动侧方停车测试本次设计的小车可以实现自动侧方停车的功能，刚开始小车会沿着事先设定好的轨迹行走，小车左右两边的超声波模块会检测两边是否有空车位，一旦检测到，系统启动侧方停车程序，小车会自动停到车位里面，侧方停车测试图如图5-3所示。图5-3小车侧方停车测试图5.3系统全功能测试将小车开关打开后电源供电，初始化程序，显示屏显示“caosenbo”，小车进入超声波模式，当短暂按下KEY1时，此时小车进入循迹功能状态，显示屏显示“xunji”；当短暂按下KEY2时，此时小车复位。在实物调试过程中也遇到了不少问题，第一次调试时按下电源开关，小车电源指示灯看起来是亮的，但小车不动，后来查资料原因可能是电量不足，于是自己更换了6节新的5号干电池，小车运行回归正常状态。后来遇到侧方停车时小车停不到指定的空车位，后来通过把小车放在中间，两边都有障碍物，小车精确地检测到了空车位，并通过左转或右转实现自动泊车，然后前方超声波传感器测出前方距离，语音播报出前方距离，显示屏随之显示实际距离。第一次循迹泊车时小车偏离了引导线，后来查资料了解路线可以弯，但弯的角度应该不能太大。自己实物调试环境的搭建比较节约，但都能模拟泊车环境，不过和实际泊车环境有差别。自己用运动鞋盒盒纸箱模拟汽车，买了黑色电胶带来作为引导线，根据引导线入库实现了自动泊车，当自己按下电源开关，小车会自动找到停车空位并停下，实现了小车侧方停车和根据引导线入库的功能。自己进行实物调试时也遇到小车不能准确地停入车位，经过修改程序中的小车后退时间，小车转弯后前进的时间和小车转弯的时间，最终小车自动驶入了预定泊车位置。在系统测试过程里，除了以上展开硬件测试，就是展开软件测试。软件测试时要求使用功能模块化的思想。把不相同的作用功能分功能模块来展开综合系统设计。根据系统作用功能依次测试，根据不同的测试基本条件，把系统作用功能依次调试出来。硬件协同测试以前能够先使用Keil操作应用软件，来展开测试，例如能够使用单步运行来展开测试。来查阅不相同的变化量是不是所要求的。把每一个的调试基本条件都录入其中，就能更为精确的调试出软件程序的主要问题。能够经过设立断点，包括单步运行，来查阅变化量。Keil操作应用软件是十分快捷的，可以查阅每一个I/O端口的数据信息。软件单独的展开测试实现之后，就能够使用硬件来展开软硬件协同测试。因为软硬件协同测试就是把所编译准确的软件程序的Hex资料文件下载保存到硬件里。通常都是下载保存到主控芯片单片机里，来逐渐的去运行。在展开协同测试时，能够测试系统的间断是否准确。而且参考依据判定基本条件是否全面进入相对应的中断中。还能够经过软件来查阅系统是否合理正常运行工作还是开始进入死周期循环。协同测试可以把以上所说的每一个功能模块依次全面集中展开调试，在软硬件测试过程里是关键的一步。软件程序调试图如图5-4所示。图5-4软件程序调试图5.4本章小结本章的内容是最终系统的实物调试。首先介绍了小车电路板焊接的过程以及出现问题的解决方法，电路焊接准确无误是硬件实现功能的基础。然后简要介绍了超声波模块测试、光电管模块测试、自动侧方停车测试，并给出了小车实物测试图。最后介绍了系统全功能测试，其中包含了小车硬件全功能测试和软件的调试过程，以及小车整体功能调试时遇到的问题和解决的方法。通过本章使读者对小车最后实现的功能有一个直观的认识。6总结与展望6.1论文总结本文提出了一种基于STC89C52单片机的自动泊车系统设计方案。本次研究设计的整套体系归纳起来是由超声波功能模块、LCD液晶电子显示功能模块、语音自动功能模块、电机驱动模块、循迹模块等组成，可以实现小车自动入库、侧方停车、超声波测距、语音提示和LCD1602液晶显示等功能，运用单片机的P0、P1、P2、P3等I/O自动输入自动输出口，把交换之后的数据信号经过应用程序展开操作控制与全面处理，添加了光电循迹电路、测距电路和电机驱动电路，从而完成了毕设题目自动泊车系统设计。该系统优点是结构简单和成本比较低，并在自己的实物调试中实现了基本的功能，能够使小车驶入指定的停车位。本设计主要有以下几方面工作：（1）在综合系统设计有关设计方案的时候，需要思考量程问题，精度的问题。因此，在综合系统设计时，就需要思考体系总体性，为了实现最后目标，需要应用功能模块化理论思想，与此同时，论述各功能模块之间的相互关系。（2）使用Protues软件进行硬件外围电路的搭建，对整个系统进行仿真，确保系统的正确性。KeiluVision5中使用C语言进行编译并生成.hex文件。（3）深入学习51单片的基本知识，掌握单片与系统各模块的通讯设计，实现单片机与系统各个模块的正常传递数据和正常功能。（4）独立完成整个系统的设计，完成硬件电路图绘制，程序设计以及系统的改进与调试。（5）把Proteus操作应用软件里构建的硬件控制工作应用电路和KeiluVision5里自动智能生成的.hex资料信息文件来互相结合，完成多次检测，把最后综合系统设计的最终结果和综合系统设计需求展开比较研究分析，充分保障工作电路的准确合理性与可实行性后开始实物的焊接工作。6.2未来展望本论文实现了基于单片机的自动泊车系统设计，对于实际的自动泊车系统只是一个基础设计，但原理都大同小异。自动泊车系统对于未来不远就会到来的无人驾驶来说是一个很关键的技术，它运用各种传感器充当汽车的眼睛和耳朵，使得无人驾驶比有人驾驶更加安全和便利。目前国家也加大了对自动泊车和无人驾驶方面的投入，现在市场上的不少汽车已经加装了自动泊车系统，国家也有碳排放的目标，未来的电动汽车会越来越多，无人驾驶也会越来越普及，因此自动智能的泊车系统就显得举足轻重。随着第四次工业革命的来临和社会的向前发展，无人驾驶必将成为趋势。因此基于单片机和工控机的自动泊车系统伴随着电子信息技术的发展，必将有很大的市场规模和应用前景，交通事故的发生也会很大程度上减少，人们的双手被解放，人们的生活就会更加安全、便利、舒适。尤其现在停车场一般空间都不大，车位紧张，未来随着物联网时代和无人驾驶时代的到来，人们将彻底不用开车，开车泊车都是追能汽车自动完成的，这将会极大便利人们的生活。因此，本论文课题的研究具有一定的研究前景和研究价值。

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