單片機原理在智能泊車系統設計中的應用

季磊++蘇元楷++蔚國將++關玉琴

【摘要】如今的車多停車位少和泊車空間狹小，對駕駛人員的泊車技術提出更高的要求。針對此現象本文設計了一種泊車系統，部分解決了這一難題。利用STM32F103單片機作為微處理器，通過各種光電探測器實時監控，再通過微處理器進行識別，從而控制汽車實現安全且精確的泊車。使得人們在駕駛汽車時，無需過度為泊車時的安全和準確性而擔憂，在一定程度上解決了因為停車而引發的安全問題。

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）30-0151-03

一、引言

隨著人們經濟水平的不斷提高，購買汽車的人越來越多，雖然汽車使人們出行更加方便，快捷，舒適，但伴隨而來的安全問題也不能忽視。例如側方停車不能安全駛入停車位，經常出現汽車之間剮蹭，追尾，停車時位置不正確，以及停車時占用過多場地或者影響其他人停車、行車，而引起的一系列不必要的麻煩[1]。這些問題的主要原因就是泊車難。由于汽車的數量不斷增加，路邊，小區，停車場隨處可見停著橫七豎八的汽車，既影響汽車及行人的正常行動而且不美觀，同時帶給城市交通的壓力也越來越大[2]。隨著計算機，通信，控制技術的不斷發展，智能化，人性化體系不斷完善，智能汽車漸漸進入了人們的眼簾，例如很多汽車廠商都在大力研究智能泊車系統，并且取得了很大進步，最常用的泊車輔助系統就是倒車雷達系統，它們的功能是在倒車時，幫助司機探測汽車尾部到最近物體的距離[4]。目前很多車型都安裝了此裝置，以方便駕駛員更好、更安全的停靠車輛。有些汽車還在其尾部配置了攝像頭，可以通過觀察倒車影像來識別倒車時的安全位置[5]。

但是在現實生活中，僅僅有倒車雷達和倒車影像是遠遠不夠的，雖然可以探測汽車尾部到障礙物的距離，可實際人們在泊車時依然會發生由于駕駛員的判斷不正確而導致的車禍，其根本原因還是駕駛員無法全面的觀察汽車在泊車時的實際情況，所以現在已有的倒車系統根本無法實現智能泊車的目的。

現如今，已經在廣泛研究的智能泊車系統有超聲波測距智能泊車系統和可視化倒車系統，其中超聲波測距系統是利用超聲波來判斷汽車在倒車過程中距離障礙物的遠近，從而當汽車行駛到與障礙物小于安全距離時，開始報警或停止汽車運行[3]。但是僅僅利用超聲波和可視化視頻傳輸工具是不夠的，由于汽車在行駛中難免會出現因道路不平而引起的車身震動，這就會影響超聲波在工作中發生抖動，從而失去判斷能力[6]。而且以上兩種方法只是幫助我們監測在倒車過程中是否會碰撞到障礙物，并沒有實現真正的智能泊車。本系統旨在讓人們享受汽車方便快捷的同時，也更加的安全。

二、工作原理

首先，在泊車位貼上可以分辨清晰地黑色寬帶，并利用單片機智能小車作為實際汽車進行模擬。在無人干預的情況下，小車進行泊車，利用超聲波判斷泊車位上是否有障礙物，如果在泊車過程中檢測有障礙物，則立即停止泊車，如果沒有障礙物，繼續泊車。通過紅外對管對泊車位進行精確識別，并將檢測數據發還給單片機進行數據處理，再由單片機控制小車的電機驅動，從而控制小車的泊車方位及行車速度。紅外對管識別原理：紅外探測具有發射管和接收管，首先由發射管發射出一定頻率的紅外線，當紅外線沿發射方向遇到反射面時，紅外線被反射，由于黑色吸收紅外線，當照射在黑色寬帶時反射回來的紅外線就較少，同理，如果紅外線照射在除黑色以外的區域，反射回來的紅外線較多，通過比較模塊可以區分這兩種現象，同時利用電平的高低來描述上面兩種現象就會出現高低電平的區別，此時再將信號傳輸到單片機的I/O口，單片機就可以判斷是黑白路面，進而可以精確的按照黑色寬帶的路徑完成路徑識別。直到紅外探測模塊探測到已經停車入庫，則小車完成泊車動作。

本泊車系統主要可以分為小車控制部分，線路識別部分，實時監測部分，數據處理部分，信息傳輸等部分組成，各部分之間的關系如圖1所示。

三、系統功能描述

本系統主要分為以下五個模塊，單片機控制電路模塊，電源及穩壓模塊，紅外對管探測模塊，超聲波測障模塊，電機驅動模塊。

1.主控制器模塊

本系統所使用的STM32F103是一款多功能32位的ARM微控制芯片，該芯片內具有大小為64K的Flash。芯片集成了定時器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能。而且具有高性能，低功耗的特點，并且還具有睡眠、停機和待機多種模式，最高工作頻率72MHz，可達1.25DMips/MHZ，2個12位模數轉換器2個DMA控制器，共12個DMA通道。多達112個快速I/O端口，8個定時器，其中包含3個16位定時器，2個看門狗定時器，9個通信接口，2個I2C接口，3個USART接口，2個SPI接口，USB 2.0全速接口，充分滿足系統要求[7]。單片機最小系統如圖2。

2.電源及穩壓模塊

本系統采用的穩壓模塊為LM2596，LM2596為一種電源開關調節器，主要功能是調節電源電壓，并進行降壓的一款貼片型集成電路，能夠輸出3A的電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。能夠調節出小于37V的各種電壓。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150KHZ，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。由于該器件只需4個外接器件，可以使用通用的標準電感，這更優化了LM2596的使用，極大地簡化了本系統對開關電源電路的設計。電源穩壓模塊電路圖如圖3。

3.紅外對管探測模塊

本系統所使用的是一款E18-D80NK-N的紅外反射式光電傳感器，其采用了高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度晶體管組成.其發射的紅外光經過調制后發出，接收管對接收光進行解調輸出。避免了因為可見光的干擾而產生的誤差。最遠可以檢測80厘米左右的距離，并且可以根據檢測障礙物的距離要求通過調節電位器旋鈕進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、使用方便等特點，充分滿足實驗要求。紅外對管電路設計圖如圖4。endprint

4.電機驅動模塊

本系統采用L298N作為主驅動芯片。L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動兩臺直流電機。

電機驅動模塊電氣連接圖如圖5。

定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動兩臺直流電機。電機驅動模塊電氣連接圖如圖5.

5.超聲波測障模塊

超聲波測障模塊采用HC-SR04超聲波模塊，該模塊可探測最遠400cm最近2cm的探測距離，并且探測方式為非接觸式距離探測，測距精度最高可高達3mm。主要包括超聲波發射器、接收器與探測電路。

基本工作原理：采用 IO 口 PA8 觸發測距，給至少10μs的高電平信號；模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO口PA9輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，PA8觸發控制信號輸入，PA9回響信號輸出等四支線[3]，超聲波模塊電路連接圖如圖6.

四、軟件設計部分說明

在main函數中首先對STM32進行初始化，確定系統時鐘，然后對用到的IO口進行配置[7～10]。

串口初始化程序如下：

//初始化IO 串口1

//pclk2：PCLK2時鐘頻率（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； //得到整數部分

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

mantissa<<=4；

mantissa+=fraction；

RCC->AHB1ENR|=1<<0； //使能PORTA口時鐘

RCC->APB2ENR|=1<<4； //使能串口1時鐘

GPIO_Set（GPIOA，PIN9|PIN10，GPIO_MODE_AF，GPIO_OTYPE_PP，GPIO_SPEED_50M，GPIO_PUPD_PU）；//PA9，PA10，復用功能，上拉輸出

GPIO_AF_Set（GPIOA，9，7）； //PA9，AF7

GPIO_AF_Set（GPIOA，10，7）；//PA10，AF7

//波特率設置

USART1->BRR=mantissa； //波特率設置

USART1->CR1&=～（1<<15）； //設置OVER8=0

USART1->CR1|=1<<3； //串口發送使能

#if EN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中斷

USART1->CR1|=1<<2； //串口接收使能

USART1->CR1|=1<<5； //接收緩沖區非空中斷使能

MY_NVIC_Init（3，3，USART1_IRQn，2）；//組2，最低優先級

#endif

USART1->CR1|=1<<13； //串口使能

}

其中在主函數中將串口波特率設置為9600

五、總結

本文是基于STM32F103單片機所設計的一種在無人干預的情況下實現自動泊車的智能系統。通過超聲波和紅外對管探測系統的完美結合，不但利用紅外對管來辨別路線，從而解決了超聲波有誤差的缺點，又利用了超聲波測障來防止倒車出現碰撞，實現了真正的自動泊車。但是，本系統并不能在任何時間任何場地進行自動泊車，主要原因是對停車位有較高的要求，停車位的邊界線必須清晰可見，才可以完成自動泊車。隨著城市建設的不斷完善，停車位的邊界線也得到進一步的完善，所以本系統的前景十分可觀。

參考文獻：

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[5]馬程.車輛輔助駕駛全視角成像關鍵技術研究[D].合肥工業大學，2009

[6]蘇煒，龔壁建，潘笑. 超聲波測距誤差分析[J]. 傳感器技術，2004，（06）：8-11.

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[8]朱濤.基于 STC89C52 單片機的智能循跡小車設計[J]. 電腦知識與技術，2011，（31）：7751-7753+7758.

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[10]倪剛. 基于 AT89C51 智能循跡小車設計[J]. 電子技術與軟件工程，2014，（14）：266.

基金項目：內蒙古工業大學2016年大學生創新實驗計劃。

作者簡介：季磊（1996.2-）男，漢族，內蒙古烏蘭察布市集寧區，內蒙古工業大學理學院電子信息科學與技術專業2014級本科生。endprint