單片機(jī)原理在智能泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

季磊++蘇元楷++蔚國將++關(guān)玉琴

【摘要】如今的車多停車位少和泊車空間狹小，對(duì)駕駛?cè)藛T的泊車技術(shù)提出更高的要求。針對(duì)此現(xiàn)象本文設(shè)計(jì)了一種泊車系統(tǒng)，部分解決了這一難題。利用STM32F103單片機(jī)作為微處理器，通過各種光電探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)控，再通過微處理器進(jìn)行識(shí)別，從而控制汽車實(shí)現(xiàn)安全且精確的泊車。使得人們?cè)隈{駛汽車時(shí)，無需過度為泊車時(shí)的安全和準(zhǔn)確性而擔(dān)憂，在一定程度上解決了因?yàn)橥＼嚩l(fā)的安全問題。

【中圖分類號(hào)】G642.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）30-0151-03

一、引言

隨著人們經(jīng)濟(jì)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(cè)方停車不能安全駛?cè)胪＼囄唬?jīng)常出現(xiàn)汽車之間剮蹭，追尾，停車時(shí)位置不正確，以及停車時(shí)占用過多場(chǎng)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(shù)量不斷增加，路邊，小區(qū)，停車場(chǎng)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(dòng)而且不美觀，同時(shí)帶給城市交通的壓力也越來越大[2]。隨著計(jì)算機(jī)，通信，控制技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化，人性化體系不斷完善，智能汽車漸漸進(jìn)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(tǒng)，并且取得了很大進(jìn)步，最常用的泊車輔助系統(tǒng)就是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，它們的功能是在倒車時(shí)，幫助司機(jī)探測(cè)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(shí)別倒車時(shí)的安全位置[5]。

但是在現(xiàn)實(shí)生活中，僅僅有倒車?yán)走_(dá)和倒車影像是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，雖然可以探測(cè)汽車尾部到障礙物的距離，可實(shí)際人們?cè)诓窜嚂r(shí)依然會(huì)發(fā)生由于駕駛員的判斷不正確而導(dǎo)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(shí)的實(shí)際情況，所以現(xiàn)在已有的倒車系統(tǒng)根本無法實(shí)現(xiàn)智能泊車的目的。

現(xiàn)如今，已經(jīng)在廣泛研究的智能泊車系統(tǒng)有超聲波測(cè)距智能泊車系統(tǒng)和可視化倒車系統(tǒng)，其中超聲波測(cè)距系統(tǒng)是利用超聲波來判斷汽車在倒車過程中距離障礙物的遠(yuǎn)近，從而當(dāng)汽車行駛到與障礙物小于安全距離時(shí)，開始報(bào)警或停止汽車運(yùn)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(huì)出現(xiàn)因道路不平而引起的車身震動(dòng)，這就會(huì)影響超聲波在工作中發(fā)生抖動(dòng)，從而失去判斷能力[6]。而且以上兩種方法只是幫助我們監(jiān)測(cè)在倒車過程中是否會(huì)碰撞到障礙物，并沒有實(shí)現(xiàn)真正的智能泊車。本系統(tǒng)旨在讓人們享受汽車方便快捷的同時(shí)，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(jī)智能小車作為實(shí)際汽車進(jìn)行模擬。在無人干預(yù)的情況下，小車進(jìn)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(cè)有障礙物，則立即停止泊車，如果沒有障礙物，繼續(xù)泊車。通過紅外對(duì)管對(duì)泊車位進(jìn)行精確識(shí)別，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)還給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由單片機(jī)控制小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而控制小車的泊車方位及行車速度。紅外對(duì)管識(shí)別原理：紅外探測(cè)具有發(fā)射管和接收管，首先由發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)紅外線沿發(fā)射方向遇到反射面時(shí)，紅外線被反射，由于黑色吸收紅外線，當(dāng)照射在黑色寬帶時(shí)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(qū)域，反射回來的紅外線較多，通過比較模塊可以區(qū)分這兩種現(xiàn)象，同時(shí)利用電平的高低來描述上面兩種現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)高低電平的區(qū)別，此時(shí)再將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的I/O口，單片機(jī)就可以判斷是黑白路面，進(jìn)而可以精確的按照黑色寬帶的路徑完成路徑識(shí)別。直到紅外探測(cè)模塊探測(cè)到已經(jīng)停車入庫，則小車完成泊車動(dòng)作。

本泊車系統(tǒng)主要可以分為小車控制部分，線路識(shí)別部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分，數(shù)據(jù)處理部分，信息傳輸?shù)炔糠纸M成，各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

三、系統(tǒng)功能描述

本系統(tǒng)主要分為以下五個(gè)模塊，單片機(jī)控制電路模塊，電源及穩(wěn)壓模塊，紅外對(duì)管探測(cè)模塊，超聲波測(cè)障模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

1.主控制器模塊

本系統(tǒng)所使用的STM32F103是一款多功能32位的ARM微控制芯片，該芯片內(nèi)具有大小為64K的Flash。芯片集成了定時(shí)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(diǎn)，并且還具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)多種模式，最高工作頻率72MHz，可達(dá)1.25DMips/MHZ，2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道。多達(dá)112個(gè)快速I/O端口，8個(gè)定時(shí)器，其中包含3個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)看門狗定時(shí)器，9個(gè)通信接口，2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口，2個(gè)SPI接口，USB 2.0全速接口，充分滿足系統(tǒng)要求[7]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2。

2.電源及穩(wěn)壓模塊

本系統(tǒng)采用的穩(wěn)壓模塊為LM2596，LM2596為一種電源開關(guān)調(diào)節(jié)器，主要功能是調(diào)節(jié)電源電壓，并進(jìn)行降壓的一款貼片型集成電路，能夠輸出3A的電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。能夠調(diào)節(jié)出小于37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHZ，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接器件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)對(duì)開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。電源穩(wěn)壓模塊電路圖如圖3。

3.紅外對(duì)管探測(cè)模塊

本系統(tǒng)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(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度晶體管組成.其發(fā)射的紅外光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收管對(duì)接收光進(jìn)行解調(diào)輸出。避免了因?yàn)榭梢姽獾母蓴_而產(chǎn)生的誤差。最遠(yuǎn)可以檢測(cè)80厘米左右的距離，并且可以根據(jù)檢測(cè)障礙物的距離要求通過調(diào)節(jié)電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、使用方便等特點(diǎn)，充分滿足實(shí)驗(yàn)要求。紅外對(duì)管電路設(shè)計(jì)圖如圖4。endprint

4.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)采用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電氣連接圖如圖5。

定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電氣連接圖如圖5.

5.超聲波測(cè)障模塊

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

基本工作原理：采用 IO 口 PA8 觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過 IO口PA9輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，PA8觸發(fā)控制信號(hào)輸入，PA9回響信號(hào)輸出等四支線[3]，超聲波模塊電路連接圖如圖6.

四、軟件設(shè)計(jì)部分說明

在main函數(shù)中首先對(duì)STM32進(jìn)行初始化，確定系統(tǒng)時(shí)鐘，然后對(duì)用到的IO口進(jìn)行配置[7～10]。

串口初始化程序如下：

//初始化IO 串口1

//pclk2：PCLK2時(shí)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(shù)部分

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

mantissa<<=4；

mantissa+=fraction；

RCC->AHB1ENR|=1<<0； //使能PORTA口時(shí)鐘

RCC->APB2ENR|=1<<4； //使能串口1時(shí)鐘

GPIO_Set（GPIOA，PIN9|PIN10，GPIO_MODE_AF，GPIO_OTYPE_PP，GPIO_SPEED_50M，GPIO_PUPD_PU）；//PA9，PA10，復(fù)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(shè)置

USART1->BRR=mantissa； //波特率設(shè)置

USART1->CR1&=～（1<<15）； //設(shè)置OVER8=0

USART1->CR1|=1<<3； //串口發(fā)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(qū)非空中斷使能

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

#endif

USART1->CR1|=1<<13； //串口使能

}

其中在主函數(shù)中將串口波特率設(shè)置為9600

五、總結(jié)

本文是基于STM32F103單片機(jī)所設(shè)計(jì)的一種在無人干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車的智能系統(tǒng)。通過超聲波和紅外對(duì)管探測(cè)系統(tǒng)的完美結(jié)合，不但利用紅外對(duì)管來辨別路線，從而解決了超聲波有誤差的缺點(diǎn)，又利用了超聲波測(cè)障來防止倒車出現(xiàn)碰撞，實(shí)現(xiàn)了真正的自動(dòng)泊車。但是，本系統(tǒng)并不能在任何時(shí)間任何場(chǎng)地進(jìn)行自動(dòng)泊車，主要原因是對(duì)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(dòng)泊車。隨著城市建設(shè)的不斷完善，停車位的邊界線也得到進(jìn)一步的完善，所以本系統(tǒng)的前景十分可觀。

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基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)2016年大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

作者簡(jiǎn)介：季磊（1996.2-）男，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧區(qū)，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2014級(jí)本科生。endprint