基于單片機(jī)的自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢玲玲

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威，733006）

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，不斷增加的汽車引發(fā)的導(dǎo)致交通安全、快捷停車已逐漸影響成為城市生活，即便三四線城市，受限于停車位數(shù)量和停車空間，迅速、安全泊車已成為亟待解決的研究熱點(diǎn)。自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)可較好解決上述問題，能夠使汽車泊車過程變得自動(dòng)化、智能化，同時(shí)可為安全駕駛提供更多保障。當(dāng)駕駛員需要停車泊車時(shí)，僅需操作簡單的自動(dòng)按鈕，汽車就可安全、準(zhǔn)確地自動(dòng)進(jìn)入預(yù)定停車位置，讓停車變得簡單易行。作為自動(dòng)控制系統(tǒng)，其判斷車輛空間距離和速度的能力比駕駛員手動(dòng)操作更精確。自動(dòng)泊車系統(tǒng)由主控芯片、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。首先，傳感器構(gòu)成的檢測系統(tǒng)可偵測車身周圍環(huán)境參數(shù)，然后將所測參數(shù)發(fā)送給處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，利用執(zhí)行系統(tǒng)控制車輛的運(yùn)動(dòng)方式和軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車功能。

1 系統(tǒng)方案對(duì)比選擇

單片機(jī)控制芯片是實(shí)現(xiàn)各模塊功能控制的核心，控制芯片選擇直接影響系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇兩款芯片對(duì)比，選擇更合適的主控芯片。經(jīng)對(duì)比分析，選用STC89C52RC單片機(jī)作為控制芯片，STC89C52運(yùn)行速度比8051單片機(jī)速度快8-20倍且程序兼容性好。設(shè)計(jì)時(shí)選用3個(gè)計(jì)時(shí)器，分別用于超聲波測距計(jì)時(shí)、ESP8266設(shè)置波特率串行中斷及電機(jī)PWM調(diào)速。

常用于STC89C52RC單片機(jī)數(shù)據(jù)顯示的電路模塊有液晶數(shù)碼管和LCD1602。對(duì)比可知，液晶數(shù)碼管具有功耗小、體積小、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，配合單片機(jī)控制，可達(dá)到流水、漸變、跳躍等效果，但只能顯示數(shù)字和一些簡單字母。相較而言，LCD1602可顯示任意ASCII碼字符，同時(shí)顯示位數(shù)高達(dá)32個(gè)字符?？刂品矫?，數(shù)碼管需要實(shí)時(shí)輸出信號(hào)，不斷地刷新數(shù)據(jù)才能正常顯示，而LCD1602只需要輸出一次，就能鎖存輸出內(nèi)容，控制更方便，因此選用LCD1602模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

系統(tǒng)中電機(jī)需進(jìn)行PWM調(diào)速，選擇驅(qū)動(dòng)時(shí)要考慮輸出電流和電壓范圍、對(duì)控制輸入端的影響、對(duì)電源影響等。較之L298N，DRV8833體積小、安全系數(shù)高，內(nèi)置過流、過熱、短路保護(hù)和欠壓閉鎖功能。供電電壓方面，L298N最少需6V以上，單片機(jī)供電電壓為5V，加之ESP8266所需3.3V，需提供3端輸入電壓，將對(duì)供電系統(tǒng)造成更大壓力，而DRV8833直接輸入2.7~10.8V電壓即可正常工作，本系統(tǒng)選擇更DRV8833模塊。

系統(tǒng)采用移動(dòng)設(shè)備作為主控系統(tǒng)，當(dāng)前主流無線控制技術(shù)有藍(lán)牙控制和WIFI控制兩類。從兩種主流控制技術(shù)中各選取一種、結(jié)合本系統(tǒng)芯片與供電要求，確定一款更適合的設(shè)備。對(duì)比兩模塊參數(shù)，ESP8266模塊通信范圍廣、價(jià)格低、壽命長、控制簡單穩(wěn)定且適合各種工作環(huán)境更符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用STC89C52RC單片機(jī)為控制核心進(jìn)行自動(dòng)泊車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件部分采用HY-SRF05超聲波紅外避障傳感器確定車身及車位位置，采用LCD1602高清顯示屏顯示輸出，以DRV833驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM技術(shù)驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)，以ESP8266 WIFI模塊經(jīng)移動(dòng)設(shè)備作為輸入主控設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52RC單片機(jī)是Inter公司推出的通用型單片機(jī)，單片機(jī)最小系統(tǒng)是指單片機(jī)以最少的基本組件就可使單片機(jī)處于正常輸入輸出工作狀態(tài)。由STR89C52RC單片機(jī)、電源系統(tǒng)、晶振和復(fù)位電路構(gòu)成。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

■2.2 超聲波傳感電路模塊

使用超聲波測距具有檢測迅速等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量與反饋，在精度等方面都滿足汽車泊車環(huán)境需求。HY-SRF05超聲波模塊測量范圍為2cm~450cm，測量精度可達(dá)3mm，硬件參數(shù)跟測量精度正好滿足本系統(tǒng)的需求。HY-SRF05共有兩個(gè)超聲波傳感器，分別用于收發(fā)超聲波信號(hào)，通過發(fā)送接收信號(hào)所用的時(shí)間來計(jì)算出目標(biāo)的距離。

使用單片機(jī)控制輸出信號(hào)，首先給Trig端口輸入10微秒高電平，并檢測Echo端口上是否有高電平信號(hào)返回，接收到高電平信號(hào)后，模塊啟動(dòng)成功，傳感器發(fā)送超聲波信號(hào)。此時(shí)設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器記錄傳感器發(fā)出信號(hào)時(shí)間，Echo端口輸出高電平結(jié)束后，表示接收管接收到被反彈回來的超聲波信號(hào)，此時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)器可計(jì)算出實(shí)際距離，超聲傳感器電路模塊如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器模塊

■2.3 紅外避障模塊

僅通過超聲波傳感器不能完全地確定車身與車位位置，泊車時(shí)車身與車位不平行會(huì)存在大概率碰撞隱患。使用紅外避障傳感器在感應(yīng)到接近墻邊將要發(fā)生碰撞時(shí)，做出相應(yīng)調(diào)整。紅外避障模塊一共有3個(gè)管腳：VCC、GND、OUT，是一種檢測指定距離以內(nèi)有無障礙物的傳感器。OUT默認(rèn)輸出為高電平，當(dāng)OUT輸出為低電平時(shí)，表示檢測指定距離有障礙物。最后通過LM393處理反彈回來的信號(hào)，電位器設(shè)置的電壓會(huì)影響障礙物的判定距離，當(dāng)LM393的同相端低于反向端的電壓時(shí)，LM393輸出低電平，輸出指示燈亮，判定為檢測到障礙物。紅外避障傳感器模塊如圖4所示。

圖4 紅外傳感器避障模塊

■2.4 其他模塊

2.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)采用兩個(gè)電機(jī)作為前進(jìn)主動(dòng)力，通過調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的速度差實(shí)現(xiàn)左、右轉(zhuǎn)?？烧{(diào)整其中端口占空比，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)小車加速、減速和轉(zhuǎn)彎等。因單片機(jī)自身供電不足，無法直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)采用DRV8833電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輔助驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，用此實(shí)現(xiàn)小車電機(jī)的PWM、前進(jìn)換向等操作，作為小車前進(jìn)的主動(dòng)力。DRV8833采用雙H橋電路，其原理與整流電路類似，為了使電機(jī)M旋轉(zhuǎn)，需導(dǎo)通對(duì)角晶體管。OU1、OUT2為第1路H橋，相對(duì)應(yīng)控制IN1、IN2輸出，OU3、OU4為第2路H橋，控制IN3、IN4輸出，EEP為低電平睡眠模式，默認(rèn)高電平，ULT為保護(hù)報(bào)警輸出，在驅(qū)動(dòng)發(fā)生過熱過流時(shí)輸出低電平，起報(bào)警作用，汽車控制狀態(tài)表如表1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5所示。

圖5 實(shí)物圖

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

表1 模擬汽車狀態(tài)表

0 1 1 0后退1 0 0 0左轉(zhuǎn)0 0 0 1右轉(zhuǎn)0 0 0 0制動(dòng)

2.4.2 無線WIFI模塊

ESP8266WIFI模塊是一個(gè)成本較低的無線控制模塊，其工作溫度范圍大，穩(wěn)定性強(qiáng)，體積小，通過與移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合作為本系統(tǒng)的主控輸入。ESP8266一共有8個(gè)管腳，但在本系統(tǒng)中應(yīng)用只需接5個(gè)管腳。其中TXD與RXD與單片機(jī)的串行接收、發(fā)送端口相接，電源部分接3.3V，使能端口EN接3.3V高電平。無線WIFI模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 電腦終端顯示效果圖

圖6 無線WIFI模塊

2.4.3 蜂鳴報(bào)警模塊

泊車過程中，存在陷入死角導(dǎo)致車輛無法再進(jìn)行自動(dòng)泊車，當(dāng)車輛在自動(dòng)泊車過程中出現(xiàn)問題時(shí)可通過設(shè)計(jì)蜂鳴器報(bào)警提示車主及時(shí)做出反應(yīng)，以免車輛發(fā)生碰撞。

系統(tǒng)采用了有源自激型蜂鳴器，使用單片機(jī)配合三極管將電流放大，可以直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。系統(tǒng)將蜂鳴器的輸入信號(hào)端連接了P1.5端口，當(dāng)輸入為低電平的時(shí)候，蜂鳴器工作發(fā)聲，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲。蜂鳴報(bào)警模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 蜂鳴報(bào)警模塊

2.4.4 顯示模塊

LCD1602可顯示32個(gè)字符，通過編碼還可顯示一些特殊圖案，LCD1602管腳3（V0）可直接串聯(lián)一個(gè)0~10k電阻接地設(shè)置顯示對(duì)比度。為了方便調(diào)整顯示，也可以接一個(gè)電位器來調(diào)節(jié)，可在任何環(huán)境下調(diào)節(jié)對(duì)比度，使其能夠清晰地顯示。顯示模塊主要用于顯示超聲測量距離，第一行設(shè)置顯示為“distance:”，第二行則顯示測量的實(shí)際距離，保留兩位小數(shù)。當(dāng)測量錯(cuò)誤或者超出測量范圍時(shí)，設(shè)置顯示“ERROR!”。顯示模塊電路原理圖如圖8所示。

圖8 顯示模塊

3 軟件程序設(shè)計(jì)

選擇C語言用于單片機(jī)控制變成，較之匯編語言C語言編程更簡易、代碼更易調(diào)試和移植、可生成高質(zhì)量、高效率目標(biāo)代碼。編程采用市場上主流單片機(jī)編程Keil軟件，可有效兼容于市場主流單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。

■3.1 程序設(shè)計(jì)流程

首先將單片機(jī)的硬件進(jìn)行初始化，包括超聲波、esp8266、LCD1602、單片機(jī)系統(tǒng)，使用移動(dòng)設(shè)備WIFI連接上esp8266，發(fā)送泊車信號(hào)，單片機(jī)接收泊車信號(hào)后，開始自動(dòng)泊車。小車通過紅外避障傳感器確定周圍環(huán)境，自動(dòng)駛到車位入口處，進(jìn)行轉(zhuǎn)彎調(diào)整自身位置與車位平行，啟動(dòng)超聲波傳感器實(shí)時(shí)計(jì)算小車與墻邊距離，開始倒車，期間通過紅外避障傳感器檢測小車是否發(fā)生偏移，如有則進(jìn)行微調(diào)，具體流程如圖9所示。

圖9 程序設(shè)計(jì)流程圖

■3.2 主程序設(shè)計(jì)

程序部分使用模塊化的編程方式，將各類子功能封裝在各自的子程序里，這樣既可對(duì)各模塊進(jìn)行單一調(diào)試，在往后需要用到這些模塊時(shí)，又可直接輸入對(duì)應(yīng)的實(shí)參調(diào)用這些子程序，避免代碼冗余。主程序主要用于各模塊函數(shù)調(diào)用、初始化，對(duì)輸入進(jìn)行相關(guān)的處理，搭建整個(gè)系統(tǒng)的框架。

主程序中，首先LCD1602進(jìn)行了初始化，設(shè)置其顯示模式，其次對(duì)3個(gè)計(jì)時(shí)器初始化，分別用于超聲波測距計(jì)時(shí)，ESP8266波特率和電機(jī)PWM，隨后初始化一些其他內(nèi)容，包括LCD輸出默認(rèn)顯示的內(nèi)容以及默認(rèn)關(guān)閉蜂鳴器，最后對(duì)ESP8266WIFI模塊初始化，設(shè)置其工作方式，使單片機(jī)能夠正常接收移動(dòng)設(shè)備的信號(hào)。初始化工作完畢后開始進(jìn)入while無限循環(huán)體，通過中斷函數(shù)，不斷判斷接收到的信號(hào)，如果為控制小車方向信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，如果是泊車信號(hào)，開始自動(dòng)泊車，如果是開啟超聲波信號(hào)，開始進(jìn)行超聲波測距。

■3.3 超聲波檢測程序設(shè)計(jì)

使用HY-SRF05需將Trig拉低10微秒啟動(dòng)模塊，啟動(dòng)完成后等待Echo端口輸出高電平，代表模塊發(fā)送出超聲波信號(hào)，開啟T0計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，等待Echo輸出高電平結(jié)束，代表超聲波接收到反彈回來的信號(hào)，最后通過公式計(jì)算出測量的實(shí)際距離。

■3.4 顯示程序設(shè)計(jì)

（1）初始化

初始化時(shí)，通過程序?qū)CD1602的顯示模式設(shè)置為最多顯示16×2個(gè)字符，字體格式大小為5×7點(diǎn)陣，通過8位數(shù)據(jù)端口收發(fā)數(shù)據(jù)，并且液晶開顯示、光標(biāo)不閃爍。設(shè)置時(shí)，可以通過程序?qū)CD1602寫入控制指令實(shí)現(xiàn)，相關(guān)程序如下：

（2）設(shè)置顯示位置

給LCD1602輸出數(shù)據(jù)前，必須先設(shè)置從哪一位開始顯示，然后才能輸出其顯示的字符。該模塊一共可同時(shí)顯示兩行，可以通過寫入地址碼的指令完成位置的設(shè)定，地址碼分別0x80和0xc0。該程序中，可以通過形參接收到用戶輸入的兩個(gè)參數(shù)，分別為y行和x列，進(jìn)入函數(shù)后，首先對(duì)行列進(jìn)行取模，限制其輸入范圍，其次判斷用戶輸入的行號(hào)，選擇對(duì)應(yīng)的首地址碼加上列號(hào)，最后發(fā)送地址碼的指令，完成設(shè)定顯示位置。

無線控制程序設(shè)置后，打開手機(jī)WIFI連接ESP8266。然后通過一款“TCP連接”的手機(jī)APP，點(diǎn)擊右上角的連接，輸入ESP8266的IP地址、端口（可以發(fā)送AT+CIFSR到ESP8266查看IP地址，默認(rèn)為192.168.4.1），連接本系統(tǒng)，IP地址設(shè)置圖如圖10所示。

圖10 IP地址設(shè)置圖

連接上APP后，就可以設(shè)置相關(guān)的按鈕。點(diǎn)擊按鈕可以通過WIFI發(fā)送按鈕關(guān)聯(lián)的字符串，單片機(jī)接收到字符串，通過邏輯判斷判斷字符串信息，做出相應(yīng)動(dòng)作。本系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了7個(gè)按鈕，分別用于控制小車的前進(jìn)、換向、急停、泊車還有蜂鳴器，ap p按鈕設(shè)計(jì)圖11所示。設(shè)計(jì)好相關(guān)按鈕，每一個(gè)按鈕都指定了傳輸?shù)男盘?hào)，按下后，單片機(jī)通過ESP8266接收到，然后處理該信號(hào)，判斷需要執(zhí)行的操作。

圖11 app按鈕設(shè)計(jì)示意圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

采用Altium Designer設(shè)計(jì)、繪制系統(tǒng)原理圖，繪圖完畢后需檢查各個(gè)元件之間是否漏連線，導(dǎo)線的位置是否連接錯(cuò)誤。本系統(tǒng)電路板采用了萬用板，根據(jù)設(shè)計(jì)好的原理圖進(jìn)行各元器件焊接和連接。焊接前，需對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行測試，確保其能正常工作。焊接完成后，檢查各焊點(diǎn)有無虛焊的情況，使用萬用表檢查電路是否存在短路、斷路等。最后連接電源確定電路穩(wěn)定性。通過萬用表檢測總電路、各支路電壓、電流穩(wěn)定性，測試能否達(dá)到工作要求。

電路焊接無誤后，可通過USB-TTL程序下載器燒錄程序到單片機(jī)，下載器的TXD、RXD與單片機(jī)的RXD、TXD交叉相接，最后接上電源部分，通過STC-IP程序下載軟件下載程序。軟硬件設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，制作完成的硬件調(diào)試電路圖如圖12所示。

圖12 硬件實(shí)物調(diào)試圖

測量超聲波傳感器時(shí)，使用物理尺子輔助計(jì)算實(shí)際測量距離，LCD1602第二行展示其測量超聲波傳感器測量的結(jié)果，經(jīng)過多次測量，其精度能夠達(dá)到毫米級(jí)別。另外，對(duì)紅外避障傳感器進(jìn)行調(diào)試，遇到障礙物時(shí)模塊指示燈會(huì)點(diǎn)亮，可顯示其能否正常工作。

5 結(jié)束語

隨著智能化社會(huì)發(fā)展，新型自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)更安全、更便捷。本文以單片機(jī)為自動(dòng)泊車系統(tǒng)控制核心設(shè)計(jì)了多傳感器泊車控制系統(tǒng)，通過實(shí)物制作和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。調(diào)試分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)基本能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)想效果，完成了自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在理論研究和實(shí)際摸索層面都需要全面深入研究，以獲得更為穩(wěn)定的泊車控制系統(tǒng)。