【正文】 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：小車自動停車入庫系統(tǒng)設計學生姓名：學 號：0967112218專 業(yè)：測控技術與儀器班 級：測控20092班指導教師：趙建敏 講師摘要本設計在信息工程學院智能停車場實驗平臺上,以飛思卡爾智能車為模型設計并實現(xiàn)了小車自動停車入庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Freescale16位單片機MC9S12XS128作為系統(tǒng)微控制器，設計了單片機最小系統(tǒng)、電源管理模塊、電機驅動電路、舵機驅動電路、路徑識別電路及對管定位電路，并介紹了電路相關參數(shù)的計算方法。在小車自動停車入庫系統(tǒng)中，小車通過采集道路信息、交通燈信息以及車庫信息，自動從車場入口行駛至指定空車位，并準確停車入庫。通過CCD攝像頭采集道路信息并對其處理，提取出路中央黑線與小車位置的偏差，從而控制舵機動作來矯正行駛中小車的狀態(tài)；通過安裝在車頭的紅外線對管來確定空車位及信號燈的位置；同樣采用CCD攝像頭來提取信號燈的指向，進而指引小車正確駛向車庫。 關鍵詞：自動入庫；智能車系統(tǒng)；圖像采樣；Freescale16位單片機AbstractOn the experimental platform of the smart parking garage in School of Information Engineering, the automatic car parking storage system is designed on the basis of the Freescale intelligent car. Including the minimum system circuit, power management part, motor drive circuit, servo drive circuit, path recognition circuit and the geminate transistors circuit, the system takes the MC9S12XS128 SCM as its microcontroller. Besides, relative calculations of parameters are also given.In this automatic car parking garage system, the smart car is designed to drive to the assigned garage automatically from the entrance and to park in the storage accurately, though identifying information of roads, traffic lights and garages. Firstly, the system is used to deal with the information searched by CCD camera, then to find the deviation between the position of the car and the central black line, and correct the car through a steering gear. In addition, the infrared tubes can be installed in front of the car to determine the locations of the empty parking spaces and the signal lights. Similarly, the directions of signal lights can be detected by CCD camera as well to make the car drive in the garage correctly.Key words: Automatic parking garage。 Intelligent vehicle system。 Image sampling。 Freescale16bit singlechip 51目錄摘要 IAbstract II第一章 引言 1 設計背景及意義 1 設計目標 2第二章 總體設計 3 系統(tǒng)硬件結構 3 設計方案分析 3 道路識別方案分析 4 交通燈識別方案分析 5 小車自動入庫方案分析 5 系統(tǒng)硬件安裝 6 智能車系統(tǒng)硬件安裝 6 車場硬件安裝 7第三章 硬件設計 8 單片機最小系統(tǒng)電路 8 單片機MC9S12XS128簡介 8 單片機時鐘電路設計 9 復位電路設計 9 BDM接口電路設計 10 電源電路設計 11 5V電源電路設計 11 6V電源電路設計 12 12V電源電路設計 12 直流電機及電機驅動電路 14 電機RS380簡介 14 電機驅動電路 14 視頻采集電路 16 CCD攝像頭的工作原理 16 視頻分離電路 17 舵機及舵機驅動電路 18 紅外對管電路 19第四章 軟件設計 21 主函數(shù) 21 初始化程序設計 22 鎖相環(huán)初始化設計 22 TIM模塊初始化設計 22 PIT模塊初始化設計 23 PWM模塊初始化設計 24 AD轉換初始化設計 24 道路模塊程序設計 25 道路信息采集程序設計 25 引導線提取程序設計 27 交通燈模塊程序設計 28 小車自動入庫程序設計 29第五章 總結 31參考文獻 32附錄A：系統(tǒng)硬件仿真原理圖 34附錄B1：最小系統(tǒng)PCB原理圖 35附錄B2：電機驅動PCB原理圖 35附錄B3：電源模塊PCB原理圖 36附錄C：系統(tǒng)C語言源程序 37第一章 引言 設計背景及意義智能停車場實驗室是我校信息工程學院為本科研究生實踐訓練和課程研究搭建的模擬平臺，該實驗室可以為自動化和測控專業(yè)在數(shù)字電路實驗、模擬電路實驗和嵌入式實驗等方向上提供支持，為我院學生的學習生活又增添了一種新的方式。在此平臺上能夠實現(xiàn)自動停車和車庫設計兩方面的功能，其中自動停車方面可以研究自動循跡、信號燈識別、圖像識別以及PWM控制等，車庫設計方面可以研究空位查詢、各種安全報警以及停車信息系統(tǒng)管理等。測控技術與儀器專業(yè)是一個理論與實踐并重的專業(yè)，理論性與應用性都極強。除了要學習測控的理論知識外，還要進行相關實踐的訓練，以提高解決實際問題的能力，加深對知識的理解。為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和開發(fā)能力，我校信息與工程學院先后創(chuàng)辦了創(chuàng)新基地與秋實工作室，智能停車場課題也是在此基礎上提出的。學院計劃設立智能停車場實驗室，用于研究其相關系統(tǒng)，同時用于單片機嵌入式課程的教學。該項目為我們提供了一個學習的平臺，讓有興趣的同學參與開發(fā)研究，可以開闊大家的視野，激發(fā)學習基礎理論的熱情。對于大四的學生，可以將其作為畢業(yè)設計深入研究，更好的了解現(xiàn)在社會上嵌入式發(fā)展的形勢。此外，通過這個實驗室還可以增進與其他院校的交流，以達到相互學習共同進步的目的。本設計是在智能停車場的基礎上，對車輛自動進入車庫系統(tǒng)進行設計的，以便提高車庫的自動化程度。如果這項技術成熟并投入使用，不但可以改變現(xiàn)在車場管理效率低下的現(xiàn)狀，而且可以實現(xiàn)車場無人化管理，節(jié)省人力物力。因為車輛入庫是按照空余車位指定的路線自動行駛停放的，從而解決了車庫排隊擁擠和停車安全的問題，減少了車主停車的時間。此外，如果停車場內(nèi)有對外開放的臨時車位，自動停車系統(tǒng)更加有利于對這些車位的管理。隨著我國城市化進程的加速和人們經(jīng)濟生活水平的提高，擁有私家車的家庭越來越多，城市機動車輛迅速增加。車輛的高速增長導致城市交通擁堵，與此同時，停車入庫排隊時間長和尋找車位困難已經(jīng)成為十分嚴重的社會問題。城市交通需求量不斷增大，城市人口又相對密集，無論是私家車還是公交車輛都很難滿足正常停放，一方面車主對停車的安全性和便利性都產(chǎn)生了新的需求，另一方面更加科學有效地管理車場，提高車場的使用率和安全性，已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱門[1]。 設計目標本設計是在飛思卡爾智能小車的基礎上進行的，首先要按照飛思卡爾大賽的標準設計出智能車系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、電機驅動模塊及轉向舵機控制模塊等[2]。這部分要實現(xiàn)的主要功能是：智能車在攝像頭的配合下，能夠自動識別指定道路并沿著道路上的引導線行駛。在小車行駛的過程中，利用了攝像頭對道路進行感測，得到的數(shù)據(jù)送交單片機，單片機處理得到的數(shù)據(jù)，通過PWM波控制車頭舵機的轉動，從而調(diào)整小車的相對位置，以達到自動尋跡的目的。在此基礎上設計智能車自動進入車庫并準確停入空余車位，這部分主要包括識別交通燈和定位空車位兩部分。通過攝像頭采集交通燈的信息，經(jīng)過程序算法提取出交通燈的指向，指引小車向空車位行駛。在小車和車位上安裝紅外線對管，當車位上沒有車時，車位上的紅外線對管發(fā)射信號，小車經(jīng)過時通過紅外接收器檢測到信號，從而實現(xiàn)定位車位的功能。本設計的具體任務如下：（1）、結合停車場模型，設計引導路線的識別方法；（2）、結合停車場模型，設計信號燈的識別方法；（3）、設計小車控制硬件電路原理圖、PCB；（4）、設計循跡、停車入庫軟件。第二章 總體設計 系統(tǒng)硬件結構智能小車系統(tǒng)的功能模塊主要有：控制核心(MCU)模塊、電源管理模塊、交通燈檢測模塊、路徑檢測模塊、電機驅動模塊、舵機控制模塊以及輔助調(diào)試模塊，在這次自動入庫的設計中還有一個紅外傳感器模塊，用于準確尋找空余車位。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分，硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。智能車系統(tǒng)的總體結構框圖如圖21所示。圖21 智能車系統(tǒng)總體結構框圖 微控制器根據(jù)圖像采集傳感器采集的道路信息快速準確地對路徑進行判斷，對舵機和后輪直流電機PWM控制，從而保證智能車能夠快速穩(wěn)定地行駛。其中微控制器選用Freescale公司的MC9S12XS128開發(fā)模塊；電源管理模塊為開發(fā)模塊、各傳感器、舵機以及直流電機提供電源；圖像采集模塊采用面陣CCD攝像頭；舵機控制模塊用來控制小車轉向的，模塊化舵機只要送入脈寬調(diào)制信號就可控制其轉向和轉角，控制主要是通過單片機片內(nèi)資源PWM配合編程實現(xiàn)；直流電機驅動模塊為車后輪直流電機驅動。 設計方案分析在設計小車自動停車入庫系統(tǒng)的過程中，通過對相關資料的查詢，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不同部分存在多種實現(xiàn)方案，各種方案都存在其利弊。系統(tǒng)的方案選擇主要存在道路識別、交通燈識別、自動倒庫三個模塊，下面將分析這三個模塊的方案，選擇出最利于我們實現(xiàn)的方法。 道路識別方案分析道路識別模塊要實現(xiàn)的功能是在白底黑線的車道上自動識別行駛的路線，檢測智能車相對于車道中央的偏移量、方向等信息使小車自主沿著車道運行。為了提高小車對車場環(huán)境的適應能力，實現(xiàn)其自主沿著車道快速而穩(wěn)定的行駛，要選擇合適的采集賽道信息傳感器，設計合理的路徑識別方，以確保獲取足夠多、足夠遠、足夠精確的車道信息來提高小車的運行速度。路徑識別的主要要求是準確、快速、盡量超前地采集路面信息，把它轉變成點信號，傳送到單片機中處理?，F(xiàn)在做路徑識別的技術很多，方法也是千差萬別，但其目的都是為小車尋到前進的方向，現(xiàn)在分析下面三種方案的利弊。 （一）、基于光電傳感器的路徑識別方案對于飛思卡爾大賽來說，基于光電傳感器來進行路徑識別是完全可行的，因為賽道是在白色賽道上識別中間的黑色，可以在小車前面裝上光敏器件，光敏電阻或是光敏二極管，根據(jù)白色與黑色賽道對光的反射強度的不同，從而對光敏器件產(chǎn)生不同的電阻電壓，把這些數(shù)據(jù)送給單片機處理就可以讓小車識別具體的路線。這種方案的優(yōu)點是電路簡單，信號處理速度快。其弊端是感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低[3]。（二）、采用電磁傳感器的路徑識別方案這種方案是在道路中央安裝電流約為20KHz、100mA的導線，采用電磁傳感器陣列來感應道路上的磁場信號，經(jīng)過放大電路放大后，可以得到正弦波，傳給單片機進行AD采樣，得到正弦波的峰值，以判斷電磁傳感器距離導線的距離，從而定位智能車在路徑上所處位置。這種方案的特點是：磁場在空間的分布具有方向性，所以電磁傳感器采集的信息同樣具有特定的方向。其缺點是磁場受附近車道上磁場影響較大，而且不同傳感器對磁場感應的變化規(guī)律有很大的差距[4]。（三）、采用攝像頭采集的路徑識別方案 使用攝像頭采集路徑信息的原理是通過調(diào)整攝像頭鏡頭的焦距，可以采集到小車前方不同范圍的道路圖像，得到智能車前方的道路信息，對圖像中的道路參數(shù)進行檢測。通過對檢測的圖像用適當?shù)膱D像處理方式進行處理后，可以獲得道路的中心位置、道路形狀、彎道曲率等信息。其優(yōu)點是可以獲得小車前方較遠路徑信息，不足是對圖像處理的計算量大，單片機處理數(shù)據(jù)時間長，電路設計相對復雜。攝像頭的選擇也存在兩種方案，一種是采用CCD圖像傳感器，其是以PAL制式信號輸出到CCD信號處理模塊并進行同步信號分離，連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)和同步信號同時輸入到S12單片機控制核心，進行進一步的圖像處理。其優(yōu)點是對比度高、動態(tài)特性好。缺點是工作電壓是12V，需要升壓模塊，耗電量較大，且圖像穩(wěn)定性不高。另一種方案是采用CMOS圖像傳感器，這種傳感器的原理與CCD圖像傳感器的原理大致相同。雖然CMOS傳感器具有電源功耗低、感光度高的特點，但其受環(huán)境影響較大，適應性較差[5]。綜上所述，在這次設計中路徑識別模塊選用CCD圖像傳感器的攝像頭方案。 交通燈識別方案分析現(xiàn)在各學科對識別交通燈的研究很多，依據(jù)的理論也各不相同。例如上海交通大學研究的基于級聯(lián)濾波交通燈識別方法，其是通過對已有的交通燈圖像進行訓練及采用色彩分割的方法而提取候選區(qū)域，并將候選區(qū)域作為輸入[6