《基于单片机的停车位指示系统设计》8100字（论文）

基于单片机的停车位指示系统设计摘要汽车已经作为生活中重要的交通工具，出行已经离不开它，在城市的交通管制中，汽车停车场则是非常重要的，在进入大型商场、机场、地铁站等等都离不开之前，开车都需要将车停在特定的位置中，而停车场中停车为需要标注停车位指示，否则乱停车会由安全隐患，甚至是会导致严重的交通事故。本次设计主要是以STM32F103C8T6系统为主控制系统，其特点是：设计中加入车库红外传感器进行感应，使得车辆在进出车库或者停车场时能够自动感应并且使用电机控制车杆的开启，结合红外传感器进行车位检测，将剩余的车位位置通过OLED显示屏显示给车主进行查看，方便查找空余的车位，同时采用LED灯进行指示，显示当前车位的情况，其中红灯亮时说明该车位上已经有车，而绿灯亮起则表示车位未停车，并且相关数据通过OLED显示屏显示。关键词：红外传感器，OLED显示屏，LED灯指示目录1绪论 11.1课题研究的目的及意义 11.2国内外发展现状 11.3本文的主要工作和组织安排 22系统方案设计 32.1功能设计 32.2总体设计方案 32.3相关模块选型 42.3.1主控制系统选型辩证 42.3.2系统主电源方案选取 42.3.3电机驱动选择方案 43硬件电路设计 63.1STM32F103C8T6最小系统电路 63.2OLED显示屏显示电路设计 83.3车库红外感应开杆电路设计 83.4电机驱动控制电路设计 93.5LED灯指示电路设计 94系统程序设计 114.1keil5软件介绍 114.2初始化流程图 114.3OLED显示屏显示程序流程 124.4红外线数据采集流程图 125系统制作与调试 145.1制作流程 145.2调试 15结论 18参考文献 19附录 21附录A原理图 21附录B主要程序 22第1页1绪论1.1课题研究的目的及意义当今时代，社会的进步速度飞快，中国的经济进入了高速发展时期。近些年以来，随着我国全面小康的推进，人民的生活水平得到了不少的提升。汽车就如同八九十年代的“老三件”一样，成为了现时代的“老三件”，也成为了现代人出行的主要交通工具。然而，随着这一交通工具的改变也出现了一系列的问题。比如让人感到烦躁的堵车，排了半小时队也未见得能进的停车场以及停车场管理不善。为了满足人们生活和工作的环境更规范、更便利，许多大型综合性建筑和居民小区将管理效率高、方便又快捷的智慧停车场系统成为首选的必备配套设施。停车场是城市交通基础设施的重要组成部分，也是不可或缺的一部分，如果城市当中没有了停车场，那么城市里的汽车将会乱停乱放，这必然会影响到交通秩序，而停车位的总需求又是刚性的。随着生活水平的不断提高，家庭车辆、社会车辆的拥有量在迅速地增长，由于地面空间有限，停车场车位不足的矛盾显得越来越突出，停车场管理的重要性也会越来越受到重视，而其技术的核心是对车辆的自动监控、识别和自动管理。1.2国内外发展现状目前，国外停车场管理系统经过多年的发展，已经基本进入了智能无人收费阶段。停车场管理系统的一个显著特点是停车交易支付手段的电子化工程度非常高，基本上不存在现金交易的现象。许多国外管理系统配备停车车位引导系统、停车车位查询系统等智能化设备，使停车场管理系统的功能更加丰富[1]。一些国外停车设备厂商正在研究能够实现“网络化存车”的停车场管理系统。这种系统依靠于互联网连接，能够真正地实现在一个镇或者区内的多个停车场随意停车，管理系统会统一调度车位资源，统一进行交易结算。对于需要停车的用户可以通过手机网络对自己想要停的车位进行一个预定，预支一定的停车费用，还能通过网络了解到这个停车场附近的相关信息。这种新型的停车场管理方式非常符合互联网在人们日常生活中越来越重要的现状，使停车场管理系统的作用和范围得到了较大的提高。不过，国外这种停车场管理系统因为运用了大量的先进技术，所以导致这套系统的造价昂贵，维护的成本也不便宜。在国内，智能的停车管理包含自动开关闸门、自动识别车牌号、对停车用户车型的自动识别、自动计费以及扣费等方面的技术，对于这些方面的技术应用已经相对成熟了，而且将成本控制在相对较低的情况[2]。虽然这与国外的停车场管理系统有着很大的差距，但是国外的停车场管理系统未必符合我们国内的市场，毕竟我们国家人口众多，相对面积下人口密度大，每个小区物业或者每个镇的停车收费标准也不同，这很难达到统一收费的标准。面对这种比较复杂的收费情况，我们也可以调整一下策略，比如不设置统一收费标准，进行对停车场里的车位上云端，停车用户可以通过云端查看剩余车位数量和收费标准，来判断停车场是否满足他的需求。而智慧停车场除了RFID外，也有其他事物加标签的技术，如近场通讯、条形码、二维码等。在IBM的《智慧的城市在中国》白皮书中，对智慧城市基本特征的界定是：全面物联、充分集成、激励创新、协同运作等四方面。即智能传感设备将城市公共设施物联成网，物联网与互联网系统完全对接融合[6]，政府、企业在智慧基础设施上进行科技和业务的创新应用，城市的各个关键系统和参与者进行和谐高效地合作。智慧停车场作为其中的一部分，也必将发挥其重要作用。1.3本文的主要工作和组织安排利用所学专业的知识完成的一款基于单片机停车位指示设计，主要工作包括：第一章：设计理念的阐述。本章主要是通过查阅书籍、浏览各大网站的文学资料，以及研读有关文献，将本次课题中作品的背景、设计理念和设计的目的进行一个相关的介绍。第二章：规划方案设计。本章内容中主要叙述了本作品有关的电路控制系统的总体设计，其中介绍了主控制电路中与各电路模块的之间的关系，并且阐述了如何实现功能。第三章：硬件部分设计。硬件电路方面的设计尤为重要，本章中主要介绍了STM32芯片结合各电路控制模块等一起作用，以保证电路的完整性，更好的实现功能。第四章：软件部分设计。软件方面主要是由代码控制电路的功能输出，本章主要阐述了软件代码的思路，以及根据硬件中的电路结合，共同实现功能，得到一个完美的作品。第五章：调试。调试中不仅要对硬件电路进行测试，确保电路系统连通，还要对软件代码进行调试，确保功能能够实现。第六章：结论。总结上述的设计过程。2系统方案设计2.1功能设计汽车已经作为生活中重要的交通工具，出行已经离不开它，在城市的交通管制中，汽车停车场则是非常重要的，在进入大型商场、机场、地铁站等等都离不开之前，开车都需要将车停在特定的位置中，而停车场中停车为需要标注停车位指示，否则乱停车会由安全隐患，甚至是会导致严重的交通事故。本设计的主要功能设计如下：1、根据红外感应是否有车辆进入，进行自动开启或关闭车闸门（车杆）。2、通过红外传感器进行车位判断，并且将剩余情况进行显示，方便车主进行剩余车位查看。3、利用红外传感器进行检测车位情况检测，并结合LED灯进行指示，红灯亮起则表示该车位已有车停车，绿灯亮起则表示车位未停车。4、OLED显示剩余车位情况信息。2.2总体设计方案设计的系统框图如图2.1所示。STM32F103C8T6STM32F103C8T6系统OLED显示按键控制电机控制初始化5V稳压红外传感器LED指示灯图2.1设计的系统框图2.3相关模块选型105542.3.1主控制系统选型辩证方案一：采用树莓派。树莓派是一款功能性极其强大的控制模块，犹如一台迷你型的小电脑，能够进行各种各样的功能实现，在使用时，不需要外接电路，可以直接连接USB进行使用，用户也可以进行外接拓展卡，实现更多的功能，但是内部结构较为复杂，程序上的书写也较为复杂，并且市面上的价格也比较昂贵。方案二：采用STM32单片机。STM32单片机的体积不大，功能齐全，能够实现更多的功能控制，性能方面在单片机系列中相对较好的一款，不仅能够实现多个串口同时通讯，还能够让使用者在开发时灵活运用程序，强大的内部功能，实现更加的方便快捷的应用程序的开发操作。由于设计中的电路较为简单，不需要运用到高端的树莓派开发板，而STM32中的性能已经足以满足设计要求，故决定使用方案二作为此设计的主控制系统。105542.3.2系统主电源方案选取方案一：开关电源。开关电源的使用领域较为广泛，主要特点为耗能低、功率损耗低、发热量较小，并且设计的外形小巧，还能长时间保持稳定输出，输入电压范围为：110V~250V，输出电流为：0.5A~5A。方案二：线性稳压电源线性稳压电源是生活中常见的电源，使用的非常广泛，在线性稳压内部的电路中，常常使用的芯片主要有7805、LM78系列，主要特点有工作稳定输出，输出速度较快，稳压电路常常用于3.3V或5V电压供应，能够保证整个电路的正常运行。电源是每个设计都必须要使用到的，本设计中需要用到的供应电压的电压值为5V电压，因此选用方案二的线性稳压电源较为合适，能够保障整个系统的稳定工作。2.3.3电机驱动选择方案本次设计选的是停车车库开杆控制，因此需要选择电机启动芯片，设计中采用了电机控制。方案一：BTS7970电机驱动模块。该电机驱动模块实现电机的正反转控制，同时该电机驱动芯片电流大，可以实现重物的驱动运行，稳定性能好，但是价格贵，成本高。方案二：TB6612电机驱动模块。该电机驱动模块具有自动散热电路，一般情况下是比较耐热，同时该模块可以同时驱动双路电机运行，稳定性强，动力大，输出电流可以达到3A，TB6612驱动模块价格便宜、电路简单、输出电流3A，满足设计要求。综合考虑选用比较便宜的TB6612驱动模块作为本设计的电机驱动模块，该模块电路简单、控制容易，精确度高。3硬件电路设计3.1STM32F103C8T6最小系统电路本设计采用的主控制芯片是STM32F103C8T6，其内核是ARMCortex-M的一个32位的控制器。此款型号的单片机是一个功能强大的模块，拥有这性价比高、系统稳定性高、运行速度较快等特点，在程序编程方面也较为简单，比较容易操作，因此，选用了STM32F103C8T6作为此设计的主控制器。单片机最小系统图如图3.1所示。以下几点是STM32单片机的相比其他单片机的优势：（1） 资源丰富。具有通讯485和232两种，定时器中断、以及PWM等各种资源。（2） 运行方面。具有功耗低、运行速度较快、同时拥有多个I/O口可供连接等。（3） 程序编程方面。具有高度的兼容性，以及与外围设备完美的灵活融合，而且技术较为成熟，运用广泛。图3.1单片机最小系统图3.1.1复位电路复位电路是单片机的外接电路，其主要做用是在给作品进行上电处理后，会瞬间将低电平信号传送到单片机的复位脚，使得单片机进行一个程序复位，但是复位的程序只是备份之外的区域寄存器进行恢复默认状态，简单来说就是让程序重头开始跑。工作原理：利用RC电路的充放电原理，在上电瞬间为NRST引脚产生一个短暂的低电平。作品刚进行电流流过时，会经过R15和C8到地，因此为电容C8进行充电，让RST的引脚的状态呈现低电平；当C8充电的操作完成后，就会自动断开，呈现一个“断路”的状态，让RST变成高电平的状态。复位电路图如图3.2所示。图3.2复位电路图3.1.2时钟电路时钟电路的存在意义是让单片机有条不紊地工作。单片机在运行时，速度较快，易受到干扰，可靠性能变差，单片机需要连接外部时钟作为振荡器，以稳定系统，进而实现正常运行。时钟电路图如图3.3所示：图3.3时钟电路图3.2OLED显示屏显示电路设计本次设计运用的是OLED显示屏进行显示，此显示屏是不需要背光源，是有机发光二极管，当有电流流过时可直接发光，使用方便，操作简单，电路接口中需要连接单片机I/O口中进行控制，其主要是将其检测到的数据进行显示，方便人们查看相应的数据，对水产的环境进行实时监控，做出相应的措施，维持水中的环境，使得水产能够提高产量以及品质得到保障。OLED显示屏的工作模式主要有4种，其中包括两种并行串口方式、SPI、以及I2C接口方式。在与STM32单片机进行通讯时，需要建立GRAM，这样在后期进行修改时，只需要进行修改STM32上的GRAM，并且在完成修改之后直接写入到OLED的GRAM，可以很好解决按字节写入的这一问题，也不会出现影响到之前的状况了。OLED显示屏显示电路图如图3.4所示。图3.4OLED显示屏显示电路图3.3车库红外感应开杆电路设计红外传感器电路进行采集信号的判断，传感器接通单片机I/O口，系统通过检测红外传感器中所传输的数据进行相关判断，最后得出是否触发的结论。系统进行对应判断为是否有检测到车辆进入，若是有，则会进行开杆操作，进而实现得到想要的数据参数，在通过其他部分进行对应的一个控制。红外传感器开杆电路图如图3.5所示。图3.5红外传感器开杆电路图3.4电机驱动控制电路设计TB6612电机驱动电路原理图中包含4个逻辑门电路。在电压电流允许的范围内可以非常的驱动1个直流电机。STM32需要由2个引脚控制，AO1是电机的逻辑输入控制端口，电平0-5V。AO2是电机的逻辑输入控制端口，电平0-5V。BO1是电机的逻辑输入控制端口，电平0-5V。BO2是电机的逻辑输入控制端口，电平0-5V。AO1、AO2为1路H桥输出端口，接一个直流电机的两个脚。电机驱动芯片和电机供电脚，电压范围2.7V–10.8V。当电机接地或悬空芯片时不工作，无输出，接5V工作；电平0-5V。TB6612是双驱动，也就是可以驱动两个电机，下面是控制电机的IO口，STBY口接单片机的IO口清零电机全部停止，置1通过AO1AO2来控制车杆的开启和关闭。电机驱动电路图如图3.6所示。图3.6电机驱动控制电路图3.5LED灯指示电路设计指示灯电路中主要由发光二极管和电阻组成，在本设计中使用了LED灯，分别是显示当前车位是否停车的状态，若是红灯则说明该车位已经停了车，若是绿灯则说明该车位未停车。LED车位指示灯电路图如图3.7所示。图3.7LED灯车位指示电路图4系统程序设计4.1keil5软件介绍本设计采用的软件是Keil5，此软件是一款C编译器，主要通过C语言来进行编辑，开发编写代码，实现单片机控制操作。它拥有强大的数据库，里面的程序能够为开发人员管理和使用，大大方便了开发人员的程序代码开发，该软件还可以自带调试，采用St-Link接口等连接，进行调试作品仿真，能够在理想的状态下看到数据的变化，方便在后续对比不同环境下的数据变化，计算受其环境等因素的误差。4.2初始化流程图初始化程序的作用是将其设定好的变量进行一个初始化，即恢复默认值，方便我们设置新的变量。在使用C语言进行编程时，往往会习惯使用初始化程序进行一个变量恢复，这样在编译的过程中就不会占用太多的空间，有助于减少出现程序漏洞的可能性。初始化程序流程图如图4.1所示。图4.1初始化程序流程图OOLED显示屏初始化延时开始获取显示RAN地址显示固定的字库采集的数值时时更新数值OLED结束返回图4.2OLED显示屏显示程序流程图4.3OLED显示屏显示程序流程OLED显示方式为通过单片机中储存的相关字库进行调用，并且写入ARM中，每个字符都会有一个对应的LED二极管，控制着点亮的状态，达到相关显示的状态，实现字符的显示。OLED显示屏显示程序流程图如图4.2所示。4.4红外线数据采集流程图采用红外传感器进行控制采集，系统通过检测红外传感器传输的数据进行判断是否触发，当单片机IO口对应采集的参数为高电平时（1），表示红外传感器没有触发系统不进行执行操作；当单片机IO口对应采集的参数为低电平时（0），表示红外传感器触发系统进行对应的命令进行执行操作，进而实现得到想要的数据参数，单片机对红外传感器进行电平信号采集，当电平信号为低电平时，并且采集此电平次数达3次时，单片机执行相应的动作。外红传感器数据采集流程如图4.3所示。红外传感器初始化红外传感器初始化判断红外传感器电平数据读取开始执行完毕，结束返回等待信号单片机获取采集的电平低电平有效图4.3外红传感器程序流程图5系统制作与调试5.1制作流程5.1.1电路原理图设计本设计中的硬件原理图的图纸绘制是使用AltiumDesigner软件进行设计的，此软件支持中文页面，使用方便，功能齐全，在操作上也比较简单，同时还拥有着一套完整的电路开发系统，是电子爱好者在电路方面设计使用较多的一款软件。操作有以下几个步骤：首先先运行，创建文件。在新工程文件中，进行命名为“语音识别播报智能垃圾箱设计.Project”；其次是原理图文件，命名为“语音识别播报智能垃圾箱设计.SchDoc”。其次进行库添加，在库中查找自己所需的元器件，在工程项目中创建原理图，元器件正确接线，检查校对，模块编号。最后完成上述步骤后，最终得到完整的电路原理图。原理图如图5.1所示。图5.1原理图5.1.2实物焊接原理图绘制完成后，进行电路板的设计。电路板我们选用的PCB板的焊接，使用PCB打板。但是使用洞洞板的焊接比较考验我们的焊接能力，通过原理图进行手动焊接连线，是一个相当难的一个过程。硬件实物制作主要有以下几个步骤：1、首先将电路图进行各个元器件的引脚比对，了解熟知后，开始进行布局。2、元器件布局。电源输入方向到电源输出方向先进行规划，再放置其他的元器件，由整体到局部进行相应的调整。3、元器件布局完成后，进入电路连线。4、电路制作完成后，检查有无漏焊的线，或是虚焊形成断路。使用电路板进行焊接，需要将元器件进行焊接到电路板上，其中采用的元器件主要是插件的。实物在经过以上的步骤完成后，已经逐步完成作品的硬件部分。5.2调试5.2.1硬件方面调试图5.2硬件调试成功图硬件调试是每个工程师都必须完成的一个重要环节，此环节涉及到电路是否能够正常运行，即使是再熟练的工程师，都不敢保证自己的电路一定是百分百正确的，能够一次性完成的，所以，这个测试环节是不可缺少的。当完成电路的焊接后，我们需要使用万用表进行无电流测试，即不上电测试，用红黑表笔对每一条路线都测一遍，保证电路时通畅的，不能够由存在电路短接、电路虚焊造成电路断路等问题的出现，必须逐一进行排查。经过PCB焊接检测后，进而给作品上电，首先上电观察电源指示灯是否正常，如不正常必须马上断开电源，进行电路原理图分析可行性，再次检查PCB板等，如电源指示灯正常显示，首先使用万用表调至电压档，检测220V、3.7V、5V、电池电压是否正常显示，进行一系列电压检查，电压符合设计标准。并且很多元件是有方向性的，比如肖特基二极管SS34，电解电容等，不能焊接反了。完成电源电压检测。当电路确认没问题后，进行上电操作，并且逐步测量电压，电流，最后加上相应的信号，实现完整的电路后，方可停止调试，否侧，将要一直重复这些操作。5.2.2软件方面调试在单片机的设计中，只有在将硬件和软件进行完美结合后，方可成为一件完美的作品，所以，无论是硬件软件，都需认真制作并慢慢调试，做出预期的效果。本设计采用的编程语言是C语言，使用的编译器是keil，主要操作是将程序通过编译器调节成自己想要的功能程序后，即可将其下载到已完成的硬件芯片上。但还需要注意的是，程序编译完成后，还需要进行一次检测，保证自己在编译过程中，没有出现语法错误等问题，即显示0个警告及0个错误后方可进行下载。若在编译过程中出现错误时，需要进行调试，下面是对软件方面的一些调试步骤说明：1.整体测试：能否成功将程序下载到硬件上2.部分测试：（1）STM32单片机中的串口能否正常运行（2）测试预期所要实现的功能，是否一个个达到满意的效果（3）发现有问题时，从细节上进行代码修改注意：软件调试前，要确保硬件上的工作参数，以及电路上的完整，否则将无法实现部分功能。图5.3软件调试成功图结论本文介绍了基于单片机停车位指示设计过程，通过STM32单片机系统控制，设计了电路原理图，电源电路设计，实现实物的焊接做出实物，通过C语言编程实现代码的编写，最终下载进入单片机系统，同时调试实现各部分的功能实现，完成使用数据的采集，OLED显示屏显示车位信息告知车主目前的停车状况并且可以进行对应的控制功能。但是由于毕业设计时间较短，而且第一次完整的设计一个停车化指示系统，所以该系统中还有许多不尽入人意的地方。例如，用户整体界面不够统一，故障处理不够完善，安全防护不足，没有帮助文档等多方面问题，需要进一步的改进和完善系统机制