基于單片機的自動泊車控制系統設計

邢玲玲

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅武威，733006）

0 引言

伴隨經濟飛速發展，不斷增加的汽車引發的導致交通安全、快捷停車已逐漸影響成為城市生活，即便三四線城市，受限于停車位數量和停車空間，迅速、安全泊車已成為亟待解決的研究熱點。自動泊車控制系統可較好解決上述問題，能夠使汽車泊車過程變得自動化、智能化，同時可為安全駕駛提供更多保障。當駕駛員需要停車泊車時，僅需操作簡單的自動按鈕，汽車就可安全、準確地自動進入預定停車位置，讓停車變得簡單易行。作為自動控制系統，其判斷車輛空間距離和速度的能力比駕駛員手動操作更精確。自動泊車系統由主控芯片、檢測系統和控制系統組成。首先，傳感器構成的檢測系統可偵測車身周圍環境參數，然后將所測參數發送給處理器進行數據處理。最后，利用執行系統控制車輛的運動方式和軌跡，實現自動泊車功能。

1 系統方案對比選擇

單片機控制芯片是實現各模塊功能控制的核心，控制芯片選擇直接影響系統性能和穩定性。設計系統時選擇兩款芯片對比，選擇更合適的主控芯片。經對比分析，選用STC89C52RC單片機作為控制芯片，STC89C52運行速度比8051單片機速度快8-20倍且程序兼容性好。設計時選用3個計時器，分別用于超聲波測距計時、ESP8266設置波特率串行中斷及電機PWM調速。

常用于STC89C52RC單片機數據顯示的電路模塊有液晶數碼管和LCD1602。對比可知，液晶數碼管具有功耗小、體積小、可擴展等優點，配合單片機控制，可達到流水、漸變、跳躍等效果，但只能顯示數字和一些簡單字母。相較而言，LCD1602可顯示任意ASCII碼字符，同時顯示位數高達32個字符。控制方面，數碼管需要實時輸出信號，不斷地刷新數據才能正常顯示，而LCD1602只需要輸出一次，就能鎖存輸出內容，控制更方便，因此選用LCD1602模塊實現數據顯示。

系統中電機需進行PWM調速，選擇驅動時要考慮輸出電流和電壓范圍、對控制輸入端的影響、對電源影響等。較之L298N，DRV8833體積小、安全系數高，內置過流、過熱、短路保護和欠壓閉鎖功能。供電電壓方面，L298N最少需6V以上，單片機供電電壓為5V，加之ESP8266所需3.3V，需提供3端輸入電壓，將對供電系統造成更大壓力，而DRV8833直接輸入2.7~10.8V電壓即可正常工作，本系統選擇更DRV8833模塊。

系統采用移動設備作為主控系統，當前主流無線控制技術有藍牙控制和WIFI控制兩類。從兩種主流控制技術中各選取一種、結合本系統芯片與供電要求，確定一款更適合的設備。對比兩模塊參數，ESP8266模塊通信范圍廣、價格低、壽命長、控制簡單穩定且適合各種工作環境更符合本系統的設計。

2 硬件電路設計

本文采用STC89C52RC單片機為控制核心進行自動泊車硬件系統設計，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驅動模塊通過PWM技術驅動兩電機，以ESP8266 WIFI模塊經移動設備作為輸入主控設備構成了一個完整的硬件系統。硬件系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

■2.1 單片機最小系統

STC89C52RC單片機是Inter公司推出的通用型單片機，單片機最小系統是指單片機以最少的基本組件就可使單片機處于正常輸入輸出工作狀態。由STR89C52RC單片機、電源系統、晶振和復位電路構成。單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統圖

■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點，超聲波傳感器能實現實時測量與反饋，在精度等方面都滿足汽車泊車環境需求。HY-SRF05超聲波模塊測量范圍為2cm~450cm，測量精度可達3mm，硬件參數跟測量精度正好滿足本系統的需求。HY-SRF05共有兩個超聲波傳感器，分別用于收發超聲波信號，通過發送接收信號所用的時間來計算出目標的距離。

使用單片機控制輸出信號，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返回，接收到高電平信號后，模塊啟動成功，傳感器發送超聲波信號。此時設置一個計時器記錄傳感器發出信號時間，Echo端口輸出高電平結束后，表示接收管接收到被反彈回來的超聲波信號，此時關閉計時器可計算出實際距離，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，泊車時車身與車位不平行會存在大概率碰撞隱患。使用紅外避障傳感器在感應到接近墻邊將要發生碰撞時，做出相應調整。紅外避障模塊一共有3個管腳：VCC、GND、OUT，是一種檢測指定距離以內有無障礙物的傳感器。OUT默認輸出為高電平，當OUT輸出為低電平時，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，電位器設置的電壓會影響障礙物的判定距離，當LM393的同相端低于反向端的電壓時，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 電機驅動模塊

本系統采用兩個電機作為前進主動力，通過調整兩個電機的速度差實現左、右轉。可調整其中端口占空比，實現PWM調速，從而實現小車加速、減速和轉彎等。因單片機自身供電不足，無法直接驅動兩個電機，系統采用DRV8833電機驅動模塊輔助驅動兩個直流電機，用此實現小車電機的PWM、前進換向等操作，作為小車前進的主動力。DRV8833采用雙H橋電路，其原理與整流電路類似，為了使電機M旋轉，需導通對角晶體管。OU1、OUT2為第1路H橋，相對應控制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，默認高電平，ULT為保護報警輸出，在驅動發生過熱過流時輸出低電平，起報警作用，汽車控制狀態表如表1所示。電機驅動模塊電路如圖5所示。

圖5 實物圖

圖5 電機驅動模塊

表1 模擬汽車狀態表

0 1 1 0后退1 0 0 0左轉0 0 0 1右轉0 0 0 0制動

2.4.2 無線WIFI模塊

ESP8266WIFI模塊是一個成本較低的無線控制模塊，其工作溫度范圍大，穩定性強，體積小，通過與移動設備相結合作為本系統的主控輸入。ESP8266一共有8個管腳，但在本系統中應用只需接5個管腳。其中TXD與RXD與單片機的串行接收、發送端口相接，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 蜂鳴報警模塊

泊車過程中，存在陷入死角導致車輛無法再進行自動泊車，當車輛在自動泊車過程中出現問題時可通過設計蜂鳴器報警提示車主及時做出反應，以免車輛發生碰撞。

系統采用了有源自激型蜂鳴器，使用單片機配合三極管將電流放大，可以直接驅動蜂鳴器。系統將蜂鳴器的輸入信號端連接了P1.5端口，當輸入為低電平的時候，蜂鳴器工作發聲，當輸入為高電平時，蜂鳴器不發聲。蜂鳴報警模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 蜂鳴報警模塊

2.4.4 顯示模塊

LCD1602可顯示32個字符，通過編碼還可顯示一些特殊圖案，LCD1602管腳3（V0）可直接串聯一個0~10k電阻接地設置顯示對比度。為了方便調整顯示，也可以接一個電位器來調節，可在任何環境下調節對比度，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，第一行設置顯示為“distance:”，第二行則顯示測量的實際距離，保留兩位小數。當測量錯誤或者超出測量范圍時，設置顯示“ERROR!”。顯示模塊電路原理圖如圖8所示。

圖8 顯示模塊

3 軟件程序設計

選擇C語言用于單片機控制變成，較之匯編語言C語言編程更簡易、代碼更易調試和移植、可生成高質量、高效率目標代碼。編程采用市場上主流單片機編程Keil軟件，可有效兼容于市場主流單片機開發系統。

■3.1 程序設計流程

首先將單片機的硬件進行初始化，包括超聲波、esp8266、LCD1602、單片機系統，使用移動設備WIFI連接上esp8266，發送泊車信號，單片機接收泊車信號后，開始自動泊車。小車通過紅外避障傳感器確定周圍環境，自動駛到車位入口處，進行轉彎調整自身位置與車位平行，啟動超聲波傳感器實時計算小車與墻邊距離，開始倒車，期間通過紅外避障傳感器檢測小車是否發生偏移，如有則進行微調，具體流程如圖9所示。

圖9 程序設計流程圖

■3.2 主程序設計

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，這樣既可對各模塊進行單一調試，在往后需要用到這些模塊時，又可直接輸入對應的實參調用這些子程序，避免代碼冗余。主程序主要用于各模塊函數調用、初始化，對輸入進行相關的處理，搭建整個系統的框架。

主程序中，首先LCD1602進行了初始化，設置其顯示模式，其次對3個計時器初始化，分別用于超聲波測距計時，ESP8266波特率和電機PWM，隨后初始化一些其他內容，包括LCD輸出默認顯示的內容以及默認關閉蜂鳴器，最后對ESP8266WIFI模塊初始化，設置其工作方式，使單片機能夠正常接收移動設備的信號。初始化工作完畢后開始進入while無限循環體，通過中斷函數，不斷判斷接收到的信號，如果為控制小車方向信號，執行相應的前進、后退、左轉、右轉，如果是泊車信號，開始自動泊車，如果是開啟超聲波信號，開始進行超聲波測距。

■3.3 超聲波檢測程序設計

使用HY-SRF05需將Trig拉低10微秒啟動模塊，啟動完成后等待Echo端口輸出高電平，代表模塊發送出超聲波信號，開啟T0計時器進行計時，等待Echo輸出高電平結束，代表超聲波接收到反彈回來的信號，最后通過公式計算出測量的實際距離。

■3.4 顯示程序設計

（1）初始化

初始化時，通過程序將LCD1602的顯示模式設置為最多顯示16×2個字符，字體格式大小為5×7點陣，通過8位數據端口收發數據，并且液晶開顯示、光標不閃爍。設置時，可以通過程序對LCD1602寫入控制指令實現，相關程序如下：

（2）設置顯示位置

給LCD1602輸出數據前，必須先設置從哪一位開始顯示，然后才能輸出其顯示的字符。該模塊一共可同時顯示兩行，可以通過寫入地址碼的指令完成位置的設定，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參數，分別為y行和x列，進入函數后，首先對行列進行取模，限制其輸入范圍，其次判斷用戶輸入的行號，選擇對應的首地址碼加上列號，最后發送地址碼的指令，完成設定顯示位置。

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

圖10 IP地址設置圖

連接上APP后，就可以設置相關的按鈕。點擊按鈕可以通過WIFI發送按鈕關聯的字符串，單片機接收到字符串，通過邏輯判斷判斷字符串信息，做出相應動作。本系統一共設計了7個按鈕，分別用于控制小車的前進、換向、急停、泊車還有蜂鳴器，ap p按鈕設計圖11所示。設計好相關按鈕，每一個按鈕都指定了傳輸的信號，按下后，單片機通過ESP8266接收到，然后處理該信號，判斷需要執行的操作。

圖11 app按鈕設計示意圖

4 系統調試

采用Altium Designer設計、繪制系統原理圖，繪圖完畢后需檢查各個元件之間是否漏連線，導線的位置是否連接錯誤。本系統電路板采用了萬用板，根據設計好的原理圖進行各元器件焊接和連接。焊接前，需對每個元器件進行測試，確保其能正常工作。焊接完成后，檢查各焊點有無虛焊的情況，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定性。通過萬用表檢測總電路、各支路電壓、電流穩定性，測試能否達到工作要求。

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，下載器的TXD、RXD與單片機的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。軟硬件設計完成后，需要對系統進行測試，制作完成的硬件調試電路圖如圖12所示。

圖12 硬件實物調試圖

測量超聲波傳感器時，使用物理尺子輔助計算實際測量距離，LCD1602第二行展示其測量超聲波傳感器測量的結果，經過多次測量，其精度能夠達到毫米級別。另外，對紅外避障傳感器進行調試，遇到障礙物時模塊指示燈會點亮，可顯示其能否正常工作。

5 結束語

隨著智能化社會發展，新型自動泊車控制系統更安全、更便捷。本文以單片機為自動泊車系統控制核心設計了多傳感器泊車控制系統，通過實物制作和調試，實現了預期功能。調試分析結果表明，本系統基本能夠達到預期設想效果，完成了自動泊車控制系統，但該系統在理論研究和實際摸索層面都需要全面深入研究，以獲得更為穩定的泊車控制系統。