1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：小车自动停车入库系统设计学生姓名：学 号：0967112218专 业：测控技术与仪器班 级：测控 2009-2 班指导教师：赵建敏 讲师内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）摘要本设计在信息工程学院智能停车场实验平台上,以飞思卡尔智能车为模型设计并实现了小车自动停车入库系统。该系统将 Freescale16 位单片机 MC9S12XS128 作为系统微控制器，设计了单片机最小系统、电源管理模块、电机驱动电路、舵机驱动电路、路径识别电路及对管定位电路，并介绍了电路相关参数的计算方法。在小车自动停车入库系统中，小车通过采集道路信息、交通灯信息
2、以及车库信息，自动从车场入口行驶至指定空车位，并准确停车入库。通过 CCD 摄像头采集道路信息并对其处理，提取出路中央黑线与小车位置的偏差，从而控制舵机动作来矫正行驶中小车的状态；通过安装在车头的红外线对管来确定空车位及信号灯的位置；同样采用CCD 摄像头来提取信号灯的指向，进而指引小车正确驶向车库。关键词：自动入库；智能车系统；图像采样；Freescale16 位单片机内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IAbstractOn the experimental platform of the smart parking garage in School of Information En
3、gineering, 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 MC
4、9S12XS128 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 informati
5、on 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 install
6、ed 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 s
7、ampling; Freescale16-bit single-chip 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）II目录摘要 .IAbstract .II第一章 引言 .11.1 设计背景及意义 .11.2 设计目标 .2第二章 总体设计 .32.1 系统硬件结构 .32.2 设计方案分析 .32.2.1 道路识别方案分析 .42.2.2 交通灯识别方案分析 .52.2.3 小车自动入库方案分析 .52.3 系统硬件安装 .62.3.1 智能车系统硬件安装 .62.3.2 车场硬件安装 .7第三章 硬件设计 .83.1 单片机最小系统电路 .83.1.1 单片机 MC9S12XS128 简介
8、 .83.1.2 单片机时钟电路设计 .93.1.3 复位电路设计 .93.1.4 BDM 接口电路设计 .103.2 电源电路设计 .113.2.1 5V 电源电路设计 .113.2.2 6V 电源电路设计 .123.2.3 12V 电源电路设计 .123.3 直流电机及电机驱动电路 .143.3.1 电机 RS-380 简介 .143.3.2 电机驱动电路 .143.4 视频采集电路 .16内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III3.4.1 CCD 摄像头的工作原理 .163.4.2 视频分离电路 .173.5 舵机及舵机驱动电路 .183.6 红外对管电路 .19第四章 软件设计
9、.214.1 主函数 .214.2 初始化程序设计 .224.2.1 锁相环初始化设计 .224.2.2 TIM 模块初始化设计 .224.2.3 PIT 模块初始化设计 .234.2.4 PWM 模块初始化设计 .244.2.5 A-D 转换初始化设计 .244.3 道路模块程序设计 .254.3.1 道路信息采集程序设计 .254.3.2 引导线提取程序设计 .274.4 交通灯模块程序设计 .284.5 小车自动入库程序设计 .29第五章 总结 .31参考文献 .32附录 A：系统硬件仿真原理图 .34附录 B1：最小系统 PCB 原理图 .35附录 B2：电机驱动 PCB 原理图 .3
10、5附录 B3：电源模块 PCB 原理图 .36附录 C：系统 C 语言源程序 .37内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）0第一章 引言1.1 设计背景及意义智能停车场实验室是我校信息工程学院为本科研究生实践训练和课程研究搭建的模拟平台，该实验室可以为自动化和测控专业在数字电路实验、模拟电路实验和嵌入式实验等方向上提供支持，为我院学生的学习生活又增添了一种新的方式。在此平台上能够实现自动停车和车库设计两方面的功能，其中自动停车方面可以研究自动循迹、信号灯识别、图像识别以及 PWM 控制等，车库设计方面可以研究空位查询、各种安全报警以及停车信息系统管理等。测控技术与仪器专业是一个理论与实践并重
11、的专业，理论性与应用性都极强。除了要学习测控的理论知识外，还要进行相关实践的训练，以提高解决实际问题的能力，加深对知识的理解。为了培养学生的创新能力和开发能力，我校信息与工程学院先后创办了创新基地与秋实工作室，智能停车场课题也是在此基础上提出的。学院计划设立智能停车场实验室，用于研究其相关系统，同时用于单片机嵌入式课程的教学。该项目为我们提供了一个学习的平台，让有兴趣的同学参与开发研究，可以开阔大家的视野，激发学习基础理论的热情。对于大四的学生，可以将其作为毕业设计深入研究，更好的了解现在社会上嵌入式发展的形势。此外，通过这个实验室还可以增进与其他院校的交流，以达到相互学习共同进步的目的。本设
12、计是在智能停车场的基础上，对车辆自动进入车库系统进行设计的，以便提高车库的自动化程度。如果这项技术成熟并投入使用，不但可以改变现在车场管理效率低下的现状，而且可以实现车场无人化管理，节省人力物力。因为车辆入库是按照空余车位指定的路线自动行驶停放的，从而解决了车库排队拥挤和停车安全的问题，减少了车主停车的时间。此外，如果停车场内有对外开放的临时车位，自动停车系统更加有利于对这些车位的管理。随着我国城市化进程的加速和人们经济生活水平的提高，拥有私家车的家庭越来越多，城市机动车辆迅速增加。车辆的高速增长导致城市交通拥堵，与此同时，停车入库排队时间长和寻找车位困难已经成为十分严重的社会问题。城市交通需
13、求量不断增大，城市人口又相对密集，无论是私家车还是公交车辆都很难满足正常停放，一方面车主对停车的安全性和便利性都产生了新的需求，另一方面更加科学有效地管理车场，提高车场的使用率和安全性，已经成为现在研究的热门 1。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）11.2 设计目标本设计是在飞思卡尔智能小车的基础上进行的，首先要按照飞思卡尔大赛的标准设计出智能车系统，其系统主要包括微控制器模块、电源管理模块、路径识别模块、电机驱动模块及转向舵机控制模块等 2。这部分要实现的主要功能是：智能车在摄像头的配合下，能够自动识别指定道路并沿着道路上的引导线行驶。在小车行驶的过程中，利用了摄像头对道路进行感测，得
14、到的数据送交单片机，单片机处理得到的数据，通过 PWM 波控制车头舵机的转动，从而调整小车的相对位置，以达到自动寻迹的目的。在此基础上设计智能车自动进入车库并准确停入空余车位，这部分主要包括识别交通灯和定位空车位两部分。通过摄像头采集交通灯的信息，经过程序算法提取出交通灯的指向，指引小车向空车位行驶。在小车和车位上安装红外线对管，当车位上没有车时，车位上的红外线对管发射信号，小车经过时通过红外接收器检测到信号，从而实现定位车位的功能。本设计的具体任务如下：（1） 、结合停车场模型，设计引导路线的识别方法；（2） 、结合停车场模型，设计信号灯的识别方法；（3） 、设计小车控制硬件电路原理图、PC
15、B；（4） 、设计循迹、停车入库软件。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2第二章 总体设计2.1 系统硬件结构智能小车系统的功能模块主要有：控制核心(MCU)模块、电源管理模块、交通灯检测模块、路径检测模块、电机驱动模块、舵机控制模块以及辅助调试模块，在这次自动入库的设计中还有一个红外传感器模块，用于准确寻找空余车位。每个模块都包括硬件和软件两部分，硬件为系统工作提供硬件实体，软件为系统提供各种算法。智能车系统的总体结构框图如图 2-1 所示。单片机M c 9 s 1 2 x s 1 2 8电源模块1 2 V 5 V 7 . 2 V 6 V摄像头视频分离图像采样舵机控制电机控制红外对管B
16、 D MP C 机图 2-1 智能车系统总体结构框图微控制器根据图像采集传感器采集的道路信息快速准确地对路径进行判断，对舵机和后轮直流电机 PWM 控制，从而保证智能车能够快速稳定地行驶。其中微控制器选用 Freescale 公司的 MC9S12XS128 开发模块；电源管理模块为开发模块、各传感器、舵机以及直流电机提供电源；图像采集模块采用面阵 CCD 摄像头；舵机控制模块用来控制小车转向的，模块化舵机只要送入脉宽调制信号就可控制其转向和转角，控制主要是通过单片机片内资源 PWM 配合编程实现；直流电机驱动模块为车后轮直流电机驱动。2.2 设计方案分析内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
17、3在设计小车自动停车入库系统的过程中，通过对相关资料的查询，可以发现系统的不同部分存在多种实现方案，各种方案都存在其利弊。系统的方案选择主要存在道路识别、交通灯识别、自动倒库三个模块，下面将分析这三个模块的方案，选择出最利于我们实现的方法。2.2.1 道路识别方案分析道路识别模块要实现的功能是在白底黑线的车道上自动识别行驶的路线，检测智能车相对于车道中央的偏移量、方向等信息使小车自主沿着车道运行。为了提高小车对车场环境的适应能力，实现其自主沿着车道快速而稳定的行驶，要选择合适的采集赛道信息传感器，设计合理的路径识别方，以确保获取足够多、足够远、足够精确的车道信息来提高小车的运行速度。路径识别的
18、主要要求是准确、快速、尽量超前地采集路面信息，把它转变成点信号，传送到单片机中处理。现在做路径识别的技术很多，方法也是千差万别，但其目的都是为小车寻到前进的方向，现在分析下面三种方案的利弊。（一） 、基于光电传感器的路径识别方案对于飞思卡尔大赛来说，基于光电传感器来进行路径识别是完全可行的，因为赛道是在白色赛道上识别中间的黑色，可以在小车前面装上光敏器件，光敏电阻或是光敏二极管，根据白色与黑色赛道对光的反射强度的不同，从而对光敏器件产生不同的电阻电压，把这些数据送给单片机处理就可以让小车识别具体的路线。这种方案的优点是电路简单，信号处理速度快。其弊端是感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干
19、扰，精度比较低 3。（二） 、采用电磁传感器的路径识别方案这种方案是在道路中央安装电流约为 20KHz、100mA 的导线，采用电磁传感器阵列来感应道路上的磁场信号，经过放大电路放大后，可以得到正弦波，传给单片机进行 AD 采样，得到正弦波的峰值，以判断电磁传感器距离导线的距离，从而定位智能车在路径上所处位置。这种方案的特点是：磁场在空间的分布具有方向性，所以电磁传感器采集的信息同样具有特定的方向。其缺点是磁场受附近车道上磁场影响较大，而且不同传感器对磁场感应的变化规律有很大的差距 4。（三） 、采用摄像头采集的路径识别方案 使用摄像头采集路径信息的原理是通过调整摄像头镜头的焦距，可以采集到小
20、车内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4前方不同范围的道路图像，得到智能车前方的道路信息，对图像中的道路参数进行检测。通过对检测的图像用适当的图像处理方式进行处理后，可以获得道路的中心位置、道路形状、弯道曲率等信息。其优点是可以获得小车前方较远路径信息，不足是对图像处理的计算量大，单片机处理数据时间长，电路设计相对复杂。摄像头的选择也存在两种方案，一种是采用 CCD 图像传感器，其是以 PAL 制式信号输出到 CCD 信号处理模块并进行同步信号分离，连续的图像数据和同步信号同时输入到 S12 单片机控制核心，进行进一步的图像处理。其优点是对比度高、动态特性好。缺点是工作电压是12V，需要升
21、压模块，耗电量较大，且图像稳定性不高。另一种方案是采用 CMOS 图像传感器，这种传感器的原理与 CCD 图像传感器的原理大致相同。虽然 CMOS 传感器具有电源功耗低、感光度高的特点，但其受环境影响较大，适应性较差 5。综上所述，在这次设计中路径识别模块选用 CCD 图像传感器的摄像头方案。2.2.2 交通灯识别方案分析现在各学科对识别交通灯的研究很多，依据的理论也各不相同。例如上海交通大学研究的基于级联滤波交通灯识别方法，其是通过对已有的交通灯图像进行训练及采用色彩分割的方法而提取候选区域，并将候选区域作为输入 6；同济大学研究的方向是在 HIS 颜色空间进行交通灯的颜色分割，利用交通灯被
22、黑色矩形框包围这一典型特征进行形状分割，根据形状分割所得位置对颜色分割候选区进行确认，从而精确定位交通灯位置以及亮灯在交通灯中的位置 7。但总的来说，各种方案都是使用摄像头来对交通灯进行信息采集的。因为在路径采集模块选用的是 CCD 摄像头，为了减少智能车的硬件组成以及减少费用预算，所以在这里使用同样的摄像头，但对信息的处理算法却迥然不同，在后续的论文中将会详细介绍。2.2.3 小车自动入库方案分析这一部分要实现的主要功能是小车行驶的过程中能够准确定位到空余车位。能够实现定位的传感器数不胜数，最初试想的方案是利用光敏电阻来测量小车与车位的距离，具体做法是在车库中央安装发光二极管，车库空着时二极管被点亮，在小车四周安装八个光敏电阻，利用光敏电阻距离光源位置不同产生不同电阻的原理，进而产生电压差，从而测出小车距离光源的位置。实际证明这种方案并不合理，首先在小车上安装光敏电阻相对麻烦，而且电路连接较为混乱。最严重的问题是光敏电阻受环境影响很大，远远不能实现车库的精确定位。最终确定的方案是使用红外线对射管，这种
