小车自动停车入库系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

小车自动停车入库系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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，这种对管的原理是点对点的发射接收，车库空着时对管发射信号，车辆行驶至车库时接收红外信号。 红外对射管的接收范围相对较小，所以并不受相邻车库对管的影响，精确度高，能够实现小车内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 对车库的精确定位 [8]。 系统硬件安装 智能车系统硬件安装 智能车上的硬件有：车轮、舵机、路径采集摄像头、交通灯采集摄像头、电机、主控芯 片、电源驱动一体化电路、红外接收管、视频分离电路。 其中车轮、舵机和电机已经安装在车上，不需要进行调节机械结构。 车体本身机械参数如下：车长 ；车宽17cm；车轮直径 5cm；轴宽 12cm[9]。 智能车硬件安装如图 22 所示。 俯 视 图左 库 红 外 对 管右 库 红 外 对 管 路 口 红 外 对 管电 机1 71 15251 0 1 2主 控 电 路2 7 . 5舵 机路 径 C C D交 通 灯 C C D单 位 ： c m左 视 图 图 22 智能车硬件安装示意图 其中最关键的部分是摄像头的安装， 出于对车身重心位置以及探测前瞻量的考虑，摄像头最好装在车 体 前部，以平衡重心并获得较大的前瞻量。 摄像头安装位置的高低对智能车行驶过程中路径识别的范围，以及路径识别的准确性和实时性具有直接的影响。 安装位置过低，会导致 视野不够开阔，使得有效的路径识别范围缩小；安装位置过高，又会导致黑色引导线变得过窄而无法被检测到，而且会使智能车系统重心抬高，从而降内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 低了其稳定性。 摄像头又受到单片机采样速率的影响，根据实验发现用于路径采集摄像头的高度 为 10 厘米、向下倾角 30 度为宜，用于交通灯信息采集摄像头的高度为 12 厘米、向上倾角 30 度为宜。 其次便是红外对射管的安装，智能车在两处需要用红外对管定位，一处是车库门前，另一处是在路口。 车库有左右之分，所以在小车的左右两侧各需要一个对管，用以区分空余车位在车的左侧还是右侧。 车库中道路是按照双车道 设计的，所以检测路口的红外对管需要安装在车的右侧，又因为采用的对管是同一个型号，为了避免出现错误判断，检测路口的传感器安装位置要高于其余两个对管。 车场硬件安装 智能车场的设计是独立于自动入库系统的，但本次设计需要车场相关硬件配合，所以这里对车场的硬件安装提出简单要求，其主要部分有：红外对管、交通灯以及用于空位查询的光电管。 交通灯需要安装十字路口，受到 CCD 摄像头采集有效距离的影响，摄像头要安装在靠近车的路口，同时位置要高于摄像头支杆。 安装在车库门口的红外对管，其装在右侧还是左侧取决于该车库相对 于主干道的位置。 用于定位路口的红外对管需要安装距离路口 11cm 的地方，这是由装在车上对管的位置决定 [10]。 空位查询的传感器安装在车库正中即可，车场系统硬件安装如图 23 所示。 51 5空 位 查 询车 库 对 管1 13 57 05 0A 1 A 2 B 1 B 2 B 3A 3 A 4 B 4 B 5 B 6单 位 ： c m3 5路 口 对 管 图 23 车场系统安装示意图内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第三章 硬件设计 单片机最小系统电路 单片机 MC9S12XS128 简介 我们选用飞思卡尔公司的 MC9S12XS128 作为系统的主控芯片，其隶属于 MC9S12X系列。 MC9S12X 系列是 HCS12 系列的增强产品，其基于 S12CPU 内核，可以达到之前产品 2 到 5 倍的性能。 S12X 系列单 片机增加了 172 条指令，可以执行 32 位计算，总线频率最高可达 40MHz，并完全具备了 CAN 功能，改进了中断处理能力。 S12X 单片机的 CPU 以复杂指令集 CISC 为架构，集成了中断控制器，有丰富的寻址方式。 其系列单片机最大的优点是添加了一个平行处理的外围处理器 XGATE 模块，该模块是一个可编程的 16 位 RISC 核心，设计的最高运行速率可达 100MHz。 此模块是一个可编程的、智能的直接内存存取模块，可以进行通信处理、中断处理和数据预处理。 MC9S12X 系列单片机目前有一下几个子系列： MC9S12XA 系列、 MC9S12XB 系列、 MC9S12XD 系列、MC9S12XE 系列、 MC9S12XS 系列 [11]。 MC9S12XS128 单片机存在三种不同的引脚封装： 112 引脚 LQFP 封装、 80 引脚 QFP封装、 64 引脚 LQFP 封装，他们的功能基本相同。 因为本次设计需要的引脚较多，所以选用的是 112 引脚的封装。 其主要功能如下：中央处理器是高速的 16 位处理单元，数据总线也是 16 位，由算数逻辑单元（ ALU）、核心寄存器组以及控制单元三部分组成；因为单片机的地址总线是 16 位的，所以基本存储器的寻址范围是 0x0000～ 0xFFFF,寻址空间为 64KB。 这些地址空间分给了数据存储器 RAM、程序存储器 EPROM、数据闪存器 EEPROM 和 I/O 口寄存器；共有十一个并行 I/O 口，分别是： A、 B、 E、 K、 T、 S、M、 P、 H、 J 和 AD，其中除了 A、 B 和 H 作为通用 I/O 口，其他端口都存在复用功能；中断模块实现了 7 级嵌套，每个中断源灵活分配中断级别，中断源又分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断；串行通信 SCI 模块由 13 位的波特率选择，同时支持 LIN 总线协议； 16通道的 AD 转换位数有 8 位 /10 位 /12 位可选，转换数据左对齐或右对齐，存在单次或连续转换两种方式； 8 通道 8 位的脉冲宽度调制器 PWM 可转换成 4 通道 16 位；定时器/计数器模块分为输入捕捉 /输出比较模块和周期中断定时模块；内部集成了系统运行监视功能，即看门狗功能，用硬件监视软件是否正常运行，从而可以保证出错后系统快速恢复；工作环境温度范围宽等 [12]。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 单片机时钟电路设计 时钟电路是单片机最小系统设计中的关键环节，由于使用的晶振体工作频率很高，如果电路设计不合理会使其工作时产生的高频信号对其他电路造成干扰，特别对模拟部分的干扰较大，甚至会致使单片机系统无法正常工作。 通常时钟电路的连接方法有三种：串联型、 并联型和使用外部有源振荡器 [13]。 并联型电路连接如图 31 所示。 图 31 时钟电路 图中晶振的大小选用 16MHz，电容 C C2 称为负载电容，将它们分别与晶振连接后接地，作用是消减谐波对电路稳定性的影响，其典型值为 22pF。 R3 的作用是保证晶体正常起振，它的大小一般为 10MΩ。 在设计时钟电路 PCB 时要注意下面三点： （ 1） 晶振体的周围尽量不要有线路，特别是对信号质量要求高的器件连线； （ 2） 为了保证单片机的稳定性和避免晶振对周围电路造成干扰，它们之间的连线要尽量短，尽量宽； （ 3） 为了阻挡晶振 体的噪声，可以将地线包围和覆盖在其周围，这样也可以避免其他信号的干扰。 复位电路设计 单片机要正常工作需要在上电的时候给它一个复位信号， 使 CPU 和其他部件都置为一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 此外，在调试程序的时候经常需要手动对单片机复位，所以复位电路的设计必不可少。 S12 单片机的复位引脚是低电平有效，即在正常状态时要求该引脚被上拉至高电平，在对单片机进行复位时其要保持一定时间的低电平 [14]。 复位电路如图 32 所示。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 图 32 单片机复位电路 系统上电时，复位按钮处于松开状态，由 于电容 C1 要进行充电，所以电压不会突然变化而只能缓慢上升，这样就可以在复位引脚上保持一段时间的低电平。 当按钮被按下时，复位引脚被拉到低电平，单片机进入复位状态。 但是该电路不具备低压复位保护功能，而且在对系统的稳定性要求较高的场所，需要在 R1 两端并联反向保护二极管 [15]。 BDM 接口电路设计 BDM 模块可以实现程序下载、读写存储器 /寄存器、硬件断点、条件断点、单步运行、连续运行等全部在线调试功能，而只需要简单的外部接口电路。 此部分电路设计就是为了连接 BDM 调试器的， BDM 调试器的功能是将程序从微 机上下载到单片机里，并可实现在线调试，同时它还可以给单片机供电 [16]。 BDM 接头存在两种定义方式，一是飞思卡尔的方式，方法是将通讯口 BKGD 设置在第一脚， VDD 在第六脚，若 BDM插反， VDD 将直接与 BKGD 短接，很可能引起芯片 BDM 模块故障，甚至烧毁芯片。 第二种方法是清华大学提出的，该方式将 BKGD 设置到第三脚，这样即使 BDM 头插反，也不会引起任何严重的后果。 按照第二种方式设计的 BDM 接口电路如图 33 所示。 图 33 BDM接口电路 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 为了充分保护单片机的引脚，通常串联如图所示的电阻 R13，其典型阻值 为 51 欧姆，此外单片机的工作模式决定了要在 MODC 引脚与电源之间串联一个 的电阻。 当使用 BDM 下载程序时，单片机需要处于调试模式，即要求 MODC 引脚处于低电平，实现过程是 BDM 调试器的对应引脚自动将其拉低。 当单片机与调试器分离时，由于MODC 上存在 的上拉电阻，单片机就会自动回到普通模式。 电源电路设计 电源模块的设计是为整个系统提供所需的电源，所以首先需要设计出满足要求的电压电流，其次需要考虑电源转换率和噪声等方面，稳定可靠的电源是整个硬件电路稳定运行的基础。 电源管理模块主要包括： 主电 源、舵机电源、摄像头电源、电机驱动电源以及各芯片供电电源 [17]。 其中主电源需要一块充电电池， 现在市场上常见的充电电池有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱性电池和封闭式铅酸电池等几类，其中镍氢电池电路简单、技术成熟而且价格便宜，所以这里选用一块由 6 节型号相同 电池串联的 电池，其额定容量为 1300mAh。 5V 电源电路设计 5V 电源模块是对 电池进行电压调节，主要为单片机、视频分离电路以及辅助电路提供稳定电压，所以要求电压稳定、噪声小、电流容量大。 现在常用的 5V 稳压芯片有 LM780 LM2940 等，其中 LM7805 内部功率损耗大，全部压降均转换成热量损失了，电源效率比较低，因此选用 LM2940 作为 5V 稳压芯片。 LM2940 稳压芯片的典型 压降只有 ，其最大输出输出电流可达 1A，并且具有短路保护的特点。 5V稳压电路原理图如图 34 所示。 图 34 5V 稳压电路图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 6V 电 源电路设计 6V 电源只给前轮舵机提供工作电压。 舵机工作时需要的工作电流一般在几十毫安左右，且电压无需十分稳定，所以这里选用 LM2941 作为稳压芯片。 LM2941 是一种可调式低压稳压器，其 优势主要在于： 典型压降为 ；最大输出电流为 ；输出电压范围为 0～ 20V，最大输出电压可达 26V；具有短路保护、热过载保护和自我保护功能。 此外当输入输出压差超过 3V 时 , 芯片内部有专门的电路将引脚地的静态电流减小。 当输出电流为 1A 并且输入输出压差为 5V 时 ,静态电流仅为 30mA。 6V 稳压电路原理图如图 35 所示。 图 35 6V 稳压电路图 当引脚 ON/OFF 为高电平时，芯片被关闭，引脚 OUTPUT 输出电压为 0V， 反之当其接低电平时 ， 芯片 被 开启 ， 有电压输出。 输出电压的计算方法如式 31 所示。 )/1( 12 RRVV R E FO U T  （ 31） 从上式可以看出 LM2941 输出电压的大小取决于 R2与 R1比值的大小，其中它的基准电。