一种智能停车场车位监测装置的设计与实现

　摘要

停车场车位信息检测是对停车场管理的系统,对高效停车,快速寻找车位和方便车位的管理很有帮助。该装置是利用超声波检测车辆进出,基于51单片机的控制的系统。经过组织了科技人员对现在国内外的常见及使用过的比较常用到的几种城市地下与公共停车场车位的超声检测设备新技术系统进行的全面分析及学习,确定和采用出了一种使用广泛的超声波传感器方案。在系统综合研究分析比较了超声波传感器性能参数和采用51单片机所进行集成的超声波控制探测与超声波计数采集电路系统的应用功能基础上,设计开发生产制造了我国另一种完全可以借由单片机超声波芯片实现超声波探测及控制检测的便携式公共或停车场车位超声波自动检测和控制采集装置探测器产品。停车场车位信息检测系统还分别包括采用了车位超声波探头检测与报警系统模块、车位信息采集显示系统监控系统模块和电源模块组成;运用超声波多普勒测距法中的超声波多普勒原理就可以获得超声波车辆探头的位置进出轨迹信息,采用51单片机电路硬件作为超声波探测器软件主控及处理核心芯片,并已完成对该模块电路硬件的结构与设计程序进行了一段很系统详细完整的软硬件设计和描述调试过程;并最后通过使用C语言编制开发出了单片机程序,完成了超声波车位探测器软件的设计。

关键词：车位安全检测超声波传感器51单片机

　第一章绪论

　　1.1车位探测技术的背景

科技和经济的飞速发展，越来越多人拥有私家车。在城市中停车场是交通系统的重要一部分，而我国大部分城市的停车场管理设备落后，管理混乱，严重造成交通堵塞等。尤其是离城市中心较远地区管理较为混乱，私家车乱停乱放对交通造成堵塞造成矛盾冲突。这对人民和交通造成困扰，为了缓解交通压力，应多多改善停车场管理系统。车位探测器作为管理系统的重要组成部分，不仅能够快速了解车位情况，方便车主寻找车位，节省时间以免造成交通堵塞，从而缓解交通压力。升级了管理水平，提供了一个良好安全的管理水平。

　1.2车位探测技术领域的国内外现状特点的现状与发展趋势

随着科技的发展，对停车场的需求增加，车位检测技术应用也越来越多，且系统越发成熟。对于发达国家，从最初的简单的增加车位到逐渐的以停车位来控制交通流量，逐步走向自动化和智能化。早在上世纪60年代就有一些国家引用停车场管理系统，从最初的发票管理到自动收费管理等。如今可实现手机管理和网络管理可以预定车位。国内在这方面还没有标准化，统一化。迄今为止有些停车场车位管理已经十分发达，已经能够实现自动收费，实现了无人化，能够直接出停车场，然后根据车牌号自动扣取车主停车费大大节省了时间，为交通带来便利和快速。由于国家发展起步晚，有的地区管理系统还不够完善，国内的停车位检测装置和管理系统的质量参差不齐。目前停车场检测装置和管理系统逐步往自动管理，智能管理发展，网络化管理。能够在网络上了解停车位状况，自动管理车辆的进出，指导车主停车，实现快速，便捷停车，更好服务人民使人民幸福感拉满。

　1.3课题研究目的和意义

本课题主要研究利用超声波检测车辆进出,再将信息传递给51单片机进行对液晶显示屏的控制,从而达到车位信息的显示。课题信息研究课题目的:随着交通科技水平的日益发展,私家车数量将剧增,而车位供给供不应求。为了缓解这种现象一个良好的管理系统能够加大地皮的利用率,还能缓解交通压力,节省车主的时间。本课题的意义:在前人研究的基础上简单的运用单片机来提高停车场的车位管理,减少在外寻找车位时间,同时避免停车库满造成车主浪费时间寻找空车位，且避免造成车库内堵塞。该停车场车位检测系统能够改善车子乱停的现象,从而减少一定的事故发生率,还能够在停车场外面就能了解到车位的信息,节省车主时间。

目前我国对停车场管理系统还不成熟，质量参差不齐和国外还有一定的差距，这套设计能够降低寻车位时间，加强停车场的管理。

　1.4研究内容和技术关键

主要以停车位作为研究对象，在出口和入口检测车辆是否通过并将信息反馈至单片机进行控制。技术关键在于传感器检测，和单片机软件设计。硬件设计主要包括检测模块，显示模块，电源模块，控制模块（单片机）。利用超声波的特性来检测车辆的通行，以51单片机为处理器控制液晶显示器显示车辆信息。

　1.4.1传感器模块

超声波传感器：是由一种设备根据超声波的反射及传播等原理来开发与制造和组装生产而成,主要产品包括由超声波发射器、超声波接收器组件电路和超声波控制模块电路等所共同组成。超声波车辆距离检测装置它也是唯一能通过根据超声波反射测距器等原理进行自动跟踪计算和测量计算出的周围的障碍物及距离信息来自动分析判断车辆现场中是否存在真的有超声波车辆的检测设施存在着缺陷的。具体技术应用方式是利用超声波发射器的超声波发射与控制装置能直接的向有目标检测物区域方向连续发射送出的超声波,遇到目标有反射物时则直接反射而出信号并可同时地被所有目标接收器设备所实时接收,通过分析观测点时间差大小情况和再根据发射超声波信号后在目标环境空气系统介质中声波的最大平均传播或扩散传播速度情况而可以测算得出超声波探头区域与目标有目标反射物区域之间最大的信号传输距离。当发现被检测到物体区域范围上的有任何目标车辆能够同时可能存在车辆通过状况时,超声波的发射使检测目标控制测量装置能根据其测算后得出超声波的随传播物体距离增大而自动发生的方向的变化,从而达到自动判断做出对于该受检测到目标区域范围内可能有的任何目标车辆能够顺利通过状况或者同时可能也存在行驶障碍时的自动准确地判断。对于超声波发射的目标检测目标控制技术，其具有的优点有：

1)设备造价与成本低,无需再要另外在车辆内部或者是地面直接安装红外反射接收装置,安装后维护极为简单。

2)超声波检测器有一个很高强韧的抗静电波干扰检测能力和有很高的超声波检测的精度。但是由于空气温度的剧烈的变化和气压强烈的变化引发的气流动力学参数紊乱变化等另外一些外界环境因素变化也是都会比较容易地对传感器寿命会造成有很大地影响,对于地下停车场这个特定的环境,气流的紊乱对于速度和室内温度之间的变化影响很小也就是很微小,可以做到选择性或忽略。通过和对上述资料的对比分析数据进行横向比较,超声波车辆定位与检测装置方法仍是中国现阶段国内最成熟主要是适合用于检测城市地下或公共停车场车位检测及设备装置参数信息的车载超声波车辆检测设备技术。

红外线传感器：红外线属于非可见光,波长在760纳米至1毫米之间,频率在400THz到300GHz的范围内。由于它的直线传播特性而常被应用于测距。原理主要是利用发射器先发射一段红外线,然后再被探测物体被反射再回来又被红外接收器再次接收,由此计算得到的时间差再通过结合红外线信号传播的速度便可得估算出距被感测物之间的安全距离,从而再根据该距离的实际变化计算得出接收器是否会检测到车辆。对于红外线检测技术其主要具有的性能优点主要有:

抗干扰能力强，比如静电，温度，湿度或者噪音对其影响较小，但是对灰尘，大雾，大雨等影响光线传播的环境具有较大的影响。

可靠性高，功耗小。

　1.4.2系统的硬件模块

该模块以51单片机为主，以51单片机为核心。以51单片机控制液晶屏显示车位信息，用灯光模拟停车库的车辆状况，实时显示多少空车位等信息

　1.4.3系统的软件模块

用C语言对其进行编程，使用一定逻辑使其实现一定功能。

　第二章设计方案

　　2.1系统设计思路

本次毕业设计课题以停车场作为研究对象：需要研究一套系统针对停车场管理及车位信息的显示。根据分析和研究得知本设计最主要的问题是其一如何用51单片机来控制显示屏也就是系统的软件模块，其二就是传感器的检测及与单片机的连接。超声波传感器可能会受环境的影响，但也有诸多优点。所以在此次毕业设计中要处理好传感器的连接，获得稳定的检测信号，减少数据的出错，保证数据的准确性。选择合适的单片机，实现相应的功能该系统具有四个模块，传感器模块，报警模块，控制模块，显示模块。用户将系统安装在停车场，通过超声波传感器采集的数据发送至控制中心（单片机），控制中心负责接收数据和数据处理和判断，接着根据数据处理和判断控制显示模块及报警模块，从而达到实时显示车库信息，方便车位的管理和利用

在系统设计过程中需要注意以下几点：首先是传感器的选择，面的停车场的环境及经济性能做一定的判断，然后做出选择，选择的传感器要满足停车位的要求，不要选择过好的传感器造成性能过剩。其次是传感器信息的传送选择无线或有线传输，停车场的环境是否对其造成影响。再次就是显示屏的选择，如何做到显示稳定及软件编程方便以及经济效应。最后就是软件模块，实现功能的基础上，要对数据处理及稳定性有一定保障。通过调试和分析，是系统龚总稳定，数据传输正常。

　2.2系统的框架设计

本次设计停车场车位信息检测系统主要以AT89C51单片机为中心，该系统有两个检测传感器和控制中兴构成。检测装置由超声波传感器组成，控制中心由复位按键和单片机按照相应的电路进行连接。检测装置与控制中兴之间的数据是有线传输。

2.3系统方案选择

方案一:控制中心的单片机选用AT89C51，传感器选用超声波传感器（HC-SRF04）对车辆检测，液晶显示屏选用的是LM016L型号。

方案二：控制中心选用的单片机位AT89C51，传感器选用红外线传感器（GP2Y0A710K）对车辆进行检测，传感器通过有线传输将数据传送给单片机，单片机对数据处理判断然后控制显示屏。

方案分析：方案中单片机AT89C51面对此系统设计在性能方面绰绰有余，能够很好满足该系统要求的功能，在价格方面也是比较实惠且在市面上广泛，容易购买在后期的维修或者更换单片机操作方便。方案一中的超声波传感器是利用超声波来检测，当接到检测是该装置会发射8个40KHz的方波，使用5伏电压，具有电源，接地，控制，接收端口，对于像光源，天气，灰尘等一些因素不会带来影响，对于环境的影响不会太大在一般场合都能够稳定工作，红外线传感器使用的是不可见光红外线检测的，对于光线具有一定要求，在黑暗的环境中检测的结果可能偏差太大，但是它能够检测热量，红外线传感器检测距离较短，长距离的红外线检测装置较为昂贵。相对于小型的或者地下的停车场更适合使用超声波传感器。液晶显示屏选用的是LM016L型号的，液晶显示器接收到信号后它的色彩和亮度不发生改变，能够稳定显示。且显示器的接口与单片机连接方便，操作简便。

　2.4系统功能

该系统主要为了实现停车场的信息检测，方便车主迅速了解停车场的信息方便交通出行，该系统通过超声波检测装置来探测是否有车辆通行，后将信息传送至单片机，单片机对信号进行处理及判断，进而控制液晶显示屏和灯光的开关。从而达到信息的管理和展示。。当检测到车辆通过是单片机控制显示模块上的空车位数减一，车辆数加一，累计数加一。

　第三章硬件设计

　　3.1单片机（51单片机）

AT89C51具有这些标准功能：4k字节闪速存储器，256字节片内数据存储器(00H-7FH为片内RAM，80H-FFH为特殊功能寄存器SFR)，32个I/O口，两个16位定时控制器/时间计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。AT89C51是一款十分基础的单片机兼容性好，兼容MCS-51系列单片机，方便开发系统和修改一些参数

3.1.1引脚说明

各个引脚功能如图3-1所示

图3-1各个引脚功能图

afe493da3d0ea2df3ae4b21d3ae139f7 　　3.2复位电路

复位电路中包含晶振，电阻和电容。可以防止发生错误指令，执行错误操作。

　3.2.1复位电路原理

复位电路设计的唯一目的也就是能够在上电复位的瞬间提供了与正常工作不同的电平，如果正常工作是低电平那么复位电平就是高电平。这是利用了电容的特性，电容不允许有突变电流,于是将电容和电阻连接在一块,得电时刻,电容一端没有进行充电,电容两端电压为零,此时,得到复位信号，出现突变电流,电源会不断连续的地给并联电容端充电,直至电容两端电压达到平衡,电路开始进入一个正常地工作运行状态。

　3.2.2复位电路设计

复位电路一般会按其复位的输出控制方式而被分为:手动电按钮式复位,上电按钮式复位,积分型的上下电钮式复位。为了更能更方便有效地使用该类型复位电路常被设计地制作成手动电按钮式复位,需要认为地是在该类复位电路信号输入端和信号RST输入端上各要加上两个高电平。在其中一个RST端上可以分别连接一到一个按钮电源和另外一个+5V电源.当任何一个人为快速地连续按一下任何一个按钮电源后则由于其RET端可以立即自动变成一个极压高电平,而且因为其对人体动作速度的明显衰减慢而甚于电信号的迅速传播,可瞬间迅速的满足一个按钮电源通达数十毫秒,足够达到复位电路要求。复位电路如图3-1所示。

bec6c8c0c270ef426faa0eb5a4afc54a 　　图3-2复位电路

　3.3显示电路

显示控制模块采用的元件是LM016L液晶模块,该控制模块主要采用了HD44780显示控制器,可以直接实现控制字符的移动,闪烁显示等多种功能。

　3.3.1 LM016L液晶显示模块的引脚

该液晶显示器中的DDRAM是存放字符的地方，他的内存具有80个字符，每个字符是5×7的点阵，它的原理是利用电压对液晶的显示进行控制，液晶显示模块接线方便，LCD1602即LM016L应用广泛方便更换，后期维修容易购买到相同的显示屏

　　3.3.2 RESPACK-8排阻

RESPACK-8排阻器又叫做或者也叫网络电阻器。排阻是用一个电阻将一个有至少若干个电阻参数值的完全相同大小的电阻集中地被封装连接在一起用来组成一个网络电阻的。它们在中间的每个引脚上都可被封装连串联在一起,作为整个网络中公共电路的一个引脚。其余所有的电阻引脚则只能被正常地封装被引出。所以说如果有某样一个网络排阻器是由一个或者由n或多个电阻集中起来构成的网络构成的,那么在它的中就只可以有n+的1只网络公共的引脚,一般来说,最里面靠近最左边的那个都是网络的公共的引脚。它都是在一个排阻器上一般是只用一个色点来标点出来。排阻安装方便,安装密度高。目前大量引用在电视机,显示器等家电中。接在51单片机主板里用的一般是P0口,因为接在了P0口主板的电路内部也就因为没有连接上拉电阻,不能有效保证单片机输出的信号的高电平,所以主板一定要接上拉电阻。排阻器就是将好多的电阻并联或连接载接到一起,一端做为一个公共端接到一个VCC或地。

　3.4接口扩展

此次扩展运用了IO口扩展芯片74HC595，它能将三个输出引脚扩展为八个。通过扩展芯片的相连，可以扩展16，24，32个等。当单片机的数据传送（串行输入）至74HC595，数据进入74HC595由高到低，每次SH_CP接收到上升沿信号就传输一位数据，没传输一位数据需要四个机械周期，当ST_CP接收到上升沿74HC595会将输入的信号发送出去（并行输出）。当数据不输出时且任然输入数据，数据会挤出，数据会挤入下一个74HC595的内部储存寄存器，以此类推。

　3.5超声波传感器

超声波的原理是利用超声波的特性，高频率发射超声波，接收反弹的超声波根据时间差来获得传感器和检测物体之间的距离，从而检测到物体。在本次设计中选用的型号是HC-SRF04，该型号的中心灵敏度为40千赫兹左右。最大的测距超过四米，对于停车场的检测这个检测距离够用，误差也相对较小。该传感器的电路包括超声波发射/接收电路，且这个型号在停车场检测，防撞等方面应用广泛。所以互换性较好。当检测装置接收到单片机的高电平信号，并持续10微妙，超声波传感器就开始发射超声波对物体进行检测，当检测到物体时就会发射信号给单片机。由于超声波发射到人的皮肤上反射回来的超声波与汽车上反射回来的信号较弱于是能够分清人和车辆。

　第四章软件模块

　　4.1工作流程

停车场车位信息检测系统的工作流程，开始后超声波检测到车辆，空余车位减一，停车数量加一，累计次数加一，灯光加一，判断车辆是否已满，若已满则出现报警，若没满则重复前面步骤。

　4.2汽车检测流程

超声波是根据超声波反射时长和超声波再空气中传播速度来计算离物体的距离从而达到检测是否有汽车进入。检测到车辆，发射超声波，超声波反射根据时间计算距离，距离是否发生变化，若反馈是，检测到车辆通过，若反馈否，重复返回距离是否发生变化。

　4.3程序设计

当超声波检测到车辆进入/出去时并将信号传递给单片机，经过单片机的控制将车辆信息显示再液晶屏，并对进出车辆技术，检测到一次进/出液晶屏上空车位加/减一，车辆数加/减一，并用灯光实时显示车位状况。

　总结

停车场车位信息检测系统还分别包括采用了车位超声波探头检测与报警系统模块、车位信息采集显示系统监控系统模块和电源模块组成;运用超声波多普勒测距法中的超声波多普勒原理就可以获得超声波车辆探头的位置进出轨迹信息,采用51单片机电路硬件作为超声波探测器软件主控及处理核心芯片,并已完成对该模块电路硬件的结构与设计程序进行了一段很系统详细完整的软硬件设计和描述调试过程;并最后通过使用C语言编制开发出了单片机程序,完成了超声波车位探测器软件的设计。

在整个设计过程中我学会了许多，原来的知识也能够灵活的运用，相对以前的死板的学习知识我更喜欢在实践中学习，当然实践需要在理论的基础上，这次的设计我对超声波传感器进一步认识了，对于它的价格和工作原理也基本了解，对于停车场的管理也有所了解，以及单片机还有接口扩展的使用。此次的设计真的学习到了很多，这种感觉让我很满足，对于专业的知识我更加渴求，对于机械电子工程也更加热爱。希望以后将来的学习和工作中获得更多的知识，为国家为名族奉献绵薄之力。

参考文献

[1]戚金清.数字电路与系统（第3版），电子工业出版社，2016年01月.

[2]秦世才，贾香鸾.模拟电路基础，南开大学出版社，2010年01月.[3]粱明秀.室外空车位检测算法研究及应用[D].贵州民族大学,2021.

[4]范梦阳.基于环视图的自动泊车停车位检测方法[J].时代汽车]2021(11):189-190.

[5]周润景，单片机技术及应用（第2版），电子工业出版社，2020年03月.[6]程琳,樊江涛,李龙,冷尊淼,李田太郎.智能停车场管理系统设计与实现[J].数字技术与应用,2021,39(05):169-171.

[7]曹艳玲．基于超声波传感器的地下停车场引导系统的研究．北京．北京交通大学，2011．

[8]蒋大林，芮瑞．车位检测器及其发展研究．计算机工程与应用，2008

[9]孙凌逸，高钦和，蔡伟，王明章．低压电源驱动的超声波发射接收电路设计．仪表技术与传感器．2010

[10]刘文利．国内停车场管理系统的现状与发展趋势．中国新技术新产品．2011

[11]苑洁．基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计．北京．华北电力大学，2012

　致谢

首先到这里我就特别想要首先要感谢的下是我的毕业论文设计专业指导老师,因为是他一直在指导教着我应该怎样来做好一篇的毕业指导作品在设计毕业论文创作的整个全部过程当中,他能耐心而负责任的提出的指导设计方案建议和指导专业建议都是使我的我都感觉是受益非浅,他也在身边每时每刻的耐心细致的指导与督促这也就是使得了我不敢再有有丝毫的犹豫的和怠慢,他一直的给予我的悉心指导，帮助支持和鼓舞更是莫大的鞭策鼓励与支持,无论他们在专业理论的学习与技术指导上还是在我自身在个人生活精神成长上的也方面都能够一一的给予我指导和帮助,这些的导师的帮助支持鼓励和支持鼓舞对现今的我而言这无疑会是一笔的莫大的财富,它是能够一直的鞭策与激励着今后的毕业设计我努力的和认真的来完成自己的第一个毕业的设计。

在我接下来在这段短短的几个月时间里进行的毕业论文的设计及辅导准备时间过程里,老师同样也会对当时的我犯下的及所有可能要犯的小错误给予了一些较为合理恰当且有效的批评和教导鼓励和鼓励及包容,让这使到我的今后也能够更清晰及时正确的去认识到我当时的自己可能存在犯的这某些大错误并尽能力地争改善其不足。感谢我一直以来都热心的传授教导于我学习各种知识技巧经验的广大学生老师们,更特别感谢这些关心帮助我学习的家人们对我学业一直给予物质上最无私最大的关怀支持和理解帮助。