停车场管理系统Word下载.docx

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（二）国内外发展现状1

（三）本文主要研究内容2

二、方案选择及元器件介绍3

（一）主控核心的方案对比3

（二）STC89C51单片机概述3

（三）HC-SR04型超声波传感器介绍4

（四）NRF24L01无线收发芯片概述5

（五）LCD1602型集成液晶概述6

三、硬件系统设计8

（一）停车场管理系统方案设计8

（二）STC89C51单片机最小系统8

（三）超声波传感器电路设计9

（四）NRF24L01电路设计10

（五）LCD1602外围电路原理图设计12

（六）系统电原理图12

四、软件系统设计15

（一）软件系统流程图设计15

（二）超声波传感器工作流程设计16

（三）NRF24L01无线收发软件流程设计17

（四）LCD1602液晶屏工作流程图18

总结20

参考文献21

附录一原理图22

附录二PCB图24

附录三元件列表26

附录四程序27

引言

停车场管理系统的发展背景

随着国民经济的迅速发展以及人们生活质量的迅猛提升，催动了汽车工业的不断发展，如今私家车已经成为一个普遍现象，目前绝大多数家庭都有了自己的私家车，这一现象一方面反应了人们的生活已经脱离了温饱，不断向小康社会迈进，另一方面也给带来了城市交通带来了巨大的压力，从而诞生出了许许多多轿车的衍生品，如倒车雷达、倒车影像、停车场管理系统等。

智能停车场管理系统是一种集车位实时监控、数据采集处理、射频无线通信等功能于一身的高智能化控制系统，它能够实现车位是否空余、停车场管理数据无线发送以及液晶显示等功能。

智能停车场管理系统是在汽车工业成熟后并且私家车成为一种普遍现象后出现的，它是城市发展过程中产生的一个必然现象，在城市交通尚不繁忙之前，路上的汽车还非常少，城市的停车场处于传统的管理模式，停车场管理多采用笔头记录的方式进行车位登记、空余车位查询等，由于此时私家车数量相对较少，因此停车场的业务稀疏，传统的管理方法比较适用。

随着国名经济的快速发展，私家车几乎进入了每家每户，无论是上下班还是出去游玩，私家车成了主要交通工具，因此传统停车场管理已经完全不能顺畅运转了，停车场车位每天都在不断扩大，成百上千的车位如果再采用笔头记录方式进行管理，会把车场管理员忙疯掉，这时候电子停车场管理系统应运而生，这种模式下主要依靠IC卡进行管理，IC卡内部的芯片部分存储了每个用户的个人身份以及车位信息，当在停车时车主将IC卡在停车场内的登记器上刷取信息，接着系统给车主自动分配空余车位，停车场管理员通过PC机就可监控停车场内各个停车位的使用情况、车主信息以及停车的去起止时间等，这样就做到了停车场的电子管理化。

随着单片机技术以及射频无线通信技术的迅速发展，射频收发机以及能够被集成到一个手指甲大小面积的芯片上了，通过控制器（单片机）的控制，能够轻松地完成中远距离无线通信，设计人员将这种射频无线系统植入到停车场管理系统中，就产生了智能停车场管理系统，通过该系统，探头对车位进行实时监测，将车位的使用情况传送到微处理器，微处理器进行简单处理后通过射频无线模块将数据发送到主机（管理方），主机不断地接收各车位发来的信息后形成汇总，以平面图的形式将停车场内各车位的使用情况显示给管理者。

因此本文以基于单片机的停车场管理系统为课题，研究具有无线数据收发功能的停车场管理系统。

国内外发展现状

如今私家车越来越多，一个家庭几乎拥有一辆以上的轿车，这种背景下传统的停车场管理系统已经不能方便地对车场内的车辆进行灵活管理了，智能停车场管理系统的出现使得这一局面得到了改善，如今国内外许多研究机构都对智能停车场管理系统产生了兴趣，他们的研究热点是如何将多个停车场管理系统组建成一个完整的网络，这样停车场管理员就能够通过主控界面轻松地对每个车位进行足不出户的管理和监控，同时研究者们也在不断地将功能各异的传感器以及车牌识别探头植入到管理系统中，通过识别探头，每个车位的车牌号码以及车主信息等数据自动采集进系统。

本文主要研究内容

本文以智能停车场管理系统为课题，主要设计了一个能够自动对车位使用情况进行实时监测的控制系统，检测部分采用超声波传感器作为主要模块，通过超声波的收发来实现对车位垂直距离的测量，当车位有车时测得的垂直距离比较小，而没车时距离比较大，微处理器通过对这两个距离的比较，来判断车位是否有车，微处理器同时将车位的使用情况通过射频无线收发模块发送给主机。

方案选择及元器件介绍

主控核心的方案对比

方案一：

选择中国宏晶公司推出的8位单片机STC89C51单片机作为本控制系统的主控单片机，STC89C51单片机同美国ATMEL公司的AT89C51属于同一种类型的单片机，都属于C51，片内采用INTEL公司的MCS-51内核作为片内的CPU，在CPU外部集成了一些常用的外围模块，如UART串口、两个外部中断管脚以及定时器模块等。

STC89C51单片机的定时器是一款具有16位精度的高性能定时器，它的精确定时使得它能够应用在一些需要精确定时的场合。

由于大学期间对51单片机有过系统的学习，并且已经掌握了其使用方法，因此本系统选择STC89C51单片机作为主控核心，能够大大缩短毕业设计的开发周期。

方案二：

选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。

STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。

STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作为内核，这种性能优良的内核结构使得其对数据处理的能力显得非常完善和高速，在一些需要处理大量数据的场合，如高像素液晶屏、MP3等应用将显得非常有优势。

其优势已经无以言表了，然而在学生试验中，其缺点也是不可忽略的，STM32的性能之所以这么强大，要靠用户对其繁多寄存器的熟练配置，然而对于普通学生来说，这将变得捉襟见肘，如果没有相关STM32开发经历的学生，在面对这些寄存器时将无从下手。

通过对上述两款单片机在性价比以及自身知识掌握程度方面的权衡，本课题最终决定选用C51单片机作为主控核心，这样不但能够降低毕业设计的成本，更能保证毕业设计的质量。

STC89C51单片机概述

STC89C51单片机是中国宏晶公司早期推向市场的一款8位数据处理宽度的高性能单片机，这款单片机的主要竞争对象是ATMEL公司的AT89C51单片机，通过两款芯片名称可以发现它们全属于C51单片机，内核全部采用INTEL公司在上世纪研发的MCS-51作为CPU，下图2-1是STC89C51单片机芯片的外形图。

在能耗方面，宏晶公司突破了AT89C51单片机的高功耗缺点，将独特的电源处理模块植入到了STC89C51芯片内部，使得STC89C51能够在3.3V直流电压下正常工作，另外其宽电压工作特点使得它能够最大在6.5V下工作。

宏晶公司为了降低该芯片的功耗，还做了另外一个非常重要的改进，使得STC89C51单片机能够在0至35M的时钟频率下工作，由于越高的频率将带来越高的功耗，因此用户可以根据自身系统的实际情况灵活调节主频的大小，将功耗降低到合适的程度。

另外值得注意的是STC89C51单片机能够在0MHz频率下工作，这主要得益于其独特的低功耗模式，在低功耗模式下系统CPU及一切外围模块停止工作，这样就极大地减少了系统不工作时的功耗问题，而当让系统再次工作时只需要给其低功耗管脚施加一个高电平，STC89C51单片机就能够在1ns时间内迅速恢复正常工作。

图2-1STC89C51单片机芯片图

在外围模块配置上，STC89C51单片机内部集成了两个宽度为16位的高性能定时器T0和T1，这两个定时器都能够工作在不同的计时模式下，使得其能够在不同场合下灵活使用。

STC89C51单片机的UART模块也非常实用，其RXD和TXD两个数据收发管脚被映射到了P3.0和P3.2两个IO管脚上，使得这两个管脚变成了功能复用管脚。

外部中断管脚EX0和EX1沿袭了AT89C51，并没有大的改变，这两个外部中断功能被映射到了P3.2和P3.3两个管脚上。

HC-SR04型超声波传感器介绍

图2为本课题所选用的HC-SR04型超声波传感器，从图中可以看出该型号传感器的集成度以及非常高，根据官方资料显示超声波传感器具有超声波发射以及接受功能，当单片机在给HC-SR04发射一个脉冲时，HC-SR04传感器会立即向前方发射超声波；

而当其接收到超声波时，其ECHO管脚也会输出一个脉冲，HC-SR04具备了这两个功能就使得它能够有效的应用于测距场合。

根据上文介绍，当单片机向TRIG传送驱动脉冲的同时，HC-SR04开始发射超声波并且51单片机内部的计时器开始计时；

而当HC-SR04接收到被反射原路返回的超声波时，ECHO管脚立即输出一个脉冲给51单片机，计时器立即停止工作，这样51单片机就得到了超声波从发射到遇到障碍物被发射时的时间，从而计算出发射点距离障碍物的距离。

HC-SR04型传感器共有4个引脚，分别为VCC、GND、TRIG以及ECHO，其中VCC和GND为供电管脚，本设计采用直流5V电源对其供电，而TRIG以及ECHO两个管脚的功能上文已经做了相关介绍。

图2HC-SR04传感器

NRF24L01无线收发芯片概述

本设计中采用了北欧的NORDIC公司研发的NRF24L01无线收发芯片进行数据的无线传输，这款芯片可以在2.4G至2.5G频率范围内的ISM频段进行实时通信，该芯片内部集成了无线收发的所有模块，主要包括频率发生器（也就是我们常说的本振信号）、主控器、功率放大器、解调器以及调制器等必要的模块，并且受益于高速发展的硅集成技术，这款芯片的面积只有16平方毫米大小。

NRF24L01需要使用SPI通信模式进行驱动，所以几乎所有的单片机都可以驱动NRF24L01，无论是8位的51单片机还是32位的STM32单片机，都能够完美的使NRF24L01工作。

通过SPI，可以将NRF24L01配置成不同的通信模式以及发射功率等，比如通过程序上的初始化，可以在2.4G至2.5G频率范围内进行无线数据通信的频道选择，另外通过相关寄存器的设置，可以将NRF24L01的发射功率分别设置成0dbm、-6dbm、-12dbm以及-18dbm四种功率大小，用户可以根据自身的通信距离进行功率输出的配置。

在功耗方面，NRF24L01无线收发芯片具有宽电压供电的特点，即供电电压在1.9V至3.6V之间，都能使其正常工作，这为其带来了极大的低功耗优势。

根据相关数据表明，当NRF24L01工作在接收模式时，其电流消耗只有12.3mA，而当其工作在发射功率为0dBm时，消耗的电流只有11.3mA大小，当其工作在待机或者掉电模式下，只需要900nA的电流，图3为NRF24L01无线收发芯片的实物图。

图3NRF24L01无线收发芯片

根据NORDIC公司公布的测试数据表明，NRF24L01在SPI接口驱动下，能以1Mbps或者2Mbps的速率进行数据传输，通过相关寄存器的配置，可以有126个通讯通道供用户免费试用，极大地满足了用户的功能多样化和多点通信目的。

在硬件上，NRF24L01内部集成了CRC校验模块，极大地降低了数据传输的错误率。

相关测试表明，NRF24L01能够收发的数据包数据量能够达到32Byte，可以再1至32Byte之间自由设定。

由于NRF24L01的驱动方式为SPI，所以系统只需要4根线就可以让NRF24L01工作。

LCD1602型集成液晶概述

LCD1602液晶显示器主要用于单片机系统中，在一些单片机开发板以及工业场合较为常见。

由于LCD1602液晶屏的成本较低并且能够同时显示32个字符，因此非常适合应用在学生实验室和工业活动中，图4为LCD1602液晶显示器的实物图。

下面对LCD1602液晶屏的各项参数作详细介绍，该显示器的屏幕共分为上下两行，每行能够显示16个字符，但不能显示中文，LCD1602液晶屏在出厂前内部的存储器已经烧录了绝大部分较常使用的字符，因此在进行单片机开发时，只需要在程序里将要显示的字符填进去就可以了。

LCD1602液晶屏是一种直插式集成模块，共引出16个引脚，除去电源管脚和背景灯电源管脚，还有3个命令控制管脚和8个数据管脚，其中3个命令控制管脚分别为RS、R/W和E，其中RS用于切换是否接受指令，R/W用于切换LCD1602的读和写模式，E是使能管脚，用于启闭液晶屏的工作。

8个数据管脚分别为DB0~DB7，用于接收单片机发来的命令数据。

图4LCD1602液晶显示器

硬件系统设计

停车场管理系统方案设计

智能停车场管理系统的主要特点在于它能够实现车位使用情况的自动监控，并能将车位信息通过无线射频模块发送给主机，从这一特点出发，本系统依照图5所示的原理框图进行车位管理系统的方案设计。

其中51单片机最小系统是智能停车场管理系统的主控核心，最小系统由51单片机芯片、复位电路以及时钟电路三个部分组成。

在车位使用情况监控的功能上，由超声波测距模块完成，该模块被安置于车位的正上方，超声波模块向车位的正下方发射超声波，并将反射回来的超声波进行接收，通过从发射到接收的时间差来计算车位的垂直距离，由于车位有车时的垂直距离小于没车时的垂直距离，因此当单片机计算出车位的垂直距离后也就得出了车位是否有车的结论。

单片机在监控到车位是否有车后，打开NRF24L01射频无线收发模块，将该结果通过射频无线数据发送给主机，管理者通过主机界面就可以看到该车位的使用情况。

图5整体系统框图

STC89C51单片机最小系统

单片机最小系统控制系统的核心部分，所谓“最小”是指在能够完成系统需求情况下最小的硬件开支，通常情况下由单片机芯片、时钟电路以及复位电路组成，STC89C51单片机的最小系统也由这三个部分组成，下面将对时钟电路和复位电路进行设计。

STC89C51单片机复位电路设计

复位电路所要完成的功能时间是当使用者按下复位电路上的复位按键时，正在运行的单片机系统能够立即停止运行，恢复到初始状态；

当松开复位按键后，系统再次正常运行。

根据这个要求，设计了如下图3-2所示的电路结构。

图3-251单片机复位电路

当复位按键按下时，由于电容C1被短路，因此RST端的电位立即被拉高，由于STC89C51单片机是一种高电平复位器件，因此系统立即被复位。

而当复位按键松开时，由于电容C1的阻断作用，RST端的电位立即被拉低，系统此时正常工作。

STC89C51单片机时钟电路设计

所谓时钟电路就是提供给STC89C51精准时钟信号的模块，通常由一个晶振和两个小容量电容组成，下图3-3是时钟电路的结构原理图。

图3-3晶振电路设计

上图中的晶振XTAL采用12M晶振，C1和C2两个小容量电容的作用是校正晶振的输出频率，使其能够输出精准的12M时钟信号。

超声波传感器电路设计

HC-SR04超声波模块的集成度已经非常高了，该模块共引出四个引脚，分别为VCC、GND、TRIG以及ECHO，这对电路的结构设计带来了巨大的好处，高集成度的模块不但能够节省PCB的布局面积、大大简化了电路结构，更给系统带来了高稳定性。

上文介绍到当要驱动HC-SR04发射超声波时需要给TRIG管脚发送一个脉冲，而当HC-SR04接收到超声波时，其ECHO管脚会立即输出一个脉冲，为了能够准确地实现计时，必须利用51单片机的外部中断功能，这样当ECHO管脚输出脉冲时（此时刚接收到反射回来的超声波），连接ECHO管脚的单片机外部中断功能能够立即停止其计时器的工作。

由于AT89C51单片机的共有两个外部中断管脚，分别为P3.2和P3.3，因此将HC-SR04模块的ECHO和TRIG管脚分别连接AT89C51单片机的P3.2和P3.3，电路结构如图8所示。

图8HC-SR04原理图设计

NRF24L01电路设计

图9中所示的模块为本设计所使用的NRF24L01无线收发模块，可以发现该模块已经配置好了晶振、电阻电容以及由微带线构成的天线，这使得NRF24L01的收发性能得到大幅度提高，用户无需自己掌握PCB的设计技术和微带线天线知识就可廉价使用，并且性能也是相当高的。

该模块共引出八个插脚，方便用户直接将其插到单片机应用系统中，其中两个管脚用来给模块供电，而其他六个则是SPI通信管脚，因此使用者只需要掌握SPI使用方法，就可以将数据通过该模块发送到空中。

图9NRF24L01无线收发模块

根据商家提供的电路参数，可以通过Protel设计NRF24L01无线收发模块的电路原理图，下图中的电阻电容参数已经调试的非常完美，极大程度的减少了通信过程中产生的谐波或者噪声干扰，使得信号的收发功率能够达到最大化，产生最小的反射，从而避免了反射波对NRF24L01芯片的损坏。

图10中VCC和GND为模块的供电管脚，而CS、CSN、SCK、MOSI、MISO和IRQ六个管脚用于SPI通信。

图10NRF24L01无线收发模块原理图

本系统的主控芯片用了C51单片机作为主控芯片，由于C51单片机内部并没有集成硬件SPI接口，因此必须通过软件上的构建来模拟SPI接口，这种通过软件方式模拟出的SPI接口虽然不具有硬件SPI接口的那种高速和强大功能，但是却足以驱动NRF24L01进行正常工作。

上图NRF24L01无线收发模块原理图中表明了51单片机和NRF24L01模块的连接关系，通过上图可以知道51单片机模拟的4线SPI接口由51单片机的P3.3、P3.4、P3.6以及P3.7引出，其中P3.3为SPI接口的时钟管脚，P3.4为SPI接口的数据输出接口，P3.6为SPI接口的数据输入接口，P3.7为SPI接口的片选接口，以上四个接口就是SPI通信的主要管脚，因此SPI接口是一种四线通信模式。

另外P3.2接NRF24L01的CS管脚，这个管脚是模块的片选管脚，当给高电平时模块能工作，当P3.2管脚输出低电平时禁止模块工作，这样当某些系统需要多个NRF24L01模块工作时，就可以通过片选管脚来灵活的控制NRF24L01模块的工作。

LCD1602外围电路原理图设计

上文介绍到LCD1602液晶屏是一种高度集成的液晶屏，模块内部已经集成了必要的存储器和液晶控制芯片，存储器内部在液晶屏出厂前已经烧录了字符信息，液晶控制芯片主要用于控制屏幕上液晶的显示效果。

因此LCD1602液晶显示器的外围电路配置将显得非常简单，1和2号管脚为电源管脚，本系统用直流5V电源为其供电，3号管脚用于调节液晶屏的对比度，经过多次调试，本系统通过电阻分压法将1V直流电压施加到3号管脚上，使得液晶屏的对比度最合适。

4至14号11个管脚与单片机的IO管脚直接相连，15和16两个管脚是液晶屏背景灯的电源，本系统需要将其背景灯打开，因此给背景灯供5V直流电源，图11为液晶屏电路原理图设计。

图11LCD1602液晶屏电路设计

系统电原理图

下图12为车位端主控系统的电原理图设计，该系统由51单片机最小系统、超声波传感器以及NRF24L01无线收发模块组成，51单片机通过P3.2以及P3.3两个管脚驱动HC-SR04传感器获取距离值，然后通过SPI口驱动NRF24L01发送车位的垂直距离值。

图12车位端电原理图

下图13为主机端电原理图设计，该系统由51单片机最小系统、LCD1602液晶屏以及NRF24L01无线收发模块组成。

其工作原理主要为51单片机通过SPI接口驱动NRF24L01无线收发模块获取车位端发来的车位垂直距离