基于单片机智能停车管理系统毕业论文.docx

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基于单片机智能停车管理系统毕业论文

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摘要：

随着汽车工业的迅猛发展，我国汽车拥有量急剧增加。

停车场作为交通设施的组成部分，随着交通运输的繁忙和不断发展，人们对其管理的要求也不断提高，都希望管理能够达到方便、快捷以及安全的效果。

停车场的规模各不相同，对其进行管理的模式也有不同之处，管理者需要根据自身的条件，选择应用经济、稳定的管理程序，避免选择高成本的管理系统。

本设计旨在设计一个简洁、稳定、实用的停车场管理信息系统，希望在容错性、实用性、易操作性等方面具有自己的特色，并且保持一定的可扩展性，以满足不同停车场的信息管理需求。

本文设计的主要是一种停车场车辆检测系统，通过分布在进出口的车辆检测器，实现对闸杆机的控制和车位提示等功能。

关键词：

射频技术；车辆检测；停车管理

Intelligentparkingmanagementsystembasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofautomobileindustry,thesharpincreaseincarownershipinChina.Parkingaspartoftransportationfacilities,asbusyandthedevelopmentoftransportation,itrequiresitsmanagementisalsorising,wanttomanagetoachieveconvenient,fastandsaferesults.Parkingscalevaries,itsmodeofmanagementalsohavedifferences,managersneedaccordingtotheirownconditions,selecttheapplicationeconomy,stablemanagementprocedures,soasnottochooseahigh-costsystemmanagement.Thedesignaimstodesignasimple,stable,practicalparkingmanagementinformationsystem,hopehasitsowncharacteristicsinfaulttolerance,usability,easeofoperationandotheraspects,andtomaintainacertaindegreeofscalabilitytomeetthedifferentparkinglotInformationmanagementneeds.Themaindesignofthispaperisaparkinglotvehicledetectionsystem.Throughthevehicledetectorsdistributedintheimportandexport,thecontrolofthebrakerodmachineandtheparkingspacepromptsarerealized.

Keywords:

RFtechnology;vehicledetection;parkingmanagement

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

随着生活水平的提高,汽车已经逐步成为人们的代步工具。

然而汽车在方便我们出行的同时,也会给我们带来一些不便,比如停车位置问题。

特别是在寸土寸金的一线城市，修建停车场就非常有必要了。

在停车场中采用现代智能停车管理系统可以使得车辆进出程序变得简单，安全性变高。

智能停车管理系统因为其具有自动检测、计费统计、显示等功能,从而可以大大节省人力资源，提高工作效率。

在整个停车管理系统中，对车辆检测技术是系统的关键。

本设计是一个停车场车辆检测系统，通过分布在进出口和停车位的车辆传感器,实现对道闸机的控制和车位状态提示功能。

当智能停车场入口的控制器检测到位于停车场入口道路下的车辆传感器感应到车辆到来时,控制器启动射频识别系统,对来车电子标签进行识别并写入时间信息。

停车位使用超声波测距模块来检测车位状态,经处理后用来引导车辆，避免了停车场中寻找车位的不便,从而提高了停车效率。

出口处采取与出口处一样的结构，利用软件实现停车计费功能。

本设计以单片机为控制核心，结合射频识别技术、超声波测距技术等,将自动升降电机道闸、空位指示、自动计算停车费用等功能联系成一个整体,形成一个具有现代化气息的智能停车场。

1.2国内研究现状

当前我国的科技水平高速发展，自动化技术作为今天使用最广的现代化技术已深入到各个领域，并且正在成为未来信息社会的重要支柱。

在这样的环境下，现代车辆的管理方式，资源建设等方面都发生了重大变化，这种变化表现在车辆工作，管理和服务平台发生的变化，车辆不再是传统的手工操作，人工管理，而是全面实行计算机管理，实现车辆通行、收费的全自动化管理。

本设计是基于单片机所开发的智能车辆管理系统。

近年来单片机技能也迅速发展。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元和数据存储器、程序存储器及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更加广泛。

第2章智能停车场管理系统概述

2.1射频技术（RFID）概述

无线射频技术（RFID），常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。

其原理为由扫描器发射一特定频率之无线电波能量给接收器，用以驱动接收器电路将内部的代码送出，此时扫描器便接收此代码。

接收器的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。

2.1.1射频识别系统的构成

时下常见的RFID系统主要由电子标签，阅读器以及计算机管理系统组成。

本文开发的RFID系统，在此基础上加入了车位锁用于车位的集中管理，系统如下图所示。

（1）电子标签

半有源电子标签采用纽扣电池供电，工作频率为2.4GHz.在停车场管理系统中充当车辆的通行证，即当车辆进入停车场后，电子标签被阅读器激活，主动将自身的标签号发送给阅读器以完成车辆身份识别。

当车辆不在阅读器激活范围时，电子标签进入低功耗休眠状态节省电量。

（2）阅读器

阅读器是本系统的核心控制部分，采用外接电源供电，工作频率为2.4GHz和433MHz，在停车场管理系统中作为管理者，主要完成进场车辆身份的识别、车位的动态分配、停入车位提示等任务。

在正常工作时，阅读器通过2.4GHz频段不断发送电子标签的激活信息。

当携带有专用电子标签的车辆进入停车场是，阅读器自动与其进行校验匹配，若成功配对，则进行车位动态分配，同时将已分配的车位号通过LED显示屏显示。

车辆离开后，阅读器收到车位锁发来的车位空闲信息，则将该车位重新加入空闲车位序列。

阅读器与车位锁之间采用一对多的拓扑结构，可实现点对点唤醒，而不会干扰其他车位锁。

（3）车位锁

车位锁是系统是系统重要组成部分，在停车场管理系统中担任车位控制节点，完成车位检测以及防止空闲车位被占用等任务。

当车位空闲时，车位锁档杆处于升起的状态，除无线通信模块外，其他部分均不行。

当车位锁收到阅读器发来无线唤醒信号后，降下档杆，同时开启车位检测功能，并自动判断车辆在位情况。

若检测到车辆驶离，车位锁将车位空闲信息发给阅读器，同时抬起档杆。

2.1.2射频系统基本工作流程图

射频系统基本工作流程图如图所示。

图1FRID系统示意图

2.2车牌识别技术

2.2.1车牌自动识别系统原理

车牌自动识别是一项利用车辆的动态视频或静态图像进行牌照号码、牌照颜色自动识别的模式识别技术。

其硬件基础一般包括触发设备（监测车辆是否进入视野）、摄像设备、照明设备、图像采集设备、识别车牌号码的处理机（北京易泊识别相机拍照）等，其软件核心包括车牌定位算法、车牌字符分割算法和光学字符识别算法等

2.2.1牌照号码、颜色识别

目前，从事车牌定位有两类技术路线。

第-类是在预处理后的灰度图像中实施检测，灰度图像相对于人的视觉而言，是以灰度等级来体现图像的深浅度。

车辆图像的背景通常很复杂，背景可能包括生活中的人、树木、建筑物等，然而车牌为一个含有字符的固定区域，其内部含有丰富的边缘，因而车牌部分呈现出规则的纹理特征。

第一类包括的主要方法有基于纹理特征法、基于数学形态学法、基于小波分析法等方法。

车牌定位的第二类是在彩色图像中检测，由于人的视觉感受更倾向于彩色图像，且彩色图像能够提供更多有用的信息，因此人类可很好地区分上万种不同的颜色。

随着计算机技术和图像处理技术的发展，计算机处理彩色图像的能力越来越高，通过彩色图像定位车牌成为近年来车牌定位的研究热点。

第二类包括的主要方法有基于RGB颜色法、基于神经网络法等。

在经过边缘检测后的图像还存在许多干扰区域，若直接进行车牌定位，很容易出现误定位或者增加了车牌定位的计算量，因此可以利用图像形态学知识在保持图像的基本特征不变的情况下去除那些不相干的结构。

数学形态学的基本思想：

为更好地识别和分析图像，利用具有一定形态结构的结构元素去测量图像中的对应形状。

字符分割模块也是整个识别系统中的重要模块之一，字符分割的好坏直接对后续字符识别产生重要的影响。

车牌字符分割就是把车牌照图像中的汉字、字母以及阿拉伯数字分割成为一个个独立的单字符，为下一步做好充分的准备。

在进行字符分割前通常需要对车牌区域进行一定的预处理，如车牌校正和旋转。

我们使用基于模板匹配的车牌字符识别方法。

模板匹配法是一种直观的分类算法，就是用不同字符的标准字形建立模板，然后把要识别的字符与其逐一比较，相似程度最大的作为识别结果，模板匹配法具有识别速度快、方法简单等优点。

为了实现模板匹配，首先要选择一些样本字符图像建立相关的字符模板库，当进行字符判定时，将每个待识别的二值化车牌字符图像进行归一化处理，将待识别字符图像缩放到模板字符同样的大小，然后计算待识别字符与模板库中样本字符特征点之间的距离，找出特征距离最小的模板，其所对应的输出值就是期望的识别结果。

2.3车位诱导和车辆检测系统概述

2.3.1车位诱导和车位显示

所谓精确车位诱导，是指在区位诱导的基础上,提供精确车位信息区位诱导只能提供该区位内是否有空余车位，但是却无法精确提供具体的空余车位的位置,因此区位诱导的作用就受到限制。

比如在区位诱导牌上显示空余车位有5个，提供在500个车位还有5个空余车位的信息,对于驾驶员而言没有任何意义。

精确的车位诱导则不同，其直接显示空余车位的位置,可以帮助驾驶人员快速的寻找到车位停车。

停车场智能车位诱导系统是建立在车位信息系统上的停车场交通诱导,通过设置在每个车位上的超声车位检测器可以实时收集各个车位的停车状态并发送给管理中心,车位诱导管理中心通过电子车位诱导牌,实时发布,并且可以通过电子车位显示牌,实时显示各具体车位的使用情况,对于各种开放式停车场（路边停车带、小区停车场和广场停车场）都特别适用,提供给客户精确的可停靠车位的位置,免去了在数以千计的停车场中寻找空车位的困扰。

超声车位检测器随时感应汽车驶进、离开车位状况信息通过安装在附近的基站发送到车位诱导管理中心，车位诱导管理中心综合处理车位数据后将空余车位信息送到停车场周边的道路上的车位诱导牌上。

驾驶者根据车位诱导牌显示的空余车位信息自行驶入停车场并选择车位停放。

2.3.2超声波测距原理

超声波测距主要用于智能管理系统中随时检测停车位是否有车停放，其原理是通过数据采集器和节点控制器，将数据随时可发送到主控制器和管理电脑，主控制器将数据处理好后将即时反馈给相关显示屏，引导驾驶员安全有序地停车。

同时根据车位使用情况控制车位指示灯亮不同的颜色，红色为占用，绿色为空位，客户在50米外即可看到，根据车位指示灯的颜色客户可很快找到车位。

系统最终通过将无线控制器集成连接到节点控制器，在连接到主控器和电脑，实现无线超声波车位探测。

2.3.3车辆检测

我们基于地磁检测原理，设计车辆检测方法。

基于地磁检测技术的车位传感器的基本工作原理是，地球的平均磁场强度约为0.5高斯至0.6高斯，而且在几公里范围里基本均匀分布，当汽车（铁磁物体）停于传感器上方时，会对地球磁场产生扰动，影响大约在0.2高斯左右。

通过检测出地球磁场强度的变化（如图2所示）,完成车位检测。

这种检测方法灵敏度较高，无需破坏路面，易于集成，适用于低功耗的应用环境。

图2车辆对地磁场的扰动

2.4小区停车计费系统概述

使用发卡收费系统，提供固定用户注册发卡、临时用户发卡、固定收费用户、程序的退出出口。

固定用户注册发卡录入主要包括卡号、车主姓名、车牌号码、车型、住址和联系电话等。

2.5进出口识别系统概述

入口识别功能要实现以下几个指标:

人力资源、身份识别、信息记录、图像摄取、满位和信息显示等五个方面。

（1）入口实现无人值守的智能化管理可以节省大量的人力资源。

（2）通过身份识别，可以判断前来的车辆是否具有入场权限的功能，只有办理入场手续并且缴费的用户，才有权利停放车辆。

（3）通过信息记录，停车场计算机系统在车主发送短信进入停车场时，系统记录该车辆入的出入场时间，车辆的颜色和车主身份，以及车牌号码。

车牌号码作为车辆进入停车场明显的特征标志，被系统提取后作为车辆出场时完成识别的重要保证。

（4）摄取与开闸指令同步的进入停车场的车辆图像和车牌号，并且将数据保存在计算机系统中，当有车辆出停车场时，自动完成车辆的车型和车牌核对工作，以确保车的安全。

（5）当停车场内车位已停满时，满位信息通过LED显示屏显示出来。

当有车辆要出入停车场时，会通过LED获取满车位的信息。

另外，车主发送短信时，也会收到车位已满的反馈信息。

车辆就不用进入停车场。

LED显示屏的亮度很高，就算在阳光很强烈的天气里，车主依旧可以清楚的看到显示的信息。

同时采用中英文双语来显示信息，已可以方便和服务外国客人。

LED显示屏信息的内容简单明了,不但能够给车主明确的车位信息显示，还不会耽误车辆入场。

出口识别功能要实现以下几个指标:

自动计费、自动收费、图像对比等三个方面。

（1）自动计费功能是根据车辆入场时间与出场时间，停车场计算机系统自动计算出停车花费的时间，并且根据停车时间与收费标准自动计算应收费用，将所需收取的费用通过短信反馈给车主。

（2）自动收费功能是根据系统计算的费用，从车主的手机费用中扣除，当然需要车主确认支付，系统才能扣除费用。

扣除费用后，系统自动道闸打开，放车辆出停车场。

（3）图像对比的功能是通过出入口的摄像机摄取进入停车场车辆的图像并传送到计算机保存。

单有车辆出停车场时，系统自动调出该车的入场图像，将图像信息进行对比，以确认出入场是否是同一辆车。

第3章车位诱导车辆检测系统硬件设计

3.1停车场系统

现有的停车位管理系统研究中有关大型停车场的设计方案都比较全面和深入，包括车位引导系统，后台计费系统和数据库管理等模块设计,对于停车位的精确管理，研究中引入了车位检测传感器，但并不涉及防车位占用的设计，如今市面上的车位锁也存在自动化水平不高，续航能力不足的问题。

本文设计目标为开发-一个基于无线射频技术（RFID）的智能停车位管理系统（如图3所示），主要用于解决目前企业或者小区内专用停车位被占用的问题，实现m个车位和n辆车的停车自动化管理（n可能大于等于m）。

系统智能化主要体现为使用RFID技术用于入场车辆快速识别，并为其动态分配停车位，同时将分配给车主的车位号通过LED屏进行显示，实现“一车一位”精确管理。

针对目前停车场中的停车位管理混乱的现象，本文采用车位锁对每个车位进行管理，同时车位锁的使用也可以防止专用车位被占用，实现专位专用。

为解决停车场内供电麻烦的问题，本文开发的管理系统只有车辆识别模块需要外接电源，其余部分均使用电池进行供电，并实现低功耗设计。

电池供电部分设计有电压检测系统，可在电池低电量的时候发出警告，提示管理人员更换电池。

图3智能停车场管理系统示意图

3.2系统总体原理

系统运行的原理（如图4所示）为:

当携带有本文开发的电子标签进入停车场后，电子标签会被不断广播激活信号的阅读器所激活,然后主动将自己内部已写入的标签ID号发送给阅读器用于校验，如果车辆通过了校验，则阅读器为车辆动态分配车位，并将所分配的车位号通过LED屏显示。

此时，相应的车位锁会被阅读器激活，然后降下停车档杆，同时开启车位检测功能。

最后，车辆驻离，车位锁检测到车位上没有车辆后，抬起停车挡杆，同时将空闲信息发送给阅读器，以便再次被使用。

如果车辆非法驶入停车场，由于车辆身份无法识别，则不会进行车位分配，同时由于车位锁的存在，车位不会被强行占用。

图4智能停车场管理系统流程图

3.2.1车辆监测

车辆监测主要是判断车位中是否存在车辆。

检测装置为车辆感应器，它与地感线圈相连接，共同为检测服务。

当地感线圈上面没有车辆时，车辆感应器依靠地感线圈的信号传递输出一个低电平给中央处理器。

当地感线圈上面有车辆时，由于磁场的变化，地感线圈传递给车辆感应器不同的信号，造成车辆感应器输出高电平给中央处理器。

由于这两个电平信号截然不同，系统就很容易做出判断是否有车辆在此停车。

检测用地感线圈具有如下特点:

1、检测准确，采用锁相环技术，保证了准确度;2、检测灵敏度高，并可根据需要调节灵敏度:

3、使用简单，对供电没有特别要求，家用交流电和普通直流电均可。

地感线圈监测车辆的基本原理如图5所示。

图5地感线圈监测示意图

3.2.2车位诱导和车位显示

车位诱导和显示部分主要由：

数据采集模块（包括车位相机、车位引导灯等）、中央控制模块（包括中心服务器等）、数据库服务器、信息发布模块（包括室内引导屏等）组成。

当车主进入到停车场内时，通过车位引导屏发布的空余车位信息，实时掌握各个区域的剩余车位数量，迅速找到空余车位区域，避免车主在场内边开车边找车位，导致场内拥堵和形成车辆在场内空跑。

当车主到达某区域时，空余通过车位状态指示灯快速知晓究竟哪一个车位是空闲的，标志性明显的车位状态指示灯，通过绿色显示该车位是否允许停车，车主在几十米外即可看见。

当车主无法找到车辆停放位置时，用户只要记得车位号，即可按照车位号进行寻车，输入车位号码，即可查询到车辆的停放位置和寻车路径。

3.2.3其他控制部分

控制系统置入出入口，是整个停车管理系统的主要设备。

控制系统主要特点是采用非接触式IC控制。

TCP/IP通信、非接触式IC卡读写、道闸开关控制等功能。

主要由以下几部分构成：

控制机箱：

需要密封设计、防雨、防尘。

出票口：

设计防渗水，防尘等功能。

面板信号系统：

通过面板上红绿灯的转换，可分辨数字式车辆检测器、道闸、IC卡读写器的工作状态是否满足正常使用。

中英文信息显示屏:

车辆进出时一般都会显示停车时间、收费金额、卡上余额、卡的有效期等，若系统不允许车辆进出，就直接在屏幕上显示出具体原因，方面驾驶人做出明智判断。

在闲时则显示时间日期、欢迎用语等相关提示信息。

3.3车辆检测系统硬件设计

车辆检测系统硬件设计包括锁和环路硬件设计、信号输入电路设计、复位电路的设计。

3.3.1锁和环路工作原理

车位锁是系统是系统重要组成部分，在停车场管理系统中担任车位控制节点，完成车位检测以及防止空闲车位被占用等任务。

当车位空闲时，车位锁档杆处于升起的状态，除无线通信模块外，其他部分均不行。

当车位锁收到阅读器发来无线唤醒信号后，降下档杆，同时开启车位检测功能，并自动判断车辆在位情况。

若检测到车辆驶离，车位锁将车位空闲信息发给阅读器，同时抬起档杆。

在停车场管理系统中，车位锁主要完成车位占用，车位检测，同时还要能够被阅读器发送来的无线信号唤醒。

其硬件组成主要包括：

车位检测模块、电源管理模块、电机驱动控制模块和无线串口模块。

由于无线射频芯片本质上就是一种单片机，因此在车位锁中可直接使用无线射频芯片nRF24LE1，只是不需要其射频功能。

锁和环路硬件设计总架构如图6所示。

图6车位锁和环路硬件框架图

3.3.2信号输入电路的设计

本文设计的停车管理系统中，使用4节1号碱性电池供电，供电电压为6V,而MCU及其外围硬件电路工作电压为3.3V,电机驱动芯片工作电压为5V,因此需要稳压电路，提供相应芯片合适的工作电压，同时，供电电源的质量对于嵌入式控制系统的可靠性有极大的影响。

供电模块的设计需要综合考虑芯片工作电压，供电电流，抗干扰等问题。

由于是车位锁是电池供电，因而稳压芯片静态时的电流应该尽量地小，节省电量。

本文选择HT7533稳压芯片为MCU及其外围电路供电,该芯片可提供100mA的输出电流，静态电流为10HA，不但符合系统功率要求，也满足低功耗的需求。

如图3-12所示为基于HT7533稳压芯片的3.3V供电模块硬件电路图。

其中BAT为电池输入电压，F1为保险丝，参数值为1A/16V,对车位锁控制系统起过流保护作用。

电容C4选用铝电解电容，参数值为4704F/25V,对电池输出电压进行滤波。

SS14为二极管，作用是抑制反向电压。

胆电容E1和E2的参数值为10uF/25V,其作用为与陶瓷电容C5、C6组成电源滤波电路。

图73.3V供电系统

电机驱动模块对供电部分的要求是:

大电流，高驱动能力，同时由于该模块功耗较大，当不需要该模块工作时，应该能够及时地将该模块与电源断开，以便节省电量。

本文使用LM7805三端稳压器（如图8所示）为电机驱动芯片提供工作电压，该芯片可提供直流5V输出电压，同时内含过流过载保护电路。

当芯片带散热片时，能够持续提供1A电流。

图85V供电系统

图中电容C21用于稳定稳压芯片内部放大器的工作状态，同时改善电压转换的过度响应，电容C22为负载电路退耦电容。

IRF9540N是IR公司的P沟道增强型功率MOSFET，具有导通阻抗低和开关速度快的特点。

在25℃时，连续的漏极电流可达23A，满足本设计使用需求。

nRF24LE1通过P1.4引脚控制IRF9540N的开关状态，从而控制是否将信号输入电路接入电源。

3.3.3复位电路的设计

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。

图1所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图3为其输入-输出特性。

但解决不了电源毛刺（A点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差。

左边的电路为高电平复位有效右边为低电平Sm为手动复位开关Ch可避免高频谐波对电路的干扰。

此复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。

图9所示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部比较增加放电回路的效果。

图9增加放电回路的RC复位电路

第4章系统软件设计

4.1程序流程图

对于一套完整的停车位管理系统，其设计目标的实现，不仅仅在于硬件的选型和设计，更依赖于一套具有较高可靠性，逻辑性强的软件设计，同时，软件的性能也在一定程度上决定了电池供电系统的使用寿命，因而，必须完成相应模块的低功