停车场车位远程监控与显示系统设计.docx
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停车场车位远程监控与显示系统设计
学位论文
停车场车位远程监控与显示系统设计
作者姓名：
吴志兵
学科专业：
测控技术与仪器
学号：
*********
指导教师：
黄刚（副教授）
完成日期：
2014-06-15
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信申明
本人申明：
本人所提交的毕业设计（论文）《停车场车位远程监控与显示系统设计》的所有材料是本人在指导教师指导和同学讨论下研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本设计（论文）和资料若有不实之处，本人不承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
2014年06月15日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
停车场车位远程监控与显示系统设计
系部：
电子工程系专业：
测控技术与仪器学号：
*********
学生：
吴志兵指导教师（含职称）：
黄刚（副教授）
1．课题意义及目标
随着交通工具的越来越普及。
汽车作为人类社会中最主要的交通工具之一，起着重大作用。
汽车的数量与日俱增，使得找到一个空车位停放车辆成了司机们的难题。
私家车的日益普及，中小型城市的车位管理问题也日益突出。
而现有的停车管理系统大都是基于大中城市，所需成本较高。
本项目拟设计的车位监控系统能够进行车位信息的显示，为广大的司机节约寻找车位的时间，同时节约停车场的有限资源，充分提高泊位的利用率，缓解城市泊车压力。
因此，针对上述的情况，开发一套能够监测停车场空闲车位并显示的装置，使得司机在进入校园（或厂区）大门的同时，能对校园（或厂区）里停车场的车位情况一目了然，使之达到快速、合理地选择停车地点的目的。
2．主要内容
随着车辆数目的与日俱增，司机通常很难快速的找到一个空闲的车位，这使得停车场常常会出现交通阻塞、车多位少的情况。
想针对上述的情况，拟开发一套能够监测停车场空闲车位并远程显示的装置，使得司机在进入校园（或厂区）的时候，能对校园（或厂区）里停车场的空闲车位数目一目了然，达到快速、合理地选择停车地点的目的。
本智能停车管理系统基于单片机平台，采用传感器检测和数码管显示技术，主要用于中小型城市的车位管理问题。
提供信息显示功能。
传感器检测停车位是否有车辆,并将信息及时传送到显示屏;显示屏将传感器传送的信息通过屏幕显示出来,为车主提供最新的车位信息,方便车主停车。
3．主要参考资料
[1]张剑平.智能化检测系统及仪器[M].第二版.北京:
国防工业出版社,2009.7.
[2]冯博琴,吴宁.微型计算机原理与接口技术第三版[M].清华大学出版社,2011.
[3]李广弟.单片机基础[M].北京航天航空大学出版社,2005.
[4]郭天翔.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2008.
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
检索相关文献，熟悉课题背景、任务，撰写开题报告；
2月20日~3月10日
2
掌握远程无线控制的原理以及相关技术在国内、外的发展现状及趋势；提出可行的设计方案；
3月10日~4月01日
3
对硬件电路和相关软件进行设计；通过仿真软件和设计的软、硬件模块进行仿真实验和相关软、硬件试验；
4月01日~5月01日
4
根据仿真和相关测试结果对系统进行改进，并进一步优化和完善测试系统；
5月01日~5月20日
5
撰写毕业设计论文，进行论文答辩
5月20日~6月15日
停车场车位远程监控与显示系统设计
摘要
本文主要是介绍利用51单片机和外围传感器模块完成停车场车位统计并加以显示的设计。
设计的主要目的是能够简单直观地一目了然地看到停车场剩余车位数目，使司机能够快速知道车库的剩余车位数目，方便司机驾车进出车库，避免了车库门口的拥堵现象。
该设计利用STC89C51或AT89C51单片机作主控芯片，配合高精准度的光敏传感器模块进行车辆识别，再利用单片机C编程语言设计出基本功能并与实际相结合。
本文设计能够实现以下三大功能：
第一，准确实现对剩余车位数的统计；第二，实现停车场出口与入口间的通信；第三，它可以准确分辨进出的物体是否为车辆。
关键词：
停车场剩余车位，远程监控，光敏传感器，51单片机，
Parkinglotparkingremotemonitoringanddisplaysystemdesigning
Abstract
Thisarticleismainlytointroduceusingthe51MCUandperipheralsensormoduletocompletethedesignofparkingspacesanddisplaysstatistics.Themainpurposeofthedesignissimplyandintuitively,lettingdriverstobeabletoseeclearly thenumberofremainingparkingspaces,whichcanallow thedriversknowthenumberoftheremainingparkinggaragequickly.So,itiseasyfordriverstodriveinoroutofthegarage,thegaragedoortoavoidthecongestion.Thedesign acknowledges STC89C51orAT89C51microcontrollerasthemasterchip,withtheuseofhighaccuracyphotosensorvehicleidentificationmodule.MicrocontrollerCprogramminglanguagecandesignthebasicfunctionsanddesigncombinedwithreality.Thisdesigncanachievethefollowingthreefunctions:
first,itcanachieveaccuratestatisticsonthenumberofremainingspaces;Second,itcanachievecommunicationbetweentheparkinglotexitusandentrance;Third,itcanaccuratelydistinguishwhatthingsispassingbybetween theobjectandthevehicle.
Keywords：
Thenumberoftheremainingparkinggarage,Remotemonitoring，Photosensor，C51MCU
致谢32
1绪论
1.1问题的提出
近年来，随着经济建设的快速发展，汽车带给人们快乐的同时也带来了越来越突出的难题：
城市交通问题日益严重，停车问题接踵而至，一个不到10平方米的停车位，牵动着社会的“神经”，停车场车位不足的问题越来越突出。
目前，有偿使用停车场是这个问题最为有效的解决方式，这就使得停车场管理的重要性越来越受到重视。
然而目前的大部分停车场管理系统都是采取人工判别车型、人工放行以及人工引导车辆入库等比较传统的管理模式，这在很大程度上制约着城市的发展。
1.2研究的背景与意义
车辆数目的日益暴涨，使得司机找到一个空车位停放车辆成了难题。
某些大型停车场都采取进场刷卡制度，因此比较容易实现该停车场空车位的自动统计和显示。
但是对于大多数没有刷卡设备、甚至是有多个停车场且总占地面积较大的单位或企业，例如高校、企业园区等，司机们想要快速地找到一个空车位是件困难的事。
因此，我们想针对上述的情况，开发一套能够监测停车场空闲车位并远程显示的装置，使得司机在进入校园（或厂区）的时候，能对校园（或厂区）里停车场的空闲车位数目一目了然，达到快速、合理地选择停车地点的目的。
1.3国内外研究进展
随着科技的进步，停车场管理系统的功能也逐渐完善。
现代停车场最明显的特点就是智能化，它采用很多先进的工艺及材料。
目前，国外停车场已经基本完成了自动化，不需要人工干预。
已经用先进的非接触类型的收费方式取代了接触读写类型的收费方式。
国外停车场设备精良，采用高科技提高产品质量，系统可靠性已经相当高。
不需要人工计费收费是国外停车场的一个显著特点。
国外停车场系统居多都具备泊车位引导系统、车位报警系统，以及车位查询系统，管理系统非常先进。
有些停车场收费系统能够直接联网，能在一个区域里随意查询车位，能在区域内任何一个停车场任意停车。
这种新型系统是网络给人们生活带来的便利之一。
但是，此类停车场管理系统价格昂贵、技术复杂、维护成本较高。
近年来，在国内私家车迅速增长的情形下，一些大型城市面临“车多位少”的困境，迫使很多车主把车直接停在道路上，这一方面影响交通畅通，带来交通安全隐患;另一方面也不利于车辆的管理，车辆容易被破坏或被偷盗，给车主带来财产损失。
与此同时，随着城市停车场规模也日益大型化，加之服务车辆繁杂，人工管理的效率和可靠性已难以满足其在管理上提出的要求，此时，运用监控、诱导、路闸等手段实现车辆的智能化管理应运而生。
国内停车场管理系统已经从最早的引进向自主研发阶段迈进。
在这过程中应用了很多国外先进的科技和理念。
许多停车场管理系统已经在国内自主研发和生产，基本上跟上了国际上的先进步伐。
但是，某些核心技术仍是国外厂商的专利。
目前，国内停车场管理系统厂商普遍面临的两大问题：
如何提高停车场管理系统的设备水平，以及如何提高停车场管理系统核心技术的研发水平。
远距离射频电子标签、非接触式IC卡、车辆图像识等技术已广泛被国内厂商应用。
1.4主要实现的功能
本论文介绍了一种停车场监控系统模型。
它不但能在任意时间内，根据停车场出入口进出车辆的数目，准确地统计能够停泊车辆的空闲车位数量，并且使用方便、自动而可靠。
而且能够避免停车场入口处及出口处的交通阻塞现象，同时还能满足使用者和管理者对停车场效率、安全、性能以及管理上的需要，不会造成大量资源的流失。
2车位监控系统硬件电路介绍
2.1系统概述
本系统包括：
传感器模块、电源模块、控制计数模块、数码管显示模块等。
它可以实现显示当前停车场内车辆的数目及状态以及剩余车位数等功能。
系统框图如图2.1所示：
图2.1系统框图
具体施行方案如下：
我们采用AT89C51型号单片机作为主控制器，完成数据的处理以及控制各个外围模块，通信部分我们可以采用NRF24L01无线模块加以实现，为了便于模拟我们采用共阳极数码管作为车位数量的显示装置；采用激光配合光敏传感器作为车辆感知模块，当有车辆进出时，空闲车位数目会在此基础上加一减一，以此完成对车库剩余车位的统计。
检测措施为：
将两个点状激光头、两个红外传感器，间隔一定的距离，安装于停车场入口处，当有车辆进出停车场时，传感器即可感知到车量是出还是人，并将数据通过安放在出口处的NRF24L01无线模块发送给安放在进口处的NRF24L01无线模块。
进口处无线模块又与单片机相连接。
这样，进口处的单片机收到数据后，会在原有的空闲车位数上增一或减一，并将数据传送至显示处，通过数码管显示装置实时显示当前的空闲车位情况。
2.2单片机的介绍
2.2.1单片机概述
单片机（Singlechipmicrocomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
单片机的应用相当广泛。
现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。
2.2.2AT89C51单片机
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机片内4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89C51单片机可为你提供许多高性价的应用场合，可灵活的应用于各种控制领域。
如下图2.2所示为AT89C51各引脚的封装图。
图2.2单片机AT89C51
AT89C51提供以下标准功能：
与MCS-51产品指令系统的全兼容，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件的可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.2.3AT89C51单片机最小系统
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备.如下图2.3所示。
图2.3单片机最小系统框图
图2.451系列单片机最小系统
下面就图2.4所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明。
1.时钟电路
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图2.4中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。
2.复位电路
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。
MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9引脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位操作通常有两种基本形式：
上电自动复位和开关复位。
图2.4中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。
上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET（第9引脚）的输入为高，芯片被复位。
随之VCC给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。
并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。
一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。
3.EA/VPP的功能和接法
51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。
当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。
对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。
在本实验套件中，EA管脚接到了VCC上，只使用内部的程序存储器。
4.P0口外接上拉电阻
51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻。
故在当做普通I/O输出数据时，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。
2.3车辆检测模块的介绍
为了准确分辨出进出的物体以及统计车库剩余车位数目，车辆进出口的检测我采用点状激光头配合光敏传感器模块感知车辆的进出。
现介绍光敏传感器模块。
2.3.1车辆检测的光敏传感器模块
1.可以检测周围环境的亮度和光强
2.灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）
3.工作电压3.3V~5V
4.输出形式：
a模拟量电压输出b数字开关量输出（0和1）
5.设有固定螺栓孔，方便安装
6.小板PCB尺寸：
3cm*1.6cm
7.电源指示灯（红色）和数字开关量输出指示灯（绿色）
8.比较器采用LM393芯片，工作稳定
9.小板接口说明（4线制）
VCC外接3.3V~5V电压
GND 外接GND
DO 数字量输出接口（0和1）
AO 模拟量输出接口
2.3.2光敏传感器模块硬件电路
本次设计选取的光敏传感器模块做工精细，工作稳定。
图中给出光敏传感器模块内部硬件电路图，其中LM393是双电压比较器集成电路，工作电源电压范围宽，输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容，输出也可以用开路集电极连接“或”门。
如下图2.5所示。
图2.5光敏传感器模块硬件电路图
当传感器模块选择DO（数字量输出）时，DO引脚可直接与单片机I/O口相连接，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光强改变。
模块在无光条件或者光强达不到设定阈值时，DO口输出高电平，当外界环境光强超过设定阈值时，模块D0输出低电平。
2.4显示模块
2.4.1数码管的介绍
基于方便、节约的原则，显示模块采用的是数码管显示。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示），其他的基本相同；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管。
所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。
数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。
而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。
其原理图如下图2.6所示。
图2.6数码管内部结构
图中引脚图的两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。
一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。
显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。
数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。
所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。
可以看出两个编码的各位正好相反。
因此，共阳、共阳极的数码管0~f的段编码分别如下：
{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//共阳极0~f数码管编码
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//共阴极0~f数码管编码
2.4.2LED数码管的驱动方式
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示驱动：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
在本次设计中采用的是动态显示驱动数码管的方式。
2.4.3数码管与单片机的连接
数码管选取的是4位共阳极八段式数码管。
两个74HC573锁存器IO口接P0.0~P0.7,对应原理图上D0~D7。
当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存，以此驱动数码管，支持动态扫描。
数码管的段a~dp接74HC573-1芯片，对应原理图上X0~X7。
数码管的位Y0~Y3对应74HC573-2芯片。
段选信号接74HC573-1芯片，对应接单片机IO口P2.6，位选信号接74HC573-2芯片，对应接单片机IO口P2.7。
与单片机的连接如下图2.7所示。
图2.7数码管与单片机的连接
2.5出入口间的通信模块
为了实现远距离监控，通信模块选取的是NRF24L01无线模块。
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
NRF24L01含有六个引脚，几乎可以直接连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
其与51单片机的连接如下图2.9所示。
图2.8NRF24L01与单片机的连接
整个系统数据接收显示端的硬件电路图见附录A。
3车位监控系统软件的设计
3.1汇编语言与C语言
汇编语言曾经是单片机工程师进行软件开发的唯一选择。
作为单片机初学者必
须掌握汇编语言的基本设计方法，因为汇编语言直接操作计算机的硬件，学习汇编
语言对于了解单片机的硬件构造是有帮助的。
但汇编语言程序的可读性和可移植性
较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且
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