毕业设计（论文）立体车库智能化存取设计.doc

毕业设计立体车库智能化存取设计102012132亓传宇机械工程系学生姓名： 学号： 系 部： 机械电子工程 刘晓专 业： 指导教师： 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名：亓传宇 2014年 6月16日毕业设计任务书设计题目： 立体车库智能化存取设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 102012132 学生： 亓传宇 指导教师（含职称）： 刘晓(讲师) 专业负责人： 张焕梅 1设计的主要任务及目标通过本次毕业设计使学生了解和掌握毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对智能化立体车库的学习，了解立体车库的工作原理及控制方法。通过采用信号检测技术，完成车辆的识别，结合存取技术，完成车辆进出车库信息的实时监控。 2设计的基本要求和内容（1）了解智能化车库的工作原理与控制方法。（2）了解实际生活中的立体车库车辆特征识别方法。（3）掌握西门子S7-200 PLC自由通讯口的通讯方式。（4）实现条码扫描枪和PLC的通讯连接。（5）采用信号检测技术，完成对车辆信息的识别。3主要参考文献1李雪雪，柯尊忠.PLC在立体车库自动控制中的应用研究J.机电产品开发与创新，2003(3)2常斗南，可编程程序控制器M，北京：机械工业出版社，1998.73高钦和.可编程控制器应用技术与设计.北京：人民邮电大学出版社，2004.4廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用.重庆：重庆大学出版社，20014进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1查阅资料，总体规划，完成开题2014年3月10日-2014年3月16日2分析立体车库工作原理2014年3月17日-2014年3月23日3实现车辆特征信息的捕获抓取2014年3月24日-2014年5月11日4设计智能存取环节并在实验台验证2014年5月12日-2014年5月31日5校验设计，整理论文，准备答辩2014年6月01日-2014年6月18日立体车库智能化存取设计摘要：随着我国汽车工业的发展和鼓励轿车进入家庭等一系列相关政策实施，特别是伴随着大城市经济社会的发展和城市现代化水平的提高，使得城市交通拥挤的矛盾日益突出。为了解决停车空间的问题，立体车库应运而生。但是传统的立体车库具有存取车不够智能，所需时间较多的缺陷。本设计分析了立体车库发展现状和趋势，利用条码扫描枪来模拟车辆特征信息识别装置，将其与PLC相连接，实现对车辆特征信息的识别和提取，使得车辆进出库更为智能化。关键词：立体车库，PLC，条码扫描枪，智能化Intelligent stereo garage access designAbstract:With the development of Chinas automobile industry and encouraging the cars into the family, and a series of related policy, especially with the development of the city economy and society and the improvement of city modernization level, makes the problem of traffic congestion is becoming more and more prominent. In order to solve the problem of parking Spaces, parking arises at the historic moment. But the traditional stereo garage has access to car smart enough, need more time to defect.This design three-dimensional garage development status and trend are analyzed, using bar code scanning guns to simulate the recognition of vehicles characteristic information device, connected with the PLC, to realize the recognition of vehicles characteristic information extraction, and make more intelligent vehicle and outbound.Keywords: stereo garage, PLC, bar code scanning guns, intellectualization4目 录1前言11.1课题研究意义11.2立体车库发展趋势21.3课题研究内容及手段32自动化立体车库42.1自动化立体车库类型及组成42.1.1升降横移式立体车库工作原理52.1.2升降横移式立体车库车辆特征信息识别62.2立体仓库模型的基本结构93特征信息识别系统的选择103.1识别系统的选择103.1.1条码识别技术概述103.1.2条形码的选择及应用113.1.3条形码阅读器的选择及应用133.2PLC系统设计原则143.3西门子S7-200型PLC介绍154特征信息识别系统的设计174.1识别系统的功能174.2识别系统的配置174.2.1系统配置概述174.2.2主要串口简介184.3自由口通讯接口介绍204.3.1可利用的用于自由口通讯的特殊寄存器224.3.2通讯中断方式实现接收数据244.4软件设计25结 论31参考文献32致 谢33太原工业学院毕业设计1前言1.1课题研究意义随着我国汽车工业的发展和鼓励轿车进入家庭等一系列相关政策实施，特别是伴随着大城市经济社会的发展和城市现代化水平的提高，使得城市交通拥挤的矛盾日益突出。城市车位与车辆较为合理的比例应该为1.21，也就是说除了100%的基本停车位之外，还需要20%的公共停车位。然而，目前我国城市机动车辆的保有量与停车位之比大约为51，也就是说停车位的满足率只有20%左右。停车位严重不足，造成机动车非法停放、占道停放现象日益严重，造成静态交通混乱现象。而道路系统的发展将会受到静态交通设施的制约，撇开静态交通来解决城市交通问题，是不可能取得彻底成功的，反而可能会使动态交通和静态交通的关系形成恶性循环。在寸土寸金的城市里，能否解决城市交通堵塞和停车难的问题，已成为影响制约城市建设和经济发展的一个重要因素。因此，具有占地面积小，库容量大，存取车自动迅速的智能化立体车库就应运而生。截止到2012年我国立体车位的数量已达70022511个，而面对全国汽车保有量的不断攀升，现有的车位数量已经远不能满足实际需求。又由于汽车的增加会直接造成交通拥堵、空气污染和建设用地的增加等负面影响，鉴于此，建造立体车库已经是迫在眉睫。由于中国立体车库的销售模式与世界同步，立体车库安装地点的特异性，使得制造商会根据客户的需求打造立体车库设计方案进而制造出相应的产品，所以可以认为立体车库的销售数量与生产数量大体相同。历年来住宅小区对立体车库的需求均在50%以上，而公共配套和单位自用的用户保持在20%左右。说明立体车库的下游用户对产品的需求长期保持稳定的增长趋势。对立体车库而言，传统意义上的自动化只是利用传感和光电元件把车辆自动随机地存入和取出车库的车位，存取顺序和车位的管理还没有达到科学化、智能化、合理化1。而目前的研究任务可以充分利用计算机的高级决策功能，通过对车辆的存取顺序进行决策控制研究，提高了车库的整体效率和利用率，减少了车辆的存取时间和存取车的能耗2。这一研究无疑是把自动化立体车库推向智能化发展方向。21.2立体车库发展趋势1.供需趋势未来5年，从潜在需求的角度来讲，可以断言：中国将会成为世界上最大的立体车库需求市场。从供给的角度来讲，中国作为最大的立体车库需求市场，其需求量直接刺激了国内供给商家的技术革新及其发展，生产力将迅速提升，加上本土化的优势，也可以与国外寡头垄断企业各自占据一方市场。但是无论从中国还是世界过去几年的汽车产量与相应的立体车库增加数量都可以看出来，汽车泊位需求远远大于立体车库泊位供给。即便是在如此大的市场潜力诱惑下，因为机械立体车库不是高收益、快回报的投资项目，加之没有硬性的政策扶持，所以，其生产力水平仍然落后于汽车产业的平均生产力水平，因此未来相当长的一段时间内，立体车库供方市场远不能满足需求市场。2.竞争格局演变趋势目前全球立体车库产品市场出现寡头垄断格局。但随着发展中国家企业研发实力的不断增强，产品性能与知名品牌差异逐渐缩小，未来全球立体车库产品市场必将出现多极化的市场竞争格局。3.技术趋势立体车库市场的发展，对技术提出了更高的要求。除了原本的自动化、安全性、智能性要逐渐提高之外，还应该根据实际的场地面积、空间高度以及地下设施来设计立体车库方案，尽可能获得更大的存车倍数 ，兼顾设备可能性与施工可能性，“使不可能变为可能”，简化维保环节，使之尽可能简单易行。通过技术革新，降低产业成本，从而在保障下游商户利润的同时，实现产业利润的最大化。4.政策趋势“车库”问题已成为大中城市的热点问题。立体车库的兴建，不仅能减少土地的占用面积缓解目前城市中道路空间狭小的矛盾，还能缓解交通状况适应城市高节奏快速发展的需要。此外，立体车库也可配合市政建设带动一大批第三产业的兴起，可谓有百利而无一害，为城市向更大规模发展提供有利的条件。立体车库也带来一些不利影响，其变频设备、发动机等也会制造噪音，因此需要环保部门出台相应政策，规范产品的质量。另外，高空作业必然存在危险，因此也需要在操作安全等方面出台相应政策。1.3课题研究内容及手段1.研究或需解决的问题本设计需要实现立体车库的智能化存取，需要涉及到PLC串口自由通讯的问题。本设计主要需要解决的是：在普通立体车库工作原理的基础上，增添车辆特征信息抓捕装置，并使之与外界建立连接，实现对进出库车辆的实时监控，以达到对其智能化存取的目的。2.课题研究手段（1）查阅与立体车库工作原理相关的书籍和论文，了解相关设计思路及其方法和经验；（2）本课题涉及到PLC串口自由口通讯的问题，需针对拟采用的条码扫描器和西门子S7-200系列PLC进行专项学习；（3）编写程序，以实现条码扫描器和PLC的通讯连接，用条码代替车辆特征信息建立特征信息识别系统，并检验系统的稳定性；（4）将调试结果和设计初衷相比对，并改进、优化设计。2自动化立体车库2.1自动化立体车库类型及组成根据立体车库的修建位置及在空间伸缩方向的不同，立体停车库的主要类型有：升降横移式、垂直升降式、巷道堆垛式和地下停车场等。它们的类型众多，设计各有不同，库容量变化比较大，可满足不同用户要求。但它们都具有建筑面积小，停车层数多，地上和地下空间利用率高的优点。停相同数量车的情况下，在车辆流量大的繁华地段建一座立体停车库比建一地面停车场节省将近50%70% 的投资。严格的车库管理还保证了车库运行的安全性和可靠性，为存车人提供了最大的方便，存车人只需把车开到指定位置，下面的事都可由车库控制系统来完成。升降横移式立体车库结构组成：升降横移式立体车库主要由四部份组成：机械部分、电机驱动部分、控制管理部分、安全防护措施。1.机械部分：由车架、起升结构和双向平移结构组成，它是车库的主架。2.电机驱动部分：由多个电机组成，由它来平移机构和升降机构的运行，完成搬运器的上下和左右移动，以完成存取车过程。3.控制管理部分：立体车库控制系统随着它所采用的控制智能化程度不同而不同。图2.1 升降横移式立体车库图2.1.1升降横移式立体车库工作原理升降横移式立体停车库由于适应性强而备受青睐，该类车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库内地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可以进入车库内将汽车开进或开出车库，每个车位升降均由一台电机驱动，通过链条拖动搬运器垂直升降，横向移动借助导轨，也是利用一台电机实现车位的移动，它的主要优点在于同一层的车位移动独立，可以自由动作，并且动作时间短，缩短了存取车的时间。升降横移式立体车库为多层多列布置，除顶层外每层设一空位，作为交换车位，除底层以外的所有车位均能自行升降，除顶层以外的所有车位均能自行横移，当某一车位需存取车辆时，该车位下方到空位之间的所有车位向空位方向横移一个车位的距离，该车位下方形成一升降通道，此时，该车位便可自由升降，当车位降至地面时，车辆便可开进或开出，见图2.2。图2.2 车库示意图1.升降横移式立体车库，包括多层结构的框架，在框架上设置有横移导轨，底层横移导轨上设置有可以沿导轨移动的载车盘，上层横移导轨上设置有可以沿导轨移动的载车架，以及通过链条连接在载车架上可以升降的载车盘。其特征在于：框架上除顶层以外的其他每一层均有一空闲的载车盘位置，作为上层载车盘下降的通道，载车架的一端的横梁上安装有升降电机和减速器并通过链轮和链条带动传动轴。传动轴上安装有四个链轮，每个链轮带动一根链条，链条的是一端设计成套状，绕在载车架纵梁上的链轮组上，另一端则绕过一个链轮与载车盘连接。载车架上设计有防坠挂钩，用于悬挂载车盘。防坠挂钩由电磁铁和复位弹簧控制它的弹出与复位。2.升降横移式立体车库的出入库方法，其特征在于包括如下步骤：A.将除顶层以外的每一层空闲的车位集中在同一纵向位置上，作为初始位置。B.如有汽车入库按如下步骤进行：a)如需进入底层的停车位直接驶入即可。b)如需进入底层以外的上层车位，先将位于上层车位纵轴线和初始空闲车位纵轴线之间的所有该上层车位下面的载车架同时向初始空闲车位方向横移一个载车架位置；然后将该上层停车位的载车盘垂直放下直到底层，将车辆驶入载车盘后，再将载车盘垂直升高到原来的位置；最后将其它载车架横移回到初始位置。C.如有汽车出库按如下步骤进行。a)如底层汽车出库直接驶出载车盘即可。b)如有除底层以外的上层车位的车出库，先将位于该上层车位纵轴线和初始空闲车位纵轴线之间的所有该上层停车位下面的载车架同时向初始空闲车位方向横移一个载车架位置；然后将该上层车位的载车盘垂直放下直到底层；将车辆驶出载车盘后，再将载车盘垂直升高到原来的位置；最后将其他载车架横移回到初始位置。2.1.2升降横移式立体车库车辆特征信息识别一、射频识别技术射频识别(RFID)技术3是指采用无线电技术实现的一种对物品进行识别的方法。射频识别的基本原理是将一个电子标签附着在待识别的物品上，当附着有电子标签的物品通过一个特定的区域时，射频识别系统的另一个重要设备读出装置即可将电子标签中所贮存的信息以无接触的方式读取出来并送入计算机中。数 据时 序应答器能 量阅读器耦合元件（线圈 . 微波天线）数据交换和管理系统图2.3 无源RFID系统原理图电子标签电子标签是射频识别系统的关键部件。电子标签通常由电子标签天线及专用芯片构成。电子标签(或电子标签专用芯片)本身即为一个电子系统。电子标签中贮存有待识别物品的标识性信息，当其接收到读写器发出的查询信号时，将其自身保存的唯一性标识信息以无线方式传递给读写器。电子标签中待识别物品的标识性信息以电子数据方式保存在电子标签中的存贮芯片中。图2.4 超高频电子标签读写器读写器的功能一方面是读取电子标签中的信息，另一方面是向电子标签中写入信息，这就是将其称为读写器的原因。上面提到的电子标签所通过的特定区域称为射频识别系统读出装置的读写区域。读写区域的特性由读出装置的天线、以及由其发出的射频功率、电子标签反射性能、读出装置接收信号灵敏度所决定。读写器能够读取电子标签中的信息时与电子标签之间的距离称为识别距离。数据载体控制指令控制（信号编码协议）应用软件（带应用软件的计算机）数据高频接口图2.5 读写器功能模块图二、立体车库车辆身份识别系统立体车库车辆身份识别系统是采用超高频RFID技术(915MHZ)，实现车辆信息的远距离识别，并将车辆与车库的对应信息如车位编号、交费情况等传递到车库的控制系统，实现快速停车、快速取车、不停车收费等功能。系统可实现功能：一卡一车，通过射频智能卡传输信息到plc数据中心，实现对每辆车的停、取做到自动化，无需人员操作。临时车辆管理：外来车辆可办临时标签，在办标签处通过对标签写入限制时间信息，来授予权限，可限制车辆出入时间段。对于超限车辆，系统将有报警提示。车辆出、入全智能逻辑自锁控制系统，严密控制持卡者进、出场的行为合“一卡一车”的要求。特种车辆特殊处理功能。系统具备良好的兼容性、可扩展功能。三、系统的基本组成：读写器与安装在车辆上的微波识别卡构成本系统的信息传输的核心。读写器通过同轴电缆与板状天线相连，通过通讯线路与立体车库的PLC实现对接，读写器预设了RS232，RS485，WG26，WG34标准传输接口，并且有能力根据的PLC的要求做出调整。停车工作流程：（1）车辆接近识别范围(0-10米);（2）读写器识别车辆(电子标签)信息，如车位号、进入时间、车主信息等，即时传递到PLC;（3）PLC控制车库做好准备;（4）车辆进入停车区域，停车。取车工作流程：（1）车主接近识别范围（0-10米）；（2）读写器识别车辆（电子标签）信息，即时（50毫秒）传递到PLC；（3）PLC将相应的车调到驱车区域；（4）车主到达取车区域，取车。为了能够使系统安全正常地运行，对可能引起系统混乱的操作必须由专人负责进行操作，为了达到此项要求，必须对操作人员进行必要的操作限制，限制的手段主要通过使用系统维护密码和用户名称的方式来实现。2.2立体仓库模型的基本结构立体仓库主体由底盘、四层十二仓库停车场、运动机械及电气控制等四部分组成的巷道堆垛式立体仓库。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。电气控制是由松下FP0型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控制。 图2.6 TVT-99C 立体车库模型该模型中所用PLC为松下FP0型PLC，该PLC通讯能力较弱，且不提供串口通讯，故转为采用西门子S7-200型PLC进行立体车库车辆特征信息识别系统的模拟设计，其配套所需设备将在下文具体介绍。53特征信息识别系统的选择3.1识别系统的选择3.1.1条码识别技术概述全面、有效的信息采集和输入几乎成为所有信息系统的关键。条码自动识别技术就是在这样的环境下应运而生的。它是在计算机、光电技术和通信技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术，是信息采集、输入的重要方法和手段。自动识别技术是20世纪70年代发展起来的集光、机、电、计算机等技术为一体的高新技术，是数据自动采集、自动输入的基础，是计算机“实时”处理的重要技术保障。条码是由一组按特定规则排列的条、空及对应字符组成的表示一定信息的符号。不同的码制，条码符号的组成规则不同。条码技术是集编码、符号表示、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术。其核心内容是利用光电扫描设备识读条码符号，从而实现机器的自动识别，并快速准确地将信息录入到计算机进行数据处理，以达到自动化管理的目的。目前，较常使用的码制有:EAN/UPC条码、EAN/UCC系统l28条码、ITF-14条码、交叉二五条码、三九条码、库德巴条码等。 硬件选型:PLC硬件的选型，各控制模块的选择，条形码阅读器的选择。本系统采用PLC为中心控制器，通过扩展的数据采集模块采集现场条形码数据信息，并通过PLC对信息的处理控制系统的其他操作，完成系统功能的整体实现。要将按照一定规则编译出来的条码转换成有意义的信息，需要经历扫描、译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，自色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器内部发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器土，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。根据原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。电信号输出到条码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号O或1的数目来判别条和空的数目。通过测量0或1信号持续的时间来判别条和空的宽度。此时所得到的数据仍然是杂乱无章的，要知道条码所包含的信息，则需根据对应的编码规则，将条形符号换成相应的数字、字符信息。最后，由计算机系统进行数据处理与管理，物品的详细信息便被识别了。3.1.2条形码的选择及应用条码分为一维条码和二维条码。一维条码只是在一个方向(一般是水平方向)表达信息，而在垂直方向上则不表达任何信息。一个完整的一维条码是由两侧空白区、起始字符、数据字符、校验字符(可选)和终止字符及供人识读字符组成，如图3.1所示。一维条码包括EAU码，UPC码、EAN138码、ITF码、39码、库德巴条码、交又23码、ISBN码等。一般我们的书籍后面就是ISBN码，所以为了方便和便于理解，本设计采用的条码也为ISBN码。 图3.1 一维码一维码的特点是信息录入速度快、出错率低、但是也存在一些如信息容量小、条码尺寸相对较大(空间利用率低)、条码遭到损坏后不能阅读等不足之处。不同类型的条码，有不同的码制和编码方法。条码编码方法有以下两种：1.宽度调节法，条码的条(空)宽的宽窄设置不同，宽单元表示二进制“1”，窄单元表示二进制“0” 。 39码、库德巴条码和交叉25码属于宽度调节法编码。2.模块组配法，条码符号中每个条码字符的条与空分别由若干模块组配而成，一个模块宽的条表示二进制“1”，一个模块宽的空表示二进制的“0”。通用商品条码(EAU码和UPC码)、93码、EAN128码属于模块组配法编码。不同类型的条码有不同的编码容量和字符集。有些条码仅能表示10个字符：09，如交叉25码、EAU码和UPC码；有些条码可表示特殊字符，如库德巴条码。39条码可表示数字字符09，26个英文字母(AZ)以及一些特殊字符。在条形码阅读器设置前，应先要确定条形码的形式、位数等，如码型是选用39码，还是128码或其他形式，同时根据产品的各种型号、规格、参数设计定义条形码的位数及每位数值的代表意义。本设计中选用的条形码为128码，条形码由17位数字组成，每位数字09分别代表了不同含义。128码开始于1981年推出，是一种长度可变、连续性的字母数字条码。与其他一维条码比较起来，128码是较为复杂的条码系统，而其所能支持的字符也相对地比其他一维条码来得多，又有不同的编码方式可供交互运用，因此其使用弹性也较大。128码的內容大致也分为起始码、数据码、终止码、校验码等四部分，其中校验码是可有可无的。Code 128 码可表示从 ASCII 0 到ASCII 127 共128个字符，故称128码。图3.2是128码的范例与结果。128码具有下列特性：图 3.2 128码1.具有A、B、C三种不同的编码类型，可提供标准ASCII中128个字符的编码使用。2.允许双向的扫描处理。3.可自行决定是否要加上检查码。4.条码长度可自由调整，但包括起码和终止码在內，不可超过232个字元。5.同一个128码，可以采用不同的方式进行编码。即由A、B、C三种不同编码规则的互换可扩大字符选择的范围，也可缩短编码的长度。 128码的编码方式：128码有三种不同类型的编码方式（见表2.1），对于选择何种编码方式，则决定于起始码的內容。表2.1 128码编码类型起始码编码类别逻辑型态相对值CODEA 11010000100103CODE B11010010000104CODE C 11010011100105终止码无论是采用A、B、C何种编码方式，128码的终止码均为固定的一种性能，其逻辑型态皆为1100011101011。目前所推行的128码是EAN-128码，EAN-128码是根据EAN/UCC-128码作为标准将资料转变成条码符号，并采用128码逻辑，具有完整性、紧密性、连接性和高可靠度的特性。信息包括如生产日期、批号、计量等。可运用于货运标签、携带式资料库、连续性资料段、流通配送标签等。EAN-128的编码说明如表2.2所示。表2.2 EAN-128的编码说明代号码別长度 说明A 应用识別码1800代表其后资料內容为运送容器序号，为固定18位数字B 包装性能指示码13代表无定义的包装指示码C 前置码与公司码79代表EAN前置码与公司码D 自行编定序号1由公司指定序号E 检查码4检查码F 应用识別码20代表其后资料內容为配送邮政码应用于仅一邮政当局 G 配送邮政码代表配送邮政码3.1.3条形码阅读器的选择及应用现在使用的一般条形码阅读器大多是为与电脑连接而设计的，其通讯方式与接口形式多种多样。由于串行通讯已在PLC中成为一种最常用、最经济的通讯方式，因此在条形码阅读器与PLC构成的数据采集系统中多选用串行通讯为接口的条形码阅读器。本文选用了一种普通手持式条形码阅读器和西门子S7-200系列PLC为例进行设计研究。比较西门子为其配备的专用条形码阅读器，虽然采用专用条形码阅读器具有配备简单的优点，但缺乏系统灵活性和通用性，性价比较差。本设计介绍的方法提高了PLC在进行条形码数据采集与识别方面的配置灵活性，而不必局限于专用条形码阅读器，适用于所有支持串口通讯的PLC。条形码阅读器与PLC构成的数据采集系统中条形码阅读器用来读取条形码信息，并通过通讯接口将数据上传至PLC，PLC负责条形码数据的接收、校验、识别、解释，构成了系统中基础信息采集的一个单元。信号源 序号RXD 2 TXD 3 GND 7屏蔽保护序号 信号名 2 TXD 3 RXD 4 RS 5 CS 9 GND屏蔽保护条形码阅读器C200Ha图3.3 条形码扫描枪与PLC串行通信口接线示意图条形码阅读器中的通讯设置和帧结构与PLC的设置相一致才能保证正常通讯。条形码阅读器的通讯设置通常是使用用户手册中的参数设置条形码来完成，即通过阅读其中的参数设置条形码来设定各种通讯协议。常用的参数设置条形码有条形码类型、前置符(Preamble)、后置符(Postamble)、RS232通讯（包括：数据位、停止位、校验方式、波特率、终端符）。其中的前置符(Preamble)对应PLC通讯协议中定义的起始代码，后置符(Postamble)对应结束代码。比照上述PLC中定义的通讯协议，可设置条形码阅读器中通讯协议。3.2PLC系统设计原则任何一种电器控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则4：1. 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。2. 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3. 保证控制系统的安全、可靠。4. 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。3.3西门子S7-200型PLC介绍S7-200 型PLC系统是紧凑型可编程控制器，系统的硬件构架由组成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成5。他能够满足各种设备的自动化控制需求。S7-200支持多种通讯模式，如点点接口(PPI)、多点接口(MPI)、Rrofibus DP等。PPI等通讯协议主要用于西门子系列产品之间的通讯以及对PLC编程。在自由口模式下，可由用户控制串行通讯接口，实现用户自定义的通讯协议。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)、接受指令(RCV)来控制通信操作。在自由口模式下，通信协议完全由梯形图程序控制。S7-200CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，PLC还提供了实现 RS-485与 PC机上RS-232C相连接的PC/PPI电缆，利用它可以很方便地实现S7-200系列PLC与PC之间的硬件连接。S7-200的编程软件为STEP7-Micro/WIN32，该款软件上有STL、FBD和Ladder三种编程模式，有SIMATIC指令和IEC131-3指令两种指令。另外，反映CPU工作方式的模式开关当前位置的特殊存储器位为SM0.7，它控制自由端口模式的进入。当SM0.7为0时，模式开关处于TREM位置；当SM0.7为1时模式开关处于RUN位置。而只有当模式开关位于RUN位置时，才允许进行自由口通讯。SMB30或SMB130是自由口模式控制字节，用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在如下方面有独到之处。1功能强大的指令集指令内容包括位逻辑指令、计时器、计数器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令，以及和智能模块配合的专用模块。2非常强大的通讯功能S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。3编程软件的易用性S7-200-Micro/XIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境，全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。4不断的创新创新是西门子公司的一贯作风，在S7-200上更是体现的淋漓尽致，永不停歇的推出新品，使得更多的需求梦想成为现实，这正是S7-200能够成为市场佼佼者的原动力。图3.4 西门子S7-200 224xp型PLC294特征信息识别系统的设计4.1识别系统的功能小型可编程控制器，一般结构小巧、多功能、价格低廉，本身集成 CPU、I/O 点、电源并且还提供了简洁、开放的通讯功能。性价比、通讯和实时性等方面的优点，使它成为制定较复杂自动化系统解决方案的理想之选。系统要求条码扫描枪和可编程控制器协调工作，根据条码录用数据判断出是具体哪辆车进出车库，从而达到实时监控车辆信息的目的。条码信息可在人机界面上查询显示，使操作者一目了然。4.2识别系统的配置4.2.1系统配置概述控制单元采用西门子的 CPU224xp。CPU224xp集成两个串口，port0 端口作为连接人机界面和 CPU的接口，另一端口 port1 作为连接条码扫描枪和CPU的接口，条码扫描枪还需配备5V稳压电源用以供电。由于条码扫描枪为RS232接口，而自由通讯口为RS485口，所以还需一个RS232-485转换模块，系统中选用了一根西门子编程电缆线。但是一般串口扫描仪大多用于与计算机相连，线的插头通常为孔状，而可编程控制器的接口也为孔状，因此需用一根两头针状的交叉式连接转接线，否则通讯将不能实现。 图4.1 RS232针对针串口转接线 图4.2 5V稳压电源 图4.3 RS232-485串口转换器 图4.4 条码扫描枪4.2.2主要串口简介RS-232(1) RS-232 的历史和作用在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。（“RS-232-C”中的“-C”只不过表示RS-232的版本，所以与“RS-232”简称是一样的）它是在1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器，从而成为事实标准。而工业控制所采用的RS-232 口一般只使用RXD、TXD、GND 三条线。(2)RS-232 接口的电气特性在RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑1为-3 到-15V；逻辑0为+3 到+15V 。RS-232-C 最常用的9 条引线的信号内容如下所示：定义 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RIDB-9 1 2 3 4 5 6 7 8 9DB-258 3 2 2 0 7 6 4 5 22(3) RS-232 接口的物理结构RS-232-C 接口连接器一般使用型号为DB-9 插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端。PC 机的RS-232 口为9 芯针插座。而波士RS-232/RS-485转换器的RS-232 为DB-9 孔插头。一些设备与PC 机连接的RS-232 接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即发送数据TXD、接收数据RXD和信号地GND。RS-232 传输线采用屏蔽双绞（4）RS-232 传输电缆长度由RS-232C 标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50 英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出下面实验结果。其中1 号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线，每对由22# AWG 组成，其外覆以屏蔽网。2 号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。DEC公司的实验结果波特率（bps） 1号电缆传输距离（米） 2号电缆传输距离（米）110 1500 900300 1500 9001200 900 9002400 300 1504800 300 759600 75 75经过许多年来RS-232 器件以及通信技术的改进，RS-232 的通信距离已经大大增加。波士电子的RS-232 增强器可以将普通的RS-232 口的通信距离直接延长到1000米。RS-4851.RS-485 的电气特性：发送端：逻辑1以两线间的电压差为+（2 至6） V 表示；逻辑0以两线间的电压差为-（2 至6）V 表示。接收端：A比B高200mV以上即认为是逻辑1,A 比B 低200mV 以上即认为是逻辑0。2.RS-485 的数据最高传输速率为10Mbps。但是由于RS-485 常常要与PC 机的RS-232口通信，所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485 传输距离减小，所以往往为9600bps 左右或以下。3.RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。4.RS-485接口的最大传输距离标准值为1200米（9600bps时），实际上可达3000米，RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器、即RS-485 具有多机通信能力,这样用户可以利用单一的RS-485 接口方便地建立起设备网络。因RS-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485 接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以RS485 接口均采用屏蔽双绞线传输。RS-485 的国际标准并没有规定RS485 的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB-9、DB-25 等连接器都可以。RS-485 接口是事实工业标准。4.3自由口通讯接口介绍西门子S7-200 CPU的通信口可以设置为自由口模式。选择自由口模式后，用户程序就可以完全控制通信端口的操作，通信协议也完全受用户程序控制，便可使之与条码扫描枪、调制解调器等连接通讯。S7-200CPU上的通信口在电气上是标准的RS-485半双工串行通信口。此串行字符通信的格式可以包括：一个起始位7或8位字符（数据字节）一个奇/偶校验位，或者没有校验位一个停止位自由口通信速波特率可以设置为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或112500。凡是符合这些格式的串行通信设备，理论上都可以和S7-200CPU通信。自由口模式可以灵活应用。Micro/WIN的两个指令库（USS和ModbusRTU）就是使用自由口模式编程实现的。在进行自由口通信程序调试时，可以使用PC/PPI电缆（设置到自由口通信模式）连接PC和CPU，在PC上运行串口调试软件（或者WINOOWs的HyperTerminal超级终端）调试自由口程序。USB/PPI电缆和CP卡不支持自由口调试。自由口通信要点应用自由口通信首先要把通信口定义为自由口模式，同时设置相应的通信波特率和上述通信格式。用户程序通过特殊存储器SMB30（对端口0）、SMB130（对端口1）控制通信口的工作模式。CPU通信口工作在自由口模式时，通信口就不支持其他通信协议（比如PPI），此通信口不能再与编程软件Micro/WIN通信。CPU停止时，自由口不能工作，Micro/WIN就可以与CPU通信。通信口的工作模式，是可以在运行过程中由用户程序重复定义的。如果调试时需要在自由口模式与PPI模式之间切换，可以使用SM0.7的状态决定通信口的模式；而SM0.7的状态反映的是CPU运行状态开关的位置（在RUN时SM0.7=1，在STOP时SM0.7=0）自由口通信的核心指令是发送（XMT）指令和接收（RCV）指令。在自由口通信常用的中断有“接收指令结束中断”、“发送指令结束中断”，以及通信端口缓冲区接收中断。与网络读写指令（NetR/NetW）类似，用户程序不能直接控制通信芯片而必须通过操作系统。用户程序使用通信数据缓冲区和特殊存储器与操作系统交换相关的信息。XMT和RCV指令的数据缓冲区类似，起始字节为需要发送的或接收的字符个数，随后是数据字节本身。如果接收的消息中包括了起始或结束字符，则它们也算数据字节。调用XMT和RCV指令时只需要指定通信口和数据缓冲区的起始字节地址。XMT和RCV指令与NetW/NetR指令不同的是，它们与网络上通信对象的“地址”无关，而仅对本地的通信端口操作。如果网络上有多个设备，消息中必然包含地址信息；这些包含地址信息的消息才是XMT和RCV指令的处理对象。由于S7-200的通信端口是半双工RS-485芯片，XMT指令和RCV指令不能同时有效。XMT和RCV指令XMT（发送）指令的使用比