基于单片机的自动寻位立体车库系统

基于单片机的自动寻位立体车库系统基于单片机的自动寻位立体车库系统 摘摘 要要 随着我国国民经济的高速发展和城市化水平的不断加快 汽车的保有量在飞速的 增长 汽车的停放已经成为城市发展的一个重要问题 原有的停车场不能满足城市发 展的要求 在这种情况下立体车库逐渐得到了发展 本文介绍了立体车库的研究背景及意义 分析了各种立体车库的特点 选择垂直 循环式的立体车库作为研究对象 并确定了车库的总体设计方案 以单片机为控制核 心 给出了立体车库的自动控制方法 设计了自动存取车系统的组成和功能 并对存 取车策略进行优化 根据车库控制系统的控制原理 完成了控制系统的硬件设计和软 件设计 系统在功能上实现了车位的自动检测 空车位的自动给定 空车位数量的告 知和车辆的自动存取 具备了自动化立体车库的基本功能 本设计以单片机为控制器 取代了 PLC 用以对小容量立体车库的控制 可以实 现立体车库的自动化操作 不需要人员参与 使用方便 关键词 关键词 立体车库 垂直循环 单片机 自动控制 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 Stereo Auto Garage System Based on Single chip Microcomputer Abstract With the rapid development of China s national economy and the acceleration of urbanization the number of the vehicles has grown rapidly resulting that the car parking has become an important issue in urban development The existing parking can not meet the requirements of urban development in which case the stereo garage is being developed gradually This article introduces the background and the significance of the stereo garage analyzes the characteristics of the stereo garage selects the stereo garage of vertical circulating type as the study and determines the overall design of the garage program makes the single chip microcomputer as the core of the control gives the stereo garage methods designs the composition and the functions of the stereo garage accessing to and optimize the strategies about depositing and withdrawing cars According to the controlling principle of the controlling system complete the hardware and software design of the controlling system The system has been realized that of it detects automatically the spaces in the functions automatically gives the empty spaces informs the number of empty parking spaces and deposits and withdraws the cars with the basic functions of the stereo garage In this design the single chip microcomputer controller was designed to replace the PLC controling the small capacity of stereo garage so automation can be achieved without human participation and it is easy to be used Key words stereo garage vertical and rotary single chip microcomputer automatic control 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 引 言 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 1 课题研究背景 1 1 1 2 发展立体车库的意义 1 1 2 立体车库研究现状及发展前景 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 我国研究现状 4 1 2 3 立体车库的发展前景 4 1 3 论文结构和主要研究工作 6 1 3 1 设计任务要求 6 1 3 2 论文结构 6 1 3 3 论文的主要研究内容 7 1 4 本设计的重点和难点 8 第二章 立体车库选型和总体方案设计 9 2 1 立体车库介绍及选型 9 2 1 1 立体车库简介 9 2 1 2 立体车库的分类 10 2 1 3 立体车库的选型 11 2 2 总体设计方案 12 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第三章 控制系统硬件设计 15 3 1 单片机控制电路 15 3 1 1 单片机的选择 15 3 1 2 单片机振荡电路 17 3 1 3 单片机复位电路 17 3 1 4 单片机控制电路的连接 18 3 2 系统检测部分设计 18 3 2 1 空车位检测 19 3 2 2 到位检测 19 3 3 IC 卡接口电路设计 20 3 4 动力控制电路设计 23 3 5 LED 显示电路设计 24 3 5 1 LED 数码管简介 24 3 5 2 驱动电路 25 3 6 其他部分介绍 26 第四章 控制系统软件设计 27 4 1 车库的操作流程 27 4 2 系统主程序 28 4 3 存取车流程设计 28 4 3 1 调车过程和调车原则 28 4 3 2 停车系统模型 29 4 3 3 存取车流程 30 4 4 IC 卡读写程序 31 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 5 LED 显示程序 34 第五章 总结 37 参考文献 38 附录 A 硬件原理图 40 附录 B 程序 41 致谢 55 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第一章第一章 引引 言言 1 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景课题研究背景 近年来 我国城市建设日新月异 随着汽车工业和建筑业这两大支柱产业的快速发 展 使城市空地和巷道越来越少 交通拥挤和停车困难的问题已成为各级政府和群众关 心的社会问题 大量汽车占道存放使本来流畅的动态交通受到了严重影响 形成了汽 车越多占道 动态交通能力越差的恶性循环 中国人多而土地资源匾乏 传统的停车方 式已不可能解决停车难这一问题 由于机动车有 90 以上的时间处于停泊状态 所以解 决停车难的问题比解决行车难的问题更为重要 机械式立体车库具有土地利用率和空 间利用率高 适用性强的优点 将成为今后城市停车的主要方向 在停车设备行业向社 会提供的停车设备中 升降横移式居于首位 占了 66 9 机械式立体车库因其具有土地 利用率和空间利用率高的优点而得到了快速的发展 因此本文对机械式立体车库做了 相应的介绍 1 1 2 发展立体车库的意义发展立体车库的意义 专家们指出 解决城市静态交通问题 大体分为软硬两种措施 所谓软措施 就 是通过政策法规 限制路面停车 提高停车场利用效率 使部分车主更愿意改乘公共 交通工具 以减少机动车对停车场的需求 而硬措施 主要包括增建停车场 建设地下 及立体停车场 利用其它空间满足停车需求 而无论采取什么措施 在规划后再收拾 残局 于局限内弥补不足 政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小 随着人类社会的不断进步和科学技术的发展 人类的生产 生活方式趋于集中 城市的规模越来越大 人们在城市里的生存空间却越来越小 于是出现了要利用空间 的理念 城市中开始建设立体建筑 立体交通和立体停车 作为现代大都市的标志 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 城市中心商住区高楼大厦林立 社区道路 高架交通干道 立交桥和地下铁路 编织 出城市立体交通网 汽车的住宅 停车场也有了长足的发展 由平面停车向立体停 车 由简单的机械停车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变 成为具有较 强的实用性 观赏性和适合城市环境的建筑 伴随着汽车进入家庭 城市动态 静态 交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高 给停车产业提供了前所未有 发展机遇 停车产业市场前景广阔 作为现代大都市的标志 立体建筑和立体交通都有了显著发展 道路拥挤 车满 为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音 发展立体停车已成为人们的共识 目 前我国经济正处在高速发展时期 随着人们生活水平的不断提高 汽车进入家庭的步 伐正在加快 这就更需要立体车库来解决 机械式立体停车库既可以大面积使用 也 可以见缝插针设置 还能与地面停车场 地下停车库和停车楼组合实施 是解决城市 停车难最有效的手段 也是停车产业发展的必由之路 1 2 立体车库研究现状及发展前景立体车库研究现状及发展前景 解决停车难的问题 欧美国家和亚洲等各大发达国家所采取的措施有所不同 但 是 停车措施立体化是各个国家都积极采取的措施 尤其是全自动化的机械停车库 在日本 欧洲等一些国土面积较小 汽车数量众多的国家 立体停车设备已经占据了 70 的绝对优势 但是在我国 仅仅占据了 2 3 有关专家预测 立体停车将会成 为未来世界停车的主流 1 2 1 国外研究现状国外研究现状 早在 50 多年前 立体停车就在国外有所发展 先后出现了针对家庭使用的双层停 车设备 利用住宅空地建起 2 4 层升降横移停车设备 适合城市中心商住区使用的停 车楼和停车塔 利用广场 建筑物下面的空间建设地下停车库 自 70 年代末起 世界 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 经济高速发展 汽车逐渐普及 保有量不断增加 迫使地少人多 车多的国家 地区 和一些发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用 以日本 美国 德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平 韩国和我国的港 澳 台地区的停车业也通过引进和移植制造 得到了蓬勃发展 较好地解决了本地区 的停车难 并开始向外输出技术和出口产品 目前世界停车产业正向多元化发展 其停车技术几乎包含了当今机械 电子 液 压 光学 磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术 机械方面 应用了新材料 新工艺 设备结构采用模块化设计 便于组合使用 易于安装拆卸 钢结构选用新型 优质钢材 既提高了设备的强度和刚度 又使设备轻巧美观 载车板采用一次成型的 镀锌板或彩涂板组装 美观 强韧 耐用 控制技术方面 广泛采用可编程序控制器 和矢量变频变压调速闭环控制技术 使运行高速平稳 节省电力 振动和噪音也趋于 最小 控制形式有 按钮式 锁匙式 IC 卡式 键盘式 触摸屏式 遥控式等 安全 元件采用各种光栅显示屏 光电管 机械式行程开关 磁性接近开关 光敏感应开关 等 安全保护装置日臻完善 如汽车出入声光引导和定位 汽车尺寸和重量自动识别 限速保护与多重机构互锁 停车泊位自动跟踪 链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性 变形自动补偿 汽车图象摄影对比安全检测 自动消防灭火系统等 日本是最早应用机械式停车库的国家之一 其在上世纪 60 年代初就开发并使用可 最大限度的利用空间的机械式停车设备 当时日本全国汽车保有量大约为 500 万辆 大多采用的是垂直循环式停车设备 从 80 年代开始 日本开始向亚洲地区的韩国 中 国及台湾地区出口产品及技术 韩国机械停车库技术是日本机械停车技术的派生 其 机械停车产业从 20 世纪 70 年代中期开始起步 80 年代开始引进日本技术 经过消化 生产和本土化 90 年代开始为供应使用阶段 由于这几个阶段得到政府的高度重视 各种机械停车设备得到普遍开发和利用 韩国近几年增长速度都在 30 左右 目前韩 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 国停车设备行业进入稳步发展阶段 1 2 2 我国研究现状我国研究现状 我国机械式停车库的早期研究开发工作是从 80 年代中期开始 90 年代开始引进和 生产停车设备 在北京 上海 广州 深圳等地都有使用 参照日本等国标准制定的 我国行业标准也于近几年出台 目前停车设备生产厂已发展到几百家 生产各种类型 的停车设备 有些停车设备已开始出口 机械式立体停车库是一种具有综合性能的建 筑 不仅包含了机械停车设备 其规划建设涉及到区域整体景观 交通疏导 建筑结 构 供电照明 通讯监视 通风排水 环境保护 安全消防 收费管理等各学科领域 就停车设备本身而言 其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征 需要多 学科 多专业的复合型人才积极参与 把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我 国停车产业 开发出安全 经济 高效 节能 省地的产品 满足国内外市场的需求 在我国的停车产业发展中还存在一些问题 如没有统一的技术标准 多数产品是 仿效或引进国外技术制造 技术水平低 缺少具有一定规模的企业 生产能力不足 市场竞争无序 个别企业为抢占市场 采取低价竞争 缺少科研设计单位的参与 技 术创新能力严重不足 政策不配套 对停车产业发展和管理严重滞后等 解决上述问 题 需要我们在政策市场 管理和技术多方面做出努力 政策方面应参照发达国家的 有关政策法规 规划确定出专用和公共停车位的合理数量 实现投资主体多元化 确 定停车库的管理属性和停车收费标准 给予投资和经营者相应的优惠政策 使其有利 可图 市场方面应建立停车库市场运行机制 利用价格杠杆调高占路停车收费标准 逐步消除 路满库空 现象 鼓励按市场规则经营停车库 并实施政府监督和政策调 控 使停车产业良性发展 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 2 3 立体车库的发展前景立体车库的发展前景 改革开放以来 城市化水平加快 随着城市建设的迅速发展 城市空地和巷道越 来越少 在城区的高级宾馆 饭店 商场 医院 车站 高档住宅区及其他车辆密集 区 由于受到原有占地面积的限制 汽车停泊困难 交通阻塞 另外 多年来在城市 交通建设中 仅重视解决动态交通 修路 而忽视解决静态交通 建库 停车场 造成 现有停车位远远不能满足停车需求的严重局面 虽然立体车库在我国的发展势头非常的迅猛 但是目前立体车库在住宅小区内的 应用 却还是少的可怜 其主要原因还是人们的思维观念没有转变过来 而技术上的 问题已经退居其次 可以说 当前的技术已经完全可以满足小区内建造立体车库的主 要要求 急需解决的是人们的思想问题 伴随着我国住房业的迅速发展 小区式居住 方式已经成为市民住房方式的主流 并且 伴随我国经济的迅速发展 人们拥有自己 的私家车也已经成为一种必然 所以 正是由于小区与私家车的数量越来越多 一旦 人们的思想方式转变过来 那么应用于小区内的立体车库必将会如同雨后春笋般迅速 地生长起来 而且 立体车库的技术也必然在今后的若干年内有大幅度的发展 所以 无论是立体车库技术的研究 还是立体车库工程的建造 发展前景都是非常乐观的 都必将在不久的将来得到快速的发展 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 单位 万辆 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2000200120022003200420052006 单位 万辆 图 1 1 汽车拥有量年增长图 200020012002200320042005 2006 立 体 车 库 车 位 数 单位 万 年份 5 10 15 20 25 30 图 1 2 立体车库车位的年增长曲线图 根据图 1 1 和图 1 2 可以明显的看出立体车库未来的发展趋势 表明立体车库是很 有发展前景的 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 3 论文结构和主要研究工作论文结构和主要研究工作 1 3 1 设计任务要求设计任务要求 设计题目是基于单片机的自动寻位立体车库系统 根据题目要求 设计的控制系 统的控制核心是单片机 主要实现的功能是自动寻位 而且是全自动化操作 不需要 人为参与 要完成整体系统的设计 控制系统硬件设计和软件设计 1 3 2 论文结构论文结构 本论文是自动化立体车库控制系统的设计 参照一般的控制系统设计 论文 的 结构 本文可以分为以下几部分 第一章绪论 介绍了课题的研究背景与意义 根据立体车库的研究现状叙述了立体车库的发展 前景 然后说明了本文的主要研究工作和本文研究的重点和难点 第二章立体车库选型与总体设计 首先给出了立体车库的概念 分类及各种立体车库的优缺点 然后选择了以垂直 循环式立体车库为设计方案 接着介绍了垂直循环式立体车库的基本结构 最后给出 了详细的立体车库的总体控制方案 第三章立体车库控制系统硬件设计 主要介绍了垂直循环式立体车库的控制方法 根据其控制原理 把控制系统硬件 分为几部分 单片机部分 车库的动力控制部分 车库的检测部分 LED 显示部分和 IC 卡的存取部分 对每一部分的控制原理做了详细介绍 对控制方法做了详细的设计 第四章立体车库控制系统软件设计 基于硬件设计的基础对应每一部分做了相应的软件设计 设计出了每一部分的软 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 件流程 并对其流程进行相关的说明 总结 根据本设计的任务 结合设计内容进行总结 并提出了设计中的不足和以后的努 力方向 1 3 3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 立体车库是一种多平面的空间立体停车车库 通过单片机控制车位的空间位置变 动 使车位能够实现空间到平面的转化 实现多重单层平面停车的功能 论文在查阅大量资料的基础上 以立体车库车位控制为研究对象 通过对单片机 的学习和研究 实现了以单片机为控制核心对 8 车位的垂直循环式立体车库模型控制 系统的控制 主要研究的内容包括 1 立体车库的控制方案设计 2 升降横移式立体车库存取车策略的研究 3 单片机在垂直循环式立体车库模型中的研究与实现 4 IC 卡信息记录与读取的方法 1 4 本设计的重点和难点本设计的重点和难点 立体车库的控制系统是实际应用的大型工程项目 其设计和控制具有一定的难度 虽然本设计采用的是小型的垂直循环式立体车库的控制方法 但是由于没有实际的工 程作为参考 很多都是根据资料分析 通过自己的理解来进行设计 必然会遇到很多 问题 根据对设计题目和内容的了解本设计的重点主要有 1 垂直循环式立体车库的总体方案设计 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 车库存取车的主要工作流程 3 自动化车库的车位检测 在设计的内容上主要有以下几个难点 1 空车位的自动检测与给定 2 IC 存储卡与单片机的信息传输 3 车位的移动与到位检测 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第二章第二章 立体车库选型和总体方案设计立体车库选型和总体方案设计 立体车库系统是一个复杂的控制系统 而且立体车库的种类繁多 不同种类的立 体车库的控制系统和控制方法不尽相同 车库类型的选择直接影响到系统的总体设计 因此车库的选型十分重要 本章选择了垂直循环式立体车库为实施方案 对其进行详 细介绍 并给出了系统的总体设计 2 1 立体车库介绍及选型立体车库介绍及选型 2 1 1 立体车库简介立体车库简介 由于经济的发展 城市人口 城市车辆逐年增多 市区停车问题亟待解决 传统 的单层平面停车场占用大量宝贵的土地资源 越来越不能满足需求现代先进的自动化 机械立体车库是一种多平面的空间立体车库 它以单层平面停车库为核心 通过微机 即通过上位机 对车库进行统一的管理 监控与 PLC 控制来进行车位的空间位置变 动 使车位实现由空间到平面的转化 从而实现多层平面停车的功能 它具有占地少 停车多 投资少 停车方式先进等优点 智能立体车库由机械传动系统 电气控制系 统 检测系统 收费系统及其相应的设备组成 由于经济的发展 城市人口 城市车辆逐年增多 市区停车问题亟待解决 传统 的单层平面停车场占用大量宝贵的土地资源 越来越不能满足需求 现代先进的自动 化机械立体车库是一种多平面的空间立体车库 它以单层平面停车库为核心 通过微 机控制来进行车位的空间位置变动 使车位实现由空间到平面的转化 从而实现多层 平面停车的功能 它具有占地少 停车多 投资少 停车方式先进等优点 我国已加 入 WTO 对于在激烈的国际竞争市场里处于弱势的我国绝大多数企业 研究经济全球 化问题是十分迫切和必要的 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 1 2 立体车库的分类立体车库的分类 立体车库的种类很多 按照机械装置的构造 立体车库一般可分为以下几类 垂 直循环式 多层循环式 水平循环式垂直升降式 电梯式 升降导轨式 平面往复式 组合式 升降横移式和巷道堆垛式等 表 2 1 列出了各种立体车库的优缺点 表 2 1 各种立体车库的优缺点 类 型 优点缺点 存车 容量 升 降 横 移 式 结构框架不高 在垂直平面内车位 布置较紧凑 出入口布置灵活 在楼宇 地下室或住宅小区空地布置方便 相对 成本较低 进出一辆车不必牵动全库车 辆 可以并列 串列组成组合式车库 形式多样 每个载车板都要自备一套 甚至 2 套驱动机构 成本相对 较高 3 43 垂 直 循 环 式 只需要一套驱动机构 较容易控制 停位较准确 结构简单 工作可靠 占 地面积小 空间利用率也较高 可以建 成地上 半地上 地下式等多种形式 整个系统能量消耗大 振 动及噪声较大 运动速度不高 出入库时间长 经济性差 只 有一套驱动机构 一旦系统故 障 不能实现紧急出车 5 50 垂 直 升 降 式 可以充分利用空间 一般都做成大 型车库 这样平均到每个车位的成本较 低 车位的布置形式多样 一旦系统故障 不能实现 紧急出车 工作机动性较差 7 56 多 层 循 环 式 可充分利用地下空间 墙体建筑费 用不高 隔振和噪声效果较好 出入一辆车整个系统的车 位全移动 结构较复杂 一般 只适用于利用地下空间 6 46 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 1 3 立体车库的选型立体车库的选型 立体车库的选型要遵循以下的原则 1 人性化原则 立体车库的人性化选择时除充分考虑安全性 美观性 舒适性 和谐性 地域性 文化性外还应注意保证人身安全 避免人身伤害 操作方便 安全 可靠 避免故障 避免污染 总之人性化选择的最高目标应是良好的人机对话 和谐 共生的设备使用环境 2 环境协调化原则 在立体车库的选择上应充分考虑到与周围自然环境的协调 一致 注意立体车库与自然环境的和谐统一 对已建成的小区或单位在选择立体车库 时应注重与周边环境在造型 色彩 采光通风 消防等诸方面协调一致 对规划新建 的小区或单位在选择立体车库时 应尽可能将立体车库与主体或附属建筑物相协调 3 适量化原则 在车库选择时并非车位数量越多越好而应在充分考虑每台电脑 控制的车位数量 清库时间及确保车库运行流畅方便的基础上合理确定车辆存放的最 大化 一般遵循对于存取时间要求较高的车库如居民小区 机关单位车位数量少些 对于存取时间要求不太高的车库如医院 商场车位数量可以多些 否则车位数量太多 导致车库存取时间过长 车库利用率太低 4 可靠性原则 立体车库的最大优点是充分利用了地上和地下空间但再好的立 体车库也不如地面停车方便快捷 在同等质量情况下传动形式越复杂 自动化程度越 高则可靠性越差投资和维护成本越高 在满足使用的前提下传动形式越简单可靠性越 高投资和维护成本越低 根据表 2 1 介绍的各种立体车库的优缺点及本设计的目的 选择图 2 1 所示的垂直 循环式立体车库为设计选型 在上述几类立体车库中 垂直循环式立体车库的控制系 统相对简单一些 能更好的得到控制 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图 2 1 垂直循环式立体车库 垂直循环式立体车库 如图2 1 是把停车用的数个托盘安装在大型循环转动的链 条上 在垂直面内呈圆形或长圆形配置 并通过电机转动带动链条和托盘一起循环升 降运转 从而带动停放在托盘上的车辆 将车辆输送至空中停放 它能有效的利用城 市 住宅小区内有效的空间和土地 可随机设立 能使每个组团或每栋楼内所有的车 辆可以停放 控制系统相对简单 能使住户存取车辆时 既便捷又安全可靠 易于操 作 选用单片机做控制器 容易控制 在多种类型的车库中 垂直循环式立体车库的 控制系统只需一套驱动系统 而且到位检测容易实现 2 2 总体设计方案总体设计方案 车库整体可以上下移动 而且转盘随电机旋转 当有车存放时 转盘转动 将空 位旋转至车库的入口处 车放入车位后即完成存车动作 取车时 转盘带动车旋转至 出口处 车即可取出 自动寻位式立体车库的核心元件是单片机 自动管理控制系统由多个执行元件 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 动力源构成 控制系统包括微处理器 出卡机 读卡机 检测系统 停车单元控制器 以及显示屏等 执行元件是设在支撑轴下的电机 单片机是车库控制系统的核心 当 用户对操作平台进行动作时 单片机会接受并分析指挥用户操作 判断检测元件的状态 读取执行元件的信息 然后通过软件做出合理的控制安排 反馈信息到执行元件 操作 平台 拖动车位移动到相应的水平位置 实现车位的位置移动 自动寻位立体车库的原理图如下图 单片机 检测装置 连接电路 动力控制电路LED驱动电路LED显示 IC卡 信息存储 IC卡接口电路 电机 图 2 2 立体车库控制系统原理框图 控制核心为单片机 检测装置将检测到的信号送入单片机 单片机处理检测信号 判断车库的空位数 并将空位数经LED驱动电路传送给LED显示车库的空位数 IC卡 通过IC卡接口电路 和单片机进行通信 用于信息的存储与读取 单片机根据采得的 各路数据 对车库进行控制 通过动力控制电路来控制电机的启动 停止 正转和反 转 以达到对车库的自动运行 垂直循环立体停车库是采用在垂直方向作循环运动的停车系统存取车辆的一种机 械式停车设备 其传动系统由电机 减速器和传动链条组成 在传动链条上 每隔一 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 定距离安装一个存车托架 当电机启动时 存车托架随链条一起做循环运动 达到存 取车辆的目的 在存车时 按存车键申请存车 然后将IC卡插入卡座 司机将车开至 车库入口位置的托架后关好车门退出车库 将卡取走 完成存车 取车时 按动取车 键申请取车 然后将IC卡插入卡座 单片机进行数据读取 选定车位号 然后控制电 机转动 在控制系统控制下将待取车辆按最短路径运至出口 司机进入存车托架将车 开出 完成取车 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第三章第三章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 本章根据立体车库控制系统的总体设计方案来进行系统的硬件设计 并对硬件的 每一部分做详细的介绍 以便为软件设计打好基础 本章内容主要包括 单片机的选 择 IC 卡接口电路设计 车库动力系统设计 系统检测部分设计和显示部分设计等 3 1 单片机控制电路单片机控制电路 3 1 1 单片机的选择单片机的选择 本系统的控制核心为单片机 选择一个合适的单片机作为控制器对于立体车库控 制系统来说十分重要 本设计采用的设计方案是小型的垂直循环式立体车库 设备的 体积比较小 本车库系统属于单体控制系统 设备集中 使用一块单片机就能完成控 制任务 所以选择目前常用的 AT89S51 单片机 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的 AT89 系列单片机中的一种 8 位机 是一个 低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标 准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提 供高性价比的解决方案 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 EA VPP 31 XT AL1 19 XT AL2 18 RST VPD 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T 1 P1 1 T 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSE N 29 AL E PR OG 30 P3 1 TX D 11 P3 0 RX D 10 Vcc 40 Gn d 20 AT 89S51 图 3 1AT89S51 单片机引脚图 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4k Bytes Flash 片内程序存储器 128 bytes 的 随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空 闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复 位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需 求 本课题之所以选用 ATMEL89 系列单片机是因为该系列单片机的最大特点就是在 片内含有 Flash 存储器 因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改 同 时在系统工作的过程中 能有效的保存一些数据信息 即使外界电源损坏也不影响信 息的保存 AT89S51 具有 4KB 的 Flash 存储器 在车库中 处理器负责车库调度 信 号处理并把该车库的状态信息传送给上位机中 程序体积不超过 4Kb 可以把程序都 存放在其中 省略了外部程序寄存器 节省了费用 简化了程序 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 1 2 单片机振荡电路单片机振荡电路 单片机虽然与内部振荡电路 但要形成时钟 必须外接附加电路 AT89S51 单片机 的时钟产生方法有两种 内部时钟方式和外部时钟方式 当使用片内振荡电路时 XTAL1 XTAL2 与晶体振荡器及电容 C1 C2 按图 3 1 所示方式连接 晶振 电容 C1 C2 及片内与非门构成了电容三点式振荡器 振荡信 号频率与晶振频率及电容 C1 C2 的容量有关 但主要由晶振频率决定 范围在 0 33MHz 之间 电容 C1 C2 取值范围在 5 30pF 之间 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 15 Jun 2 009Sheet o f File C Do cuments an d Settings Ad ministrator 土土 6 15土土 DD BDrawn B y Y1 12M Hz C1 30p F C2 30p F XT AL2 XT AL1 图 3 2 振荡电路 本系统采用内部时钟方式 C1 和 C2 采用 0 03uF C1 和 C2 用来稳定时钟频率 振荡晶体频率为 12MHz 3 1 3 单片机复位电路单片机复位电路 当 AT89S51 系列单片机的复位引脚 RST 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 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 R5 8 2k R4 270 C3 S3 VC C D3 DIO DE RST 10uF 图 3 3 单片机复位电路 由图 3 3 可知 复位电路采用的是上电和手动复位组合方式 按下复位按钮时 电 容通过 R4 放电 当电容 C 放电结束后 RST 引脚由 R4 和 R5 的分压比决定 由于 R5 R4 因此 RST 引脚为高电平 CPU 进入复位状态 松开复位按钮后 电容充电 RST 引脚电位下降 使 CPU 脱离复位状态 R4 的作用在于限制复位按钮按下瞬间电 容的放电电流 避免产生火花 以保护按钮的触点 3 1 4 单片机控制电路的连接单片机控制电路的连接 控制系统各部分都与单片机直接相连 从而完成对系统的自动控制 单片机的连 接电路见附录 A 8 个光电开关检测到的开关量发送到单片机的 P0 口 单片机通过 P2 6 和 P2 7 发送给 LED 显示电路 以显示当前的空位数 IC 卡的 SCL 和 SDA 通过卡座 与单片机的 P1 0 和 P1 1 相接 用来存取数据 而 IC 卡的电源选通信号接单片机的 P1 3 口 单片机的 P2 4 和 P2 5 和动力控制电路相接 用来控制电机的正反转 而到位 检测的光电开关接入单片机的外中断 用来经过内部计算 记录车位移动的数目 3 2 系统检测部分设计系统检测部分设计 作为一个大型的系统 检测装置是不能或缺的 在立体车库中 车位的检测都是 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 通过传感器来实现的 本设计也不例外 3 2 1 空车位检测空车位检测 在系统的车位检测设计中 应用的是 8 个光电开关 通过光电开关来检测车位是 否为空 光电开关分为反射式 对射式和镜面反射式三种类型 对射式检测距离远 可检测半透明物体的密度 透光度 反射式的工作距离被限定在光束的交点附近 以 避免背景影响 镜面反射式的反射距离较远 适宜作远距离检测 也可检测透明或半 透明物体 由于在车位的检测中 由于车位的长度达到 3 5 米 所以采用对射式光电开关来 进行检测 同时不需要测量物体的密度或其他性质 只需要检测停车位上是否有车 所以功能最简单的光电开关就可以实现 在费用上降到最低 U5 OPTOIS O1 R1 1 220 R1 2 1k P0 0 VC C VC C 图 3 4 光电开关连接电路 功能简单的光电开关传输的是开关量 向单片机传输的信号为高电平或低电平 由图 3 4 可知 当车位上有车存放时 光电开关的接收端不能接受来自发射端的信号 三极管不能导通 所以单片机接收到的是高电平 同理 当车位为空时 三极管导通 单片机的端口置低电平 由此可以检测出车位上是否有车 由于车库有 8 个车位 所 以需要 8 个光电开关来进行检测 3 2 2 到位检测到位检测 所谓到位检测就是判断车位是不是到达了预定位置 因为系统只能控制电机的启 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 动 停止与转向 而不能设定其转过多少角度 所以要加一个检测装置 当车位到达 目的位置后 把检测信息传给单片机 然后单片机使电机停止转动 到位检测的装置和空车位检测装置一样 只需要一个光电开关就可以实现 将光 电开关的发射端固定在最后一个传动轮的圆盘上 选择合适的传动装置 使最后一个 传动轮与链条保持这样的关系 传动轮每转过一圈 对应的车位就移动一个位置 光 电开关每变化一次 单片机内部存储单元加 1 根据累加值就可以检测出旋转了几个车 位 当达到所要旋转的车位数时 单片机控制电机停止转动 3 3 IC 卡接口电路设计卡接口电路设计 在立体车库平时的应用中 在车主存储过程中需要存储用户的一些信息 在取车 时候需要出示个人凭证 这是立体车库正常使用的基本要求 因此要存储这些信息 这就需要 EEPROM 与 EPROM 不同 EEPROM 在工作电压下就可以进行数据的读和 写 这样 就可以在把一些必要信息存放到里面 在设计中 选择了 24C02 卡 如图 3 5 所示 非常适合于各类仪器仪表和控制装 置的参数保存 其芯片 24C02 的管脚图如图 3 6 所示 A0 1 A1 2 A2 3 GN D 4 Vcc 8 WP 7 SCL 6 SD A 5 图 3 5 24C02 空卡 图 3 6 24C02 管脚图 24C02 各引脚的功能如下 A0 A1 A2 引脚 是芯片地址引脚 SCL 引脚 串行时钟输入端 在时钟的正跳沿即上升沿时把数据写入 EEPROM 在时钟的负跳沿即下降沿时把数据写从 EEPROM 读出来 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 SDA 引脚 串行数据 I O 端 用于输入和输出串行数据 WP 引脚 写保护端 这个端提供了硬件数据保护 当把 WP 接地时 允许芯片执 行一般读写操作 当把 WP 接到 Vcc 时 则对芯片实施保护 AT24Cxx 系列存储器卡芯片特点 1 低电压 标准电压操作 1 8 5 V 2 内部组成 256 8 AT24C02 的串行 EEPROM 3 2 线串行接口 4 双向数据传输协议 5 支持 ISO IEC 7816 10 同步协议 6 8 B 页面 AT24C01 02 写入方式 7 自定时写入周期 最大 10 ms 8 高可靠性 使用寿命为 100 000 次写 擦除 数据保留期为 100 年 9 多种封装形式 提供芯片 模块及标准封装形式 24C02 卡通过卡座与单片机进行连接 如图 3 7 为 SMARTADP 接触式 IC 卡卡 座 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图 3 7 接触式 IC 卡卡座 卡座上与 IC 卡的触点为 8 个 对应为 24C02 的 8 各引脚 卡座上还有 2 个触电是用来 识别卡座内是否有卡插入 接触式存储器卡接口电路如图 3 8 所示 单片机的 P1 0 P1 1 分别通过卡座与 24C02 的串行时钟端 SCL 和串行数据端 SDA 相接 P1 2 接卡插入测试端 SW2 P1 3 接 PNP 三极管的基级 为上电控制端 SCL SDA 及 SW2 均通过 10k 的上拉电阻接 5V A0 1 A1 9 A2 10 GN D 4 SW 1 5 VC C 8 WP 6 SCL 7 SD A 5 SW 2 3 U2 SM ARTA DP Q3 NPNP1 3 R2 10k 3 VC C P1 0 P1 1 P1 2 R3 1k 图 3 8 接触式存储器卡接口电路 当有卡插入时 SW1 与 SW2 断开 P1 2 口由低电平转为高电平 当 P1 3 置高电 平时 三极管导通 给 24C02 供电 否则断电 I2C Inter Integrated Circuit 总线是 PHILIPS 公司推出的芯片间串行传输总线 2 根 线 SDA SCL 即可实现完善的全双工同步数据传输 能够十分方便地构成多机系统和 外围器件扩展系统 I2C 器件是把 I2C 的协议植入器件的 I O 接口 使用时器件直接挂 在 I2C 总线上 I2C 器件无需片选信号 是否选中是由主器件发出的 I2C 从地址决定的 而 I2C 器件的从地址是由 I2C 总线委员会实行统一发配的 在器件之间进行数据传送 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 数据传送速率最高可达 400KB S I2C 总线系统通常用于控制而无需高速传送数据的 应用场合 仅需两根线一根串行数据线 SDA 和一根串行时钟线 SCL 与总线相连的每个器件 都对应一个特定的地址 采用软件寻址方式 每个器件在整个通信过程中都是单一的 主控器 从控器身份 主控器可用做主控发送器或主控接收器 所有接到 I2C 总线上的 设备的串行数据都接到总线的 SDA 线 各设备的时钟线 SCL 接到总线的 SCL 目前 51 系列的单片机应用很广 但是它们都没有 I2C 总线接口 限制了在这些 系统中使用具有 I2C 总线接口的器件 但通过对 I2C 总线时序的分析知道可以用 51 单 片机的两根 I O 线来实现 I2C 总线的功能 不使用单片机的 I2C 接口 直接通过 I O 线 编程来实现 I2C 总线的功能 即为 I2C 总线的虚拟技术 I2C 总线规定 SCL 线和 SDA 线是各设备对应输出状态相 与 的结果 任何设备都可以用输出低电平的方法延长 SCL 低电平时间 迫使高速设备进入等待状态 实现不同速度设备间的时钟同步 因 此 即使时钟脉冲的高 低电平时间长短不一 也能实现数据的可靠传送 可以用软 件控制 I O 口做 I2C 接口 3 4 动力控制电路设计动力控制电路设计 在系统中 电机的作用是带动传动装置 然后使车库进行移动 电机是系统中重 要执行部件 所有控制的目的都是为了车库的自动运行 因此动力控制电路的设计也 是很重要的 CPU 的控制驱动信号通过两个 NPN 三极管 Q1 和 Q2 实现电机的转向 当 P2 4 为 高时 Q1 导通 继电器 K1 接通电流 并吸合其开关 电机正向接通电路 使电机正 转 当 P2 5 为高时 Q2 导通 继电器 K2 接通电流 吸合其开关 电机反向接通电路 使电机反转 D1 和 D2 是泄流二极管 以保护三极管免受高压冲击 在电路中 J1 和 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 J2 和电源相接 其中 1 脚都接电源的正极 2 脚接电源的负极 动力控制电路如图 3 9 所示 Y1 12M Hz C1 0 01uF C2 0 01uF INT 0 VC C S2 SW PB A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CL K 8 MR 9 U3 74L S164 S1 SW PB VC C 1 2 J1 CO N2 K1 RE LAY DPST K2 RE LAY DPST 1 2 J2 CO N2 D1 DIO DE Q1 NPN Q2 NPN R7 1k R8 10k VC C VC C D2 DIO DE VC C R9 1k R10 10k VC C P2 4 P2 5 A M1 MO TOR U5 OPTOIS O1 R11 510 R12 1k U6 OPTOIS O1 R13 510 R14 1k U7 OPTOIS O1 R15 510 R16 1k U8 OPTOIS O1 R17 510 R18 1k U9 OPTOIS O1 R19 510 R20 1k U10 OPTOIS O1 R21 510 R22 1k U11 OPTOIS O1 R25 510 R26 1k U12 OPTOIS O1 R27 510 R28 1k P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6