【《基于单片机的某立体车库控制系统硬件和软件设计案例》7100字（论文）】

基于单片机的某立体车库控制系统硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2581基于单片机的某立体车库控制系统硬件和软件设计案例 116463第1章系统硬件设计 1185441.1设计方案选择 14651.1.1控制器方案选择 1107081.1.2位移传感器方案选择 364101.1.3A/D模数转换芯片方案选择 3109031.2系统方案设计 4229331.3单片机控制模块 5240921.1.1单片机发展概括 599041.1.2STC89C52简介 6272471.4记忆储存模块 999701.5位移检测模块 10311261.6动力控制模块 1019156第2章系统软件设计 1257712.1软件开发语言选择 12256632.1.1软件开发语言选择 12233022.1.2软件开发平台介绍 12163142.2主程序模块设计 12154752.3记忆存储模块设计 13296872.4位移检测模块设计 15311842.5LCD显示模块设计 16711第3章仿真与调试 17310483.1Proteus软件介绍 17324553.2Proteus仿真 18第1章系统硬件设计1.1设计方案选择1.1.1控制器方案选择在专业学习中，我们常用的控制器有两种选择，一种是单片机，一种是PLC。在控制器方案的选择中，我们比较了一下PLC和单片机的优点和缺点，来挑选一款作为本设计的主要核心控制。方案一：采用PLC控制，其主要特点如下：(1）PLC具有非常高的可靠性，在PLC的接口电路中，采用的是光电隔离，将工业现场的电路和和PLC内部的电路隔离开，大大的增强了可靠性和安全性。PLC的模块与模块之间采取了屏蔽的功能和自我诊断的功能，模块和模块之间不会收到辐射的干扰，而且当软件或者硬件出现问题时，主控制器会自动诊断出问题，会自动发生急停措施，防止损失和故障的发生。(2）PLC的输入/输出端端口非常的多，这也是为什么在各行各业PLC都能广泛应用的原因。在工业生产中，各种联网定位模块的连接都可以通过PLC的I/O接口进行连接。(3)PLC使用的编程语言为梯形图状，和C语言、Java语言等计算机语言不同，不需要那么多的代码和程序运行，而仅仅通过梯形图所往下延伸，与继电器控制类似，所以一般工程现场的技术人员都能很快的学会理解，编程语言相对简单。(4)PLC的安装比较简单，不需要为他单独设计一个机房，直接将PLC设备搬到工业现场，通过接线将PLC与工业设备相连接，直接在现场运行即可。这样的优点使PLC不仅安装起来非常简单，当系统出现故障时技术人员也能更方便更快的寻找到问题所在，提高工作效率。(5)PLC的功能非常丰富，除了他最原始的逻辑控制和定时控制外，还可以进行步进控制，PID控制等，而且现在PLC根据特殊要求，也可以进行联网，定位等模块的设计。方案二：采用单片机控制,单片机概括如下:单片机在1969年问世，由于它仅有一片运算控制的处理芯片，故又被称为单片微型计算机SCMC(SingleChipMicroComputer)。单片机内部包含的核心元件是CPU，另外有可存储自身运行所需数据和外部数据的存储器RAM、ROM。包含中断功能方便控制程序，提供定时器、计数器及多个与外部交互数据的I/O口，可以实现功能扩展。１、特点：单片机虽然体积小，组成结构简单，但是却拥有强大的控制功能，可以通过提高的I/O端口方便的配合其他器件进行使用，并且运行电压低，稳定性强，控制能力强，可以适应场景多。２、分类：单片机在被发明以后，就一直是计算机发展领域中的一个重要分支，并且也随着现代的存储，运算能力，芯片制作工艺不断发展。按照单片机使用的总线类型可将其分为三大类；专用型和总线型／通用型／非总线型。３、发展历程：单片机在1969年诞生后，经过不断地更新换代发展，由最初的单片微型计算机到微控制器时期，其中以INTEL8031最具代表性。后来MCS-51系列单片机取代了8031单片机，并不断的向微型化、智能化发展，51系列单片机因其众多的优点至今仍被普遍使用。1.1.2位移传感器方案选择位移传感器的功能在本设计中是对进入车库的车辆和车库门之间的距离进行检测，当距离达到设置阈值，车库门自动打开。该传感器是一种线性可靠器件,应用在感应金属方面。传感器的主要功能就是将非电量转换为非标准信号的电量,通过变送器在转变为4-20mA的标准电信号。测量形式根据测量量不同进行采集方式的划分，由于模拟技术比较成熟,在我们日常生活使用较多的是模拟式的传感器,数字式的传感器在和上位机进行数据传输的时候省去AD模数转换,可以简化电路设计。以下我们就对常用的位移式传感器进行介绍:(1) 磁致伸缩线性位移传感器在石油、化工等行业中使用的比较多，它的主要功能是对制定目标进行测量和控制，控制群体主要为液体，这类传感器应用的工业领域比较广泛，在高强度和高精度的超级恶劣环境下也能使用，并且对于它的功能没有什么影响，所以这样的优点让该传感器在位移传感器行业广泛使用。该传感器的工作原理为：首先根据提供一个初始脉冲，转换为电流脉冲信号。该初始脉冲具备传输功能，在储存仓的电路中，导体的方向会产出一个旋转磁场，通过此旋转磁场与本身的磁场之间发生的碰撞进行采集，采集出另一个电流脉冲信号，再通过算法，将采集到的电流脉冲信号和初始信号的时间差计算出来，继而计算位移量。(2) 电涡流传感器:电涡流位移传感器是一款非接触式的传感器，他的特性是趋近式，在物体不接触到该传感器但是接近于该传感器时，传感器就会发生感应，由于它的抗干扰能力和灵敏度都非常的高，因此在高温等恶劣的环境下也能进行工作，所以在一些工作环境比较恶劣的领悟，比如石化、航空航天等领域，都因为其耐高温、精准的特点而广泛使用。而且电涡流传感器由一个探头和一个前置放大电路组成，结构非常简单，因为也被各种大型企业所运用。经过两者的比较,由于前者更适用于液体，而后者更符合设计要求，所以本设计采用后者，趋近式且非接触的电涡流传感器,通过磁场的变化,产生电能,驱动电机自动打开闸门,让汽车进入车库中。1.1.3A/D模数转换芯片方案选择模数转换芯片在我们日常应用中还是比较多,经常使用的有ADC0809,PCF8591等一些模数转换芯片,以下我们对模数芯片做出合适的选择:方案一:PCF8591，一款功耗比较低，有独立电源，不需要采用任何外接电路就可以进行串口通信。PCF8591主要性能指标:(1)独立电源供电模块;(2)工作范围的电压2.5V-6V之间;(3)低电流低功耗;(4)支持RS232串口通信;(5)3个硬件可编程地址;(6)采样速率取决于I2C总线的速率;(7)4模拟输入可以单端输入也可以差分输入;(8)内置跟踪保持电路;(9)8位逐次逼近型AD转换器;(10)通过1路模拟输出实现DAC增益。方案二:ADC0809，一款原理为逐次逼近型的模数转换器，内部有8通道多路开关，每次选通一路输出,进行A/D模数转换。模拟量输入的大小在0-5V之间,低功耗,价格便宜,应用范围较广,伴随着电子技术的发展,此款的ADC芯片逐渐被淘汰,但对于大学生做实验以及毕业设计是非常有意义的。因为本课题主要是完成相应的防火防盗的proteus仿真,对于性能要求并不是很高,并且从成本的角度来考虑,在设计电路的时候,很多时候我们还是更倾向于ADC0809模数转换芯片的,因此综合两者的比较,本设计选择更为操作的ADC0809模数转换芯片。1.2系统方案设计本设计是立体车库的设计，我们都知道，随着私家车的车量数目逐渐增多，无论是城市还是农村，车位都成了一个很大的问题。立体车库可以省去大量的占地面积，所以对立体车库的研究有很大的现实意义。本文系统方案的原理图如下图所示。图3-1系统方案设计图图3-2系统硬件电路图如图所示，位移检测模块在该系统中的作用是检测汽车到达车库的距离，当距离达到了预先设定的阈值，车库门就会自动打开。记忆储存模块是对来往车辆进行自动记录，记录哪些车辆进入了车库，哪些车辆离开了车库，车库里还有哪些车。LED显示模块是显示哪里的车位是空的，车库里还有多少空余车位，方便用户寻找。电机驱动模块是保准车辆可以完整的进入车库。系统的硬件电路图如图3-2所示。1.3单片机控制模块1.1.1单片机发展概括五十年前，第一台计算机诞生。仅仅半个世纪的时间，计算机水平已经成为了检验科技水平的风向标，发展速度迅猛，步入二十一世纪以来，计算机越做越薄，体积慢慢变小，功能却逐步增多，目前，一块芯片就能实现大规模的工程，单片机技术也就在这样的背景下得以出现。单片机在约四十年前诞生，所谓的单片机就是用集成电路技术设计一个计算机系统，实现数据存储，中心处理的功能。现在的单片机由于中断和定时等功能的不断完善，电路越来越强大。单片机可以控制复杂的电子线路，用软件将现实中的实物自动化，智能化，高效的完成程序设计者所想要完成的任务。单片机可以在各行各业得到应用，在仪器仪表上，由于单片机体积小，且精密度非常高，无论是在测量电压，还是测量距离，测量温度，测量压力或者室内外的空气质量，都可以使用单片机达到目的。在工业上，无论是报警系统还是智能控制，都可以用单片机实现，在家用电器上，更是在洗衣机，电视机的使用中密切存在，在工商，教育，军工等行业也离不开单片机的设计。1.1.2STC89C52简介本次设计的控制核心为STC89C51单片机。该单片机将内部器件集成封装后给外部提供有40个引脚，通过不同的引脚接线和高低电平使能可以实现单片机的不同功能。本设计中只需要存储简单的汉字字模码，STC89C51再带的4KB的ROM即可满足存储要求。51系列的单片机结构和功能大致相同，只是不同型号功能有细微的区别，所涉及的功能部件都有扩展外部器件的I/O端口、内外部中断、数据处理核心单元ALU、计数器、定时器、存储器ROM、RAM等，其内部框图如下图3-3所示。图3-389C52内部结构图其中的各个模块分别为：（1）内部存储器：存储器（Memory）分为只读存储器ROM和可读可写存储器RAM，其中ROM用于存储产生的数据，RAM用于存储运行的程序，此两片存储器的寻址是分开的。AT89C51中的ROM为4KB，有128位的RAM储存可读写的数据。(2）定时器／计数器：89C51系列单片机中包含的T0，T1可以当作定时器或者计数器来使用，均为16位的。单片机可通过控制T0，T1对数据进行实时控制。（3）并行I/O口：89C51单片机中共有四个I/O口P0、P1、P2、P3，可以分为４个８位的输入／输出接口。它们不仅可单独作为I/O端口使用，也可用作８位数据的并行连接口。（4）串行口：AT89C51提供了一个全双工的串行口，对串行口进行控可以实现单片机和外部设备间的数据传递，串行口也可作为单片机内部的收发器和同步移位器来使用，可使用的功能比较多样。（5）中断控制系统：AT89C51有2个定时中断源，1个串行口中断源，2个外部触发中断，一共有5个中断，其中二级中断优先级最高，中断之间可实现中断的嵌套。（6）时钟电路：时钟信号的产生分为外部振荡产生和内部振荡产生两种，一般的振荡频率为12MHZ左右。可在AT89C51上外接一晶振与自带的时钟电路进行振荡，配合可调电容配合即可完成时钟信号的生成。图3-4AT89C51单片机PID封装图图3-4所示为AT89C51通过DIP封装后有两排，共40个引脚，所有引脚分为如下四大类。(1)外部供电引脚（2根）GND（20引脚）：接地VCC(40引脚)：接＋5V电源输入，(2)时钟晶振（2根）XTAL2(20引脚)：单片机内部振荡输出端XTAL1(19引脚)：单片机内部振荡输入端。(3)控制引脚（4根）ALE/PROG(30引脚)：允许地址信号锁存VPP/RST(9引脚)：复位信号引脚，当该引脚有2个机器周期的持续高电平时将单片机复位到初始状态。PSEN(29引脚)：选通外部存储器读信号EA/VPP(31引脚)：程序存储器（ROM）的选通信号，高电平时读内部程序指令，低电平时读外部程序指令。(4)可编程输入/输出引脚（32根）AT89C51单片机内部的P0、P1、P2、P3口是4个8位的外部扩展I/O口，每个口8根引脚，共有32根引脚。每一个I/O口都可以通过编程实现对外部设备数据接收或控制。P0、P1、P2、P3I的端子号及功能：P0口（32～39引脚）：端口号为P0.0～P0.7，8位标准双向I/O传输口。P1口（1～8引脚）：端口号为P1.0～P1.7，8位标准双向I/O传输口。P2口（21～28引脚）：端口号为P2.0～P2.7，8位标准双向I/O传输口。P3口（10～17引脚）：端口号为P1.0～P1.7，8位标准双向I/O传输口。1.4记忆储存模块记忆储存模块在本设计中的功能主要是对数据进行读写，以此来反馈哪里的车位已经满了，哪里还有车位可以使用。这些都需要通过信息储存和信息确认的帮助，在这里我们所用的模块是EEPROM，在工作电压下，该模块可以对数据进行读写，进而将数据存在EEPROM中，对数据的存储和保护，我们使用的是24C02射频卡。射频卡如图3-5所示，其管脚图如图3-6所示。图3-524C02空卡图3-624C02管脚图24C02各引脚的功能如下：A0,A1,A2是芯片地址引脚。SCL引脚，串行时钟输入端。上升沿跳变把数据写入EEPROM；下降沿跳变时把数据写从EEPROM读出来。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。即当把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。存储器AT24Cxx系列芯片的特点:(1)1.8~5V的标准电压和低电压输入操作。(2)内部由8个串行的EEPROM(256)组成。(3)使用IIC2路串行接口。(4)数据传输方向:双向。(5)支持ISO/IEC7816-10同步协议。(6)8B页面(AT24C01/02)写入方式。(7)自定时写入周期(最大10ms)。(8)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，图3-7为接触式IC卡卡座。图3-7接触卡IC卡卡座1.5位移检测模块位置检测模块在本系统的功能是在汽车进库时，闸门通过检测模块检测到车辆的进去，自动进行打开，本设计采用的位移传感器为电涡流位移传感器。电涡流位移传感器是一款非接触式的传感器，他的特性是趋近式，在物体不接触到该传感器但是接近于该传感器时，传感器就会发生感应，由于它的抗干扰能力和灵敏度都非常的高，因此在高温等恶劣的环境下也能进行工作，所以在一些工作环境比较恶劣的领悟，比如石化、航空航天等领域，都因为其耐高温、精准的特点而广泛使用。而且电涡流传感器由一个探头和一个前置放大电路组成，结构非常简单，因为也被各种大型企业所运用。1.6动力控制模块为了让立体车库上下移动，系统需要设计一个传动装置，作为动力系统模块，本设计为了对模拟立体车库进行仿真，设计了一个直流电机模块，用NPN三极管来驱动电机，用单片机的P2.4接口来控制高电平，让电机进行正转，用单片机P2.5接口控制单片机的低电平，使其反转。电机在动力系统中担任执行器的角色，是整个系统中不可或缺的一个模块。但在本系统中，我们所需要做的只是模拟车库移动，所以采用单片机连接直流电机用三极管进行控制即可，但是在实际应用中，需要起码功率30kw朝上的电机，才能驱动整个立体车库的移动，这样大的电机，可能需要变频器来进行控制，在这里对变频器和大功率电机就不一一进行介绍了，本设计主要是对立体车库进行模拟仿真，真正投入使用还需要更深入的研究。

第2章系统软件设计2.1软件开发语言选择2.1.1软件开发语言选择本设计采用的开发语言为C语言，在单片机系统和嵌入式系统中，C语言是很好的选择，也是现在主流方向所认可的。它的特点就是面向过程，与汇编语言不同，汇编语言的指令比较适用于硬件系统，兼容性不强，设计效率低，对我们的设计有很大的限制作用。C语言在硬件系统里吸收了汇编语言的优势，还能弥补汇编语言在模块化程序设计部分不足的地方，便于理清设计逻辑，提高设计的效率，并且C语言中含有丰富的库函数，并且它的设计是每一个模块分开进行的。便于后期的修改和拓展。因此在本系统中，我们选择C语言为软件开发语言。2.1.2软件开发平台介绍在嵌入式的开发系统中有很多软件开发平台，类似于ICC，Keil等。在全球IT界，Keil公司被广泛认可，是很有代表性的单片机开发工具的设计公司。主要产品有Keil和RealViewMDK。它的开发方案和编译以及仿真的运行都有一系列的解决方案，在51单片机和ARM微控制器中被广泛使用。本设计中的软件开发平台就选用Keil5平台进行设计。界面如图4-1所示。图4-1软件开发平台界面2.2主程序模块设计本设计是基于单片机的立体车库设计，主要实现的是车辆的自动寻车位的功能，车辆到达前车库闸门能够自动打开以及对来往车辆信息能够实现记忆功能，达到不在需要浪费时间去寻找车库的功能。其主函数流程图如图4-2所示，系统的程序详见附录2。图4-2主函数流程图2.3记忆存储模块设计因为仿真软件中没有IC卡，所以我们采用按键来仿真，即按键一按下对应的有一个LED灯会亮，用来模拟车库被占用，其按键子函数流程图如下:图4-3记忆存储模块流程图

2.4位移检测模块设计位移检测模块本设计采用位移传感器进行实时检测，并带有报警设置,其流程图如图4-4所示：图4-4位移检测模块流程图

2.5LCD显示模块设计本设计采用LCD1602作为液晶显示,作为实时距离显示,其流程图如下4-5所示:图4-5LCD显示模块流程图

第3章仿真与调试3.1Proteus软件介绍Proteus软件是由英国的LabCenterElectronices公司研发。从事