基于單片機的垂直升降式車庫人機系統設計*

武 鄉

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

隨著經濟的高速發展，人民生活水平的不斷提高，城市居民私有車輛的擁有量也在不斷增加，尤其是城市私家車的保有量以驚人的速度上漲［1］。由于我國停車行業起步較晚，車位數量遠遠趕不上汽車保有量，由此引發了一系列社會問題。如亂停車、占用公共道路、產生消防隱患、車輛失盜問題等。機械式立體車庫是解決停車難問題的有效途徑之一［2］。垂直升降式立體車庫包括結構框架、執行機構、基于單片機的人機交互系統、PLC控制系統、計算機監控系統。筆者主要研究基于單片機的人機交互系統。

2 立體車庫的工作原理

本車庫的停車位置是兩側對稱排列的，每側為三層六列分布，共36個車位，根據需要可擴展。車庫的所有車位均可停車，只需在動力輸出設備的帶動下垂直升降移動對應載車板，這樣既提高了空間資源利用率，也節省了能耗和開發成本，經濟環保，快捷實用。車輛出入車庫的工作流程如圖1所示。

3 系統硬件電路設計

人機交互系統主要是由微控制器80C320及外圍的擴展模塊組成。擴展模塊包括液晶顯示模塊、讀卡器模塊、語音模塊、485通信模塊、數據存儲模塊等。人機交互系統整體結構如圖2所示。

圖1 出、入庫流程圖

3.1 系統硬件芯片選型

立體車庫人機交互系統控制芯片采用Dallas公司的新型高速處理器80C320，該芯片與MCS－51系列單片機相比，具有更優良的性能和更強大的功能。80C320單片機機器周期較短，2個全雙工異步串行口等特點完全滿足本次設計需求。程序存儲器(ROM)選用芯片 27C512［3］。

圖2 人機交互系統結構圖

讀卡器將采用非接觸式IC讀卡器WM－02SB。該讀卡器體積小，自帶天線，能夠方便地與控制芯片結合使用，只需通過RS485芯片與單片機相連，發送命令即可對卡片進行操作。

語音模塊選用上海奔流電子有限公司開發的新型多段語音錄放板BMP5008。本次設計選用BMP 5008－32 M的芯片。該芯片可以通過外掛不同容量的FLASHRAM，獲得從30 s～32 min的錄音容量并且錄音信息掉電后不丟失。

液晶顯示模塊(LCD)采用拓普微科技開發有限公司工業級的TFT液晶顯示器LMT057DANFWUBBN及其配備的控制板。控制芯片可采用并行接口控制LCD顯示器，電路簡單可靠，只需發送相應命令便可控制顯示內容。

3.2 硬件原理圖設計

單片機和外圍擴展模塊的接口電路圖如圖3所示。

圖3 硬件電路原理接口圖

80C320與WM－02SB讀卡器采用RS485通信方式。WM－02SB需4條線控制。一條用來給讀卡器供電，其他三條用來傳輸命令和數據。80C320的串口1通過485總線轉換器MAX485轉換成RS485通訊，這樣不僅能延長通訊距離也能降低電磁干擾。80C320與語音模塊通過總線方式控制。由于80C320的I/O有限，所以使用芯片8155擴展I/O口，將語音模塊的六條控制線與8155的PB口相連即可控制語音模塊。

8155的PB口工作在主機模式，是命令傳輸的主控制方。語音模塊工作在從機模式。微控制器通過控制8155完成控制語音提示功能。80C320通過并口線與LCD模塊外配的控制板連接，微控制器只需發送顯示指令LCD便可實時顯示。80C320通過兩條線與I2C相連，P3.6和P3.7分別與芯片AT24C02的SCL和SDA相連，按照AT24C02的工作時序完成讀寫功能，避免了單片機系統斷電后存儲數據的丟失。80C320采用RS485通訊方式，微控制器的串口0通過轉換器MAX485實現電平轉換。信號通過74HC04取反芯片后，傳輸給光耦隔離6N137，然后傳送給MAX485轉換成差分AB信號，AB總線上接1個120Ω匹配電阻和2個偏置電阻，以減少信號反射的降低。EMI.在AB總線上各接1個20 Ω電阻和穩壓二極管，以防止浪涌對485芯片的損壞［4］。

4 系統軟件設計

系統軟件包括主程序、語音控制程序、液晶顯示程序與PLC通信程序等。主程序主要包括初始化程序、RAM內容更新程序等。軟件編程采用模塊化思想。利用子函數分別實現系統的初始化、顯示、語音播放、讀取卡號等功能。存車流程圖如圖4所示，取車流程與此相似。

圖4 存車流程圖

微控制器采用異步串行通訊方式。微控制器串行通信方式以字符為單位，即一個字符一個字符的傳送。S7－200PLC采用自由口與車庫人機交互系統進行數據交換［5］，通信協議如下:

微控制器為上位機，PLC為下位機，雙方的波特率為9600bit/s無校驗位，8位數據位，一位停止位，收發數據采用中斷方式。

通訊串口初始化程序如下:

void InitCom(void)

{SCON0=0x50;//串口方式1，允許接收

TMOD=0x20;//定時器1定時方式2

TH1=0xFA;

TL1=0xFA;//波特率為4800 kpb/s

PCON=0x80;//波特率加倍控制

RI=0;TI=0;//清收發標志

TR1=1;//啟動定時器

}

幀頭為固定字符0X4B，表示單片機與PLC開始傳送數據，為通信數據流的第一個字符;Keyword為關鍵字，0X07表示存車，0X08表示取車，0X09表示復位;車位號表示車位地址;幀尾為固定字符0X4A，表示單片機與 PLC傳送數據結束;CRC:異或校驗［6－7］。

5 系統調試與結果分析

垂直升降式立體車庫人機交互系統目前已完成初步設計，經單機調試和聯機后，運行狀況良好。調試方法如下:①人機交互系統單機調試:利用串口調試工具讀取COM1口的數據，同時模擬下位機與人機交互通信進行測試。實驗表明，可實現系統功能要求;②系統連調:單片機 COM0口與 S7－200PLC Port1連接，按照通信指令格式，發送相應的指令實現系統連調。圖5為存車時LCD顯示界面。

圖5 存車界面

根據調試結果分析，該設計滿足垂直升降式立體車庫要求，具有結構簡單、成本低、操作方便等優點。為解決小區停車問題提供了可參考的思路和方法。

［1］胡清明.立體車庫的結構優化與智能控制［D］.廣州:華南理工大學，2010.

［2］齊風升.應用立體車庫解決城市住宅小區停車問題［J］.職業，2012(8):171－172.

［3］蔣兆遠，衛曉娟.新型高速單片機原理及其應用系統設計［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［4］孫少玉.立體車庫的刷卡通訊系統設計與實現［J］.鐵路計算機應用，2009(4):53－55.

［5］孟建軍，應倩剛，祁文哲.基于S7－200PLC應用環境的單片語音系統的開發［J］.鐵道科學與工程學報，2009，6(2):87 －91.

［6］胥如迅.基于人機工程學的人機交互系統研究及應用［D］:蘭州:蘭州交通大學，2012.

［7］楊志剛，錢俊磊.西門子S7－200系列PLC與單片機之間的自由口通信［J］.河北理工學院學報，2005(11):77－80.