基于STM32+CPLD的社區智能自助洗車機設計

作者 / 吳蓬勃、楊斐、鄭玉紅，石家莊郵電職業技術學院電信工程系

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基于STM32+CPLD的社區智能自助洗車機設計

作者 / 吳蓬勃、楊斐、鄭玉紅，石家莊郵電職業技術學院電信工程系

根據社區居民的洗車需求，結合社區的實際情況以及洗車的工作流程，設計了一種社區智能自助洗車機。系統硬件設計部分主要進行了自助洗車機的結構設計；基于STM32實現了供水管水壓檢測、高壓泵電流檢測和溫度檢測、無線通信、RFID讀卡等設計；基于CPLD實現了實現多路開關量的采集以及多路外設的控制設計。軟件部分著重對刷卡方式自助洗車的工作流程進行了介紹。該系統具備車輛智能檢測與引導、車輛全方位高效清洗、支持多種支付方式、可長時間工作以及智能管理與控制等優點。從而滿足了社區居民的快速自助洗車需求。

社區；自助洗車機；STM32；CPLD

引言

近幾年，隨著家庭轎車的普及，汽車數量的快速增長，相應的汽車“后產業”—洗車業也如雨后春筍般不斷壯大［1］。而與之對應的洗車店數量卻遠遠不能滿足需求，車主單次洗車往往要付出大量的人力物力。市面上的電腦全自動洗車機洗車成本高，不能根據車輛的污跡情況做有選擇的清洗，水資源浪費嚴重，并且對車漆、車飾邊有一定的損壞［2］。隨著個人自己洗車需求的增加，自助洗車機也就應運而生。在社區中配備自助洗車機，居民可以非常低廉的價格就近洗車、隨時洗車，同時又起到了鍛煉身體的目的。

本文結合社區的居民的實際洗車需求，基于洗車工作流程，設計了一款可自動感應車輛、具備語音引導和場地照明功能、可實現多種方式支付、可全方位洗車、可遠程管理、可長時間工作的社區智能自助洗車機。

圖1 系統總體結構圖

1. 系統總體規劃

如圖1所示，本系統主要包括：智能自助洗車機和遠程服務器兩部分，兩者通過3G網絡連接，實現對設備的遠程視頻傳輸與控制管理。

按照洗車的流程，車輛進入洗車機后，車輛感應系統自動感應到車輛的到來；如果環境較暗，則場地照明自動開啟；語音引導車主開啟洗車流程。車主可通過刷卡、投幣或者網絡支付的方式付費，然后按照語音提示進行操作。首先用低壓清水沖洗車身灰塵與污物；地面水柱沖洗車輛底盤；然后使用高壓泡沫噴涂車身；使用高壓水槍沖刷車輛；最后噴涂水蠟。

2. 硬件設計

■2.1 洗車機結構設計

圖2 洗車機結構圖

洗車機結構圖如圖2所示［3-4］。洗車機內部主要包括：水箱、泡沫原漿箱、蠟原漿箱、高壓泵、低壓泵、若干個電磁閥和流量計以及溫度探測器等。水箱、泡沫原漿箱、蠟原漿箱內部均配有液位檢測傳感器，當液位低時，系統控制電磁閥從供水管或泡沫、蠟的儲液罐中向箱內補充液體，當液位超限時，停止加載液體，從而實現洗車機長時間免加液工作。水、泡沫和蠟的用量通過4路流量計進行測量，液體的輸出通過4路電磁閥進行控制，水與泡沫原漿、蠟原漿的混合比例由比例閥進行控制。高壓泵實現高壓水輸出、高壓泡沫輸出。低壓泵實現低壓水蠟的輸出。

溫度探測器實時監測洗車機內部溫度，為防止冬季液體結冰，如果溫度低于設定值，系統將啟動加熱帶；如果溫度高于設定值，系統將啟動半導體制冷空調。同時洗車機設置有箱門檢測傳感器，系統會記錄箱門開啟和關閉時間，以實現對維護人員的監督。

洗車機外部包括：溫度探測器、車輛檢測傳感器、場地照明、車底盤沖洗、水/泡沫噴頭、水蠟噴頭。

圖3 洗車機控制系統STM32部分

■2.2 洗車機電子控制部分硬件設計

由于洗車機需要檢測和控制的外設非常多，所以洗車機控制系統采用了MCU+CPLD的方案，MCU選擇使用STM32103ZET，CPLD選擇EPM1270。下面將分別介紹這兩部分。

2.2.1 洗車機控制系統STM32部分

洗車機控制系統STM32部分如圖3所示。主要包括：左側的人機接口部分、上側的通訊部分和右側的設備控制與監測部分。左側的人機接口部分主要包括：數碼管顯示電路、語音播報電路、操作按鍵、SD卡電路、FRAM存儲器、實時時鐘、RFID讀卡器和投幣器。上側通訊部分主要實現：與遠端服務器的3G通訊和與電能表的有線通訊，從而實現設備的遠程數據采集與控制和設備耗電量的自動采集。右側的設備控制與監測部分主要實現：供水管水壓檢測、高壓泵工作狀態檢測、箱體內外溫度檢測與控制、4路流量計信號采集［5］以及與CPLD的通訊。

圖4 壓力傳感器信號處理電路

圖5 交流互感器 TVA1421-01信號處理電路

STM32103ZET內部共有3路ADC，其中供水管水壓和高壓泵電流的檢測各使用了一路ADC實現模擬信號到數字信號的轉換。高壓泵外殼、泵頭和泵曲軸箱的溫度檢測通過專用ADC芯片ADS1118實現，ADS1118與STM32間通過SPI接口進行通信。下面分別介紹。

（1）供水管水壓檢測電路

為了滿足6層樓用戶供水要求，目前大部分城市供水管水壓一般為0.3MPa，本系統使用了24V、2MPa的壓力傳感器MIK-P300-2MPa-V1-B1，該傳感器將水壓力信號轉換為4～20mA電流輸出。電流信號經過信號處理電路（如圖4），將4～20mA電流轉換為0.6～3.0V以內的電壓信號送到STM32的AD接口進行模數轉換。

（2）高壓泵工作電流檢測電路

高壓泵使用的是220V三相交流電，對其電流的檢測使用了立式穿芯小型精密交流電壓、電流互感器TVA1421-01。TVA1421-01可將最高18A的電網電流向量轉換為6mA電流信號輸出。經過信號處理電路（如圖5）后得到0～3V范圍的電壓，信號送到STM32的AD接口進行模數轉換，從而實現高壓泵工作電流的檢測。

（3）高壓泵溫度檢測電路

由于高壓泵外殼、泵頭和泵曲軸箱的溫度較高，所以本系統使用了溫度范圍廣、堅固耐用、響應速度快的K型熱電偶進行溫度測量。

本系統采用了TI公司的測溫專用ADC芯片ADS1118，它內部集成了一個電壓基準、復用器和溫度傳感器；與參考文獻［6］中使用的ADS1148相比，ADS1118雖然僅可以對2路差分形式熱電偶的溫度進行測量（ADS1148可采集4路），但其內部集成了溫度傳感器，可實現冷端溫度補償，無需外置冷端溫度補償溫度傳感器（如MAX6627），集成度更高；無需設計參考端電路，連線更少，可靠性更高。本系統共使用了兩路ADS1118實現對高壓泵溫度的測量，電路圖如圖6所示。

圖6 ADS1118熱電偶溫度采集電路

2.2.2 洗車機控制系統CPLD部分

CPLD部分（如圖7所示）主要實現多路開關量的采集以及多路外設的控制。

圖7 洗車機控制系統CPLD部分

開關量包括：9路液位檢測、箱門開關檢測、車輛檢測器、2路高壓泵壓力探頭，共計13路開關量。這些開關量信號在CPLD內部的進行邏輯運算，如果有信號發生變化，則CPLD向STM32中斷引腳發送信號，同時將信號路數編號通過并行總線發送到STM32，從而實現對多路開關量的檢測。需控制的外設包括：220V水蠟泵、高壓泵和洗車場地燈的控制；24V水、泡沫、蠟輸入和輸出電磁閥和底盤沖洗電磁閥的控制。

圖8 刷卡方式自助洗車工作流程

3. 軟件系統設計

軟件部分主要包括服務器管理軟件、智能自助洗車機系統軟件。本文著重對刷卡方式智能自助洗車的軟件工作流程進行介紹。

為不影響社區中居民休息，自助洗車機設置有洗車休息時間段，在休息時間段內，自助洗車機不工作。同時，自助洗車機除了可以洗車，還可以為小區居民提供生活用品沖洗服務。

刷卡方式自助洗車工作流程，如圖8所示。車主刷卡后，系統首先判斷是否為休息時間段，休息時間段內將語音提醒車主更改洗車時間；然后，系統會向服務器查詢當前卡是否有效；如果正常，則在數碼管顯示屏上顯示余額。然后，系統通過車輛檢測器判斷當前場地中

是否有車輛，若沒有車輛，則進入洗其它物品模式；否則進入洗車模式。洗車模式包括兩種:時間累計模式和流量累計模式，車主可根據需要選擇。車主洗完車后再次刷卡或者車輛駛離場地即可結束本次洗車操作。如果車主在刷卡后，未進行洗車并且超過設定時間，則系統發出操作超時語音提醒，若之后仍無洗車動作，則系統自動關閉，結束服務，以防止客戶資金流失。

4. 總結

本文根據社區居民的洗車需求，結合社區的實際情況以及洗車的工作流程，設計了一種智能自助洗車機。實現了對車輛的智能檢測與引導、車輛全方位高效清洗、多種支付方式的支持、長時間無人值守工作以及設備的遠程智能管理與控制。

在方便社區居民洗車的同時，設置了休息時間段，以免打擾附近居民的生活起居；另外還設置了無車輛工作模式，社區居民可根據生活需要沖洗自己的物品。不僅滿足了社區居民隨時自助洗車的需求，同時還方便了沖洗物品的需求，推動了和諧、智慧社區的快速發展。

＊ ［1］ 潘曉陽. 基于人機工程學的社區自助洗車機設計［D］. 太原：太原理工大學，2015.

＊ ［2］ 韓曉成. 智能洗車控制系統設計與研究［D］. 沈陽：東北大學，2011.

＊ ［3］ 邵鴻翔，徐曉輝. 基于PLC的自助式洗車房設計［J］. 自動化技術與應用，2011，30（10）： 87-90，99.

＊ ［4］ 黃軍友. 基于PLC和組態的車輛清洗系統設計［J］. 自動化技術與應用，2014（4）： 40-46.

＊ ［5］ 蔡鍔. 基于虛擬儀器的汽車行駛工況記錄分析系統［J］. 實驗室研究與探索，2015（6）： 112-115.

＊ ［6］ 王曉丹，孟令軍，文波，張曉春等. 基于K型熱電偶的高精度測溫裝置設計［J］. 自動化與儀表，2014，29（11）： 12-15.

河北省高等學校科學技術研究青年基金項目QN2015326；河北省高等學校科學技術研究自籌基金項目Z2015059；石家莊郵電職業技術學院科研項目YB201405