基于单片机的垂直升降式车库人机系统设计*

武 乡

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

随着经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，城市居民私有车辆的拥有量也在不断增加，尤其是城市私家车的保有量以惊人的速度上涨［1］。由于我国停车行业起步较晚，车位数量远远赶不上汽车保有量，由此引发了一系列社会问题。如乱停车、占用公共道路、产生消防隐患、车辆失盗问题等。机械式立体车库是解决停车难问题的有效途径之一［2］。垂直升降式立体车库包括结构框架、执行机构、基于单片机的人机交互系统、PLC控制系统、计算机监控系统。笔者主要研究基于单片机的人机交互系统。

2 立体车库的工作原理

本车库的停车位置是两侧对称排列的，每侧为三层六列分布，共36个车位，根据需要可扩展。车库的所有车位均可停车，只需在动力输出设备的带动下垂直升降移动对应载车板，这样既提高了空间资源利用率，也节省了能耗和开发成本，经济环保，快捷实用。车辆出入车库的工作流程如图1所示。

3 系统硬件电路设计

人机交互系统主要是由微控制器80C320及外围的扩展模块组成。扩展模块包括液晶显示模块、读卡器模块、语音模块、485通信模块、数据存储模块等。人机交互系统整体结构如图2所示。

图1 出、入库流程图

3.1 系统硬件芯片选型

立体车库人机交互系统控制芯片采用Dallas公司的新型高速处理器80C320，该芯片与MCS－51系列单片机相比，具有更优良的性能和更强大的功能。80C320单片机机器周期较短，2个全双工异步串行口等特点完全满足本次设计需求。程序存储器(ROM)选用芯片 27C512［3］。

图2 人机交互系统结构图

读卡器将采用非接触式IC读卡器WM－02SB。该读卡器体积小，自带天线，能够方便地与控制芯片结合使用，只需通过RS485芯片与单片机相连，发送命令即可对卡片进行操作。

语音模块选用上海奔流电子有限公司开发的新型多段语音录放板BMP5008。本次设计选用BMP 5008－32 M的芯片。该芯片可以通过外挂不同容量的FLASHRAM，获得从30 s～32 min的录音容量并且录音信息掉电后不丢失。

液晶显示模块(LCD)采用拓普微科技开发有限公司工业级的TFT液晶显示器LMT057DANFWUBBN及其配备的控制板。控制芯片可采用并行接口控制LCD显示器，电路简单可靠，只需发送相应命令便可控制显示内容。

3.2 硬件原理图设计

单片机和外围扩展模块的接口电路图如图3所示。

图3 硬件电路原理接口图

80C320与WM－02SB读卡器采用RS485通信方式。WM－02SB需4条线控制。一条用来给读卡器供电，其他三条用来传输命令和数据。80C320的串口1通过485总线转换器MAX485转换成RS485通讯，这样不仅能延长通讯距离也能降低电磁干扰。80C320与语音模块通过总线方式控制。由于80C320的I/O有限，所以使用芯片8155扩展I/O口，将语音模块的六条控制线与8155的PB口相连即可控制语音模块。

8155的PB口工作在主机模式，是命令传输的主控制方。语音模块工作在从机模式。微控制器通过控制8155完成控制语音提示功能。80C320通过并口线与LCD模块外配的控制板连接，微控制器只需发送显示指令LCD便可实时显示。80C320通过两条线与I2C相连，P3.6和P3.7分别与芯片AT24C02的SCL和SDA相连，按照AT24C02的工作时序完成读写功能，避免了单片机系统断电后存储数据的丢失。80C320采用RS485通讯方式，微控制器的串口0通过转换器MAX485实现电平转换。信号通过74HC04取反芯片后，传输给光耦隔离6N137，然后传送给MAX485转换成差分AB信号，AB总线上接1个120Ω匹配电阻和2个偏置电阻，以减少信号反射的降低。EMI.在AB总线上各接1个20 Ω电阻和稳压二极管，以防止浪涌对485芯片的损坏［4］。

4 系统软件设计

系统软件包括主程序、语音控制程序、液晶显示程序与PLC通信程序等。主程序主要包括初始化程序、RAM内容更新程序等。软件编程采用模块化思想。利用子函数分别实现系统的初始化、显示、语音播放、读取卡号等功能。存车流程图如图4所示，取车流程与此相似。

图4 存车流程图

微控制器采用异步串行通讯方式。微控制器串行通信方式以字符为单位，即一个字符一个字符的传送。S7－200PLC采用自由口与车库人机交互系统进行数据交换［5］，通信协议如下:

微控制器为上位机，PLC为下位机，双方的波特率为9600bit/s无校验位，8位数据位，一位停止位，收发数据采用中断方式。

通讯串口初始化程序如下:

void InitCom(void)

{SCON0=0x50;//串口方式1，允许接收

TMOD=0x20;//定时器1定时方式2

TH1=0xFA;

TL1=0xFA;//波特率为4800 kpb/s

PCON=0x80;//波特率加倍控制

RI=0;TI=0;//清收发标志

TR1=1;//启动定时器

}

帧头为固定字符0X4B，表示单片机与PLC开始传送数据，为通信数据流的第一个字符;Keyword为关键字，0X07表示存车，0X08表示取车，0X09表示复位;车位号表示车位地址;帧尾为固定字符0X4A，表示单片机与 PLC传送数据结束;CRC:异或校验［6－7］。

5 系统调试与结果分析

垂直升降式立体车库人机交互系统目前已完成初步设计，经单机调试和联机后，运行状况良好。调试方法如下:①人机交互系统单机调试:利用串口调试工具读取COM1口的数据，同时模拟下位机与人机交互通信进行测试。实验表明，可实现系统功能要求;②系统连调:单片机 COM0口与 S7－200PLC Port1连接，按照通信指令格式，发送相应的指令实现系统连调。图5为存车时LCD显示界面。

图5 存车界面

根据调试结果分析，该设计满足垂直升降式立体车库要求，具有结构简单、成本低、操作方便等优点。为解决小区停车问题提供了可参考的思路和方法。

［1］胡清明.立体车库的结构优化与智能控制［D］.广州:华南理工大学，2010.

［2］齐风升.应用立体车库解决城市住宅小区停车问题［J］.职业，2012(8):171－172.

［3］蒋兆远，卫晓娟.新型高速单片机原理及其应用系统设计［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［4］孙少玉.立体车库的刷卡通讯系统设计与实现［J］.铁路计算机应用，2009(4):53－55.

［5］孟建军，应倩刚，祁文哲.基于S7－200PLC应用环境的单片语音系统的开发［J］.铁道科学与工程学报，2009，6(2):87 －91.

［6］胥如迅.基于人机工程学的人机交互系统研究及应用［D］:兰州:兰州交通大学，2012.

［7］杨志刚，钱俊磊.西门子S7－200系列PLC与单片机之间的自由口通信［J］.河北理工学院学报，2005(11):77－80.