作者 / 吳蓬勃、楊斐、鄭玉紅，石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系

?

基于STM32+CPLD的社區(qū)智能自助洗車機(jī)設(shè)計

作者 / 吳蓬勃、楊斐、鄭玉紅，石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系

根據(jù)社區(qū)居民的洗車需求，結(jié)合社區(qū)的實際情況以及洗車的工作流程，設(shè)計了一種社區(qū)智能自助洗車機(jī)。系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要進(jìn)行了自助洗車機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；基于STM32實現(xiàn)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(shè)計；基于CPLD實現(xiàn)了實現(xiàn)多路開關(guān)量的采集以及多路外設(shè)的控制設(shè)計。軟件部分著重對刷卡方式自助洗車的工作流程進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)具備車輛智能檢測與引導(dǎo)、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(yōu)點。從而滿足了社區(qū)居民的快速自助洗車需求。

社區(qū)；自助洗車機(jī)；STM32；CPLD

引言

近幾年，隨著家庭轎車的普及，汽車數(shù)量的快速增長，相應(yīng)的汽車“后產(chǎn)業(yè)”—洗車業(yè)也如雨后春筍般不斷壯大［1］。而與之對應(yīng)的洗車店數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)洗車成本高，不能根據(jù)車輛的污跡情況做有選擇的清洗，水資源浪費嚴(yán)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(jī)也就應(yīng)運而生。在社區(qū)中配備自助洗車機(jī)，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(jié)合社區(qū)的居民的實際洗車需求，基于洗車工作流程，設(shè)計了一款可自動感應(yīng)車輛、具備語音引導(dǎo)和場地照明功能、可實現(xiàn)多種方式支付、可全方位洗車、可遠(yuǎn)程管理、可長時間工作的社區(qū)智能自助洗車機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1. 系統(tǒng)總體規(guī)劃

如圖1所示，本系統(tǒng)主要包括：智能自助洗車機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器兩部分，兩者通過3G網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻傳輸與控制管理。

按照洗車的流程，車輛進(jìn)入洗車機(jī)后，車輛感應(yīng)系統(tǒng)自動感應(yīng)到車輛的到來；如果環(huán)境較暗，則場地照明自動開啟；語音引導(dǎo)車主開啟洗車流程。車主可通過刷卡、投幣或者網(wǎng)絡(luò)支付的方式付費，然后按照語音提示進(jìn)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(shè)計

■2.1 洗車機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 洗車機(jī)結(jié)構(gòu)圖

洗車機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示［3-4］。洗車機(jī)內(nèi)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(nèi)部均配有液位檢測傳感器，當(dāng)液位低時，系統(tǒng)控制電磁閥從供水管或泡沫、蠟的儲液罐中向箱內(nèi)補(bǔ)充液體，當(dāng)液位超限時，停止加載液體，從而實現(xiàn)洗車機(jī)長時間免加液工作。水、泡沫和蠟的用量通過4路流量計進(jìn)行測量，液體的輸出通過4路電磁閥進(jìn)行控制，水與泡沫原漿、蠟原漿的混合比例由比例閥進(jìn)行控制。高壓泵實現(xiàn)高壓水輸出、高壓泡沫輸出。低壓泵實現(xiàn)低壓水蠟的輸出。

溫度探測器實時監(jiān)測洗車機(jī)內(nèi)部溫度，為防止冬季液體結(jié)冰，如果溫度低于設(shè)定值，系統(tǒng)將啟動加熱帶；如果溫度高于設(shè)定值，系統(tǒng)將啟動半導(dǎo)體制冷空調(diào)。同時洗車機(jī)設(shè)置有箱門檢測傳感器，系統(tǒng)會記錄箱門開啟和關(guān)閉時間，以實現(xiàn)對維護(hù)人員的監(jiān)督。

洗車機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)STM32部分

■2.2 洗車機(jī)電子控制部分硬件設(shè)計

由于洗車機(jī)需要檢測和控制的外設(shè)非常多，所以洗車機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)控制系統(tǒng)STM32部分

洗車機(jī)控制系統(tǒng)STM32部分如圖3所示。主要包括：左側(cè)的人機(jī)接口部分、上側(cè)的通訊部分和右側(cè)的設(shè)備控制與監(jiān)測部分。左側(cè)的人機(jī)接口部分主要包括：數(shù)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(cè)通訊部分主要實現(xiàn)：與遠(yuǎn)端服務(wù)器的3G通訊和與電能表的有線通訊，從而實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制和設(shè)備耗電量的自動采集。右側(cè)的設(shè)備控制與監(jiān)測部分主要實現(xiàn)：供水管水壓檢測、高壓泵工作狀態(tài)檢測、箱體內(nèi)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(nèi)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(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)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(xiàn)，ADS1118與STM32間通過SPI接口進(jìn)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(tǒng)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(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出。電流信號經(jīng)過信號處理電路（如圖4），將4～20mA電流轉(zhuǎn)換為0.6～3.0V以內(nèi)的電壓信號送到STM32的AD接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)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(wǎng)電流向量轉(zhuǎn)換為6mA電流信號輸出。經(jīng)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)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(tǒng)使用了溫度范圍廣、堅固耐用、響應(yīng)速度快的K型熱電偶進(jìn)行溫度測量。

本系統(tǒng)采用了TI公司的測溫專用ADC芯片ADS1118，它內(nèi)部集成了一個電壓基準(zhǔn)、復(fù)用器和溫度傳感器；與參考文獻(xiàn)［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(jìn)行測量（ADS1148可采集4路），但其內(nèi)部集成了溫度傳感器，可實現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償，無需外置冷端溫度補(bǔ)償溫度傳感器（如MAX6627），集成度更高；無需設(shè)計參考端電路，連線更少，可靠性更高。本系統(tǒng)共使用了兩路ADS1118實現(xiàn)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(jī)控制系統(tǒng)CPLD部分

CPLD部分（如圖7所示）主要實現(xiàn)多路開關(guān)量的采集以及多路外設(shè)的控制。

圖7 洗車機(jī)控制系統(tǒng)CPLD部分

開關(guān)量包括：9路液位檢測、箱門開關(guān)檢測、車輛檢測器、2路高壓泵壓力探頭，共計13路開關(guān)量。這些開關(guān)量信號在CPLD內(nèi)部的進(jìn)行邏輯運算，如果有信號發(fā)生變化，則CPLD向STM32中斷引腳發(fā)送信號，同時將信號路數(shù)編號通過并行總線發(fā)送到STM32，從而實現(xiàn)對多路開關(guān)量的檢測。需控制的外設(shè)包括：220V水蠟泵、高壓泵和洗車場地?zé)舻目刂疲?4V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(tǒng)設(shè)計

軟件部分主要包括服務(wù)器管理軟件、智能自助洗車機(jī)系統(tǒng)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(jìn)行介紹。

為不影響社區(qū)中居民休息，自助洗車機(jī)設(shè)置有洗車休息時間段，在休息時間段內(nèi)，自助洗車機(jī)不工作。同時，自助洗車機(jī)除了可以洗車，還可以為小區(qū)居民提供生活用品沖洗服務(wù)。

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

是否有車輛，若沒有車輛，則進(jìn)入洗其它物品模式；否則進(jìn)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(jù)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(jié)束本次洗車操作。如果車主在刷卡后，未進(jìn)行洗車并且超過設(shè)定時間，則系統(tǒng)發(fā)出操作超時語音提醒，若之后仍無洗車動作，則系統(tǒng)自動關(guān)閉，結(jié)束服務(wù)，以防止客戶資金流失。

4. 總結(jié)

本文根據(jù)社區(qū)居民的洗車需求，結(jié)合社區(qū)的實際情況以及洗車的工作流程，設(shè)計了一種智能自助洗車機(jī)。實現(xiàn)了對車輛的智能檢測與引導(dǎo)、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(shè)備的遠(yuǎn)程智能管理與控制。

在方便社區(qū)居民洗車的同時，設(shè)置了休息時間段，以免打擾附近居民的生活起居；另外還設(shè)置了無車輛工作模式，社區(qū)居民可根據(jù)生活需要沖洗自己的物品。不僅滿足了社區(qū)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(qū)的快速發(fā)展。

＊ ［1］ 潘曉陽. 基于人機(jī)工程學(xué)的社區(qū)自助洗車機(jī)設(shè)計［D］. 太原：太原理工大學(xué)，2015.

＊ ［2］ 韓曉成. 智能洗車控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］. 沈陽：東北大學(xué)，2011.

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

＊ ［4］ 黃軍友. 基于PLC和組態(tài)的車輛清洗系統(tǒng)設(shè)計［J］. 自動化技術(shù)與應(yīng)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(tǒng)［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(shè)計［J］. 自動化與儀表，2014，29（11）： 12-15.

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項目QN2015326；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究自籌基金項目Z2015059；石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目YB201405