林關(guān)成

（渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院 渭南 714099）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家轎車擁有量不斷增長(zhǎng)，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，截止到目前，國(guó)民的私家轎車擁有量達(dá)到了16593.52萬(wàn)輛。普通的停車場(chǎng)很難滿足人們的停車需求，各地建設(shè)了大量的地下車庫(kù)，但是現(xiàn)有的大部分車庫(kù)通常只在出入口進(jìn)行簡(jiǎn)單的收費(fèi)管理，而無(wú)法對(duì)車庫(kù)的車位余量等信息進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并實(shí)時(shí)更新顯示［1～2］。部分車庫(kù)采用專門的計(jì)數(shù)器，通過(guò)外圍傳感器電路監(jiān)測(cè)采集車輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)鎖存器去除干擾的雜波，再傳遞給計(jì)數(shù)器進(jìn)行車輛統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，最后通過(guò)譯碼器和顯示電路給出車位余量的具體數(shù)值，雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)的抗干擾能力和可擴(kuò)展性都比較差［3～4］。

針對(duì)上述車庫(kù)管理缺陷，本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為控制核心［5～7］，利用紅外對(duì)射傳感器、單片機(jī)對(duì)通過(guò)出入口車輛的信息進(jìn)行采集和處理，再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和信息顯示模塊控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成車庫(kù)門的開關(guān)，并且驅(qū)動(dòng)信息顯示模塊將相關(guān)的車位余量信息以及車庫(kù)是否飽和等狀態(tài)對(duì)外顯示，提高監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫(kù)車位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于車庫(kù)管理，提升整個(gè)車庫(kù)的利用效率［8～9］。

2 車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并顯示剩余的車位數(shù)量；當(dāng)車庫(kù)剩余車位的數(shù)量不足時(shí)能夠自動(dòng)提示用戶；當(dāng)車輛進(jìn)出車庫(kù)時(shí)，車庫(kù)門能夠自動(dòng)開啟或者關(guān)閉。針對(duì)上述功能需求，系統(tǒng)使用單片機(jī)作為控制核心，采用紅外對(duì)射電路作為信號(hào)采集電路，當(dāng)有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外信號(hào)被阻擋，輸出電平由高變低，單片機(jī)根據(jù)接收到的電平變化，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。配合顯示驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED顯示車庫(kù)信息。

為了降低系統(tǒng)各部分之間的干擾，便于其他電路的擴(kuò)展，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為傳感器監(jiān)測(cè)模塊、單片機(jī)模塊、信息顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源供電模塊等五個(gè)獨(dú)立的模塊。傳感器模塊分為出口監(jiān)測(cè)模塊和入口監(jiān)測(cè)模塊，兩個(gè)子模塊同時(shí)工作，用于采集通過(guò)出入口車輛的信息，并傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理；單片機(jī)模塊用以控制和處理采集的信號(hào)，根據(jù)處理結(jié)果控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成車庫(kù)門的開關(guān)，并且驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示模塊；信息顯示模塊將相關(guān)的車位余量信息以及車庫(kù)是否飽和等狀態(tài)對(duì)外顯示；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)單片機(jī)的指令控制車庫(kù)門的開關(guān)；電源供電模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定供電的電源。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇STC89C52單片機(jī)作為中央控制器，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機(jī)（最小系統(tǒng)）基礎(chǔ)電路、出入口的傳感器監(jiān)測(cè)電路、電源供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)信息顯示電路五個(gè)部分組成。

3.1 單片機(jī)（最小系統(tǒng)）基礎(chǔ)電路

單片機(jī)（最小系統(tǒng)）基礎(chǔ)電路一般包含單片機(jī)主體電源電路、晶振電路和按鍵復(fù)位電路三個(gè)部分［10］。本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)使用+5V電源供電，在VCC與GND之間跨接0.1μF的瓷片電容和22μF的電解電容，前者用于過(guò)濾高頻干擾信號(hào)，后者用于防止電壓波動(dòng)過(guò)大。晶振電路主要為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，由片內(nèi)振蕩器、12M的外接晶振和47pF的微調(diào)電容構(gòu)成［11］。復(fù)位電路采用上電加手動(dòng)按鍵復(fù)位，利用電容的充放電效應(yīng)，配合手動(dòng)按鍵，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接收高電平信號(hào)復(fù)位。

3.2 傳感器監(jiān)測(cè)電路

本設(shè)計(jì)使用由紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置構(gòu)成的監(jiān)測(cè)電路。通過(guò)紅外發(fā)射裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外光信號(hào)發(fā)射出去，紅外接收裝置再將接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給單片機(jī)［12］，單片機(jī)通過(guò)電平的變化感知有無(wú)車輛通過(guò)。設(shè)計(jì)中紅外發(fā)射裝置采用直徑5mm、波長(zhǎng)940nm紅外發(fā)光二極管作為紅外發(fā)射管，其在正向電流下工作，工作電壓為3.0V～3.2V，工作電流為5mA～20mA；紅外接收裝置由具有紅外光敏感特征的紅外接收管、LM393雙電壓比較器和接收信號(hào)指示燈組成，紅外接收管處于反向工作狀態(tài)［13］。

3.3 電源供電電路

本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行供電，整個(gè)集成穩(wěn)壓直流電源包含電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分。其中電源變壓器采用220V～12V的變壓器，整流電路采用4支1N4007整流二極管連接構(gòu)成整流橋，濾波電路采用2個(gè)470μF的大容量電容組成，穩(wěn)壓電路使用LM7805三端集成穩(wěn)壓器，輸入電壓7V～35V，輸出直流電壓+5V，輸出電流最大1A，內(nèi)部含有過(guò)載保護(hù)和過(guò)流保護(hù)電路。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為控制電機(jī)［14～15］，用來(lái)開啟或關(guān)閉車庫(kù)門。步進(jìn)減速電機(jī)為4相5線制，驅(qū)動(dòng)電壓+5V，減速比為1：64，步進(jìn)角為5.625/64°，啟動(dòng)頻率P.P.S≥550（每秒脈沖數(shù)）。同時(shí)，由于單片機(jī)I/O口輸出的電流過(guò)小無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要使用7路反向器電路ULN2003A用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.5 狀態(tài)信息顯示電路

狀態(tài)信息顯示電路中車位剩余數(shù)量信息采用兩個(gè)LED數(shù)碼管顯示，本設(shè)計(jì)采用八段兩位式共陰極數(shù)碼管，其所有數(shù)碼管的陽(yáng)極并聯(lián)在一起，陰極公共端通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的I/O口控制。同時(shí)，由于單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，需要使用八位三態(tài)鎖存器74HC573用于驅(qū)動(dòng)八段兩位式共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。車位是否有余量的狀態(tài)信息采用一紅一綠兩個(gè)發(fā)光LED顯示，其中綠色LED作為車庫(kù)未飽和狀態(tài)指示燈，紅色LED作為車庫(kù)飽和狀態(tài)指示燈，LED的工作電壓為2V，工作電流為15mA。

4 車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先將車位余量設(shè)置為一個(gè)全局變量，并初始化其值，同時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管外圍電路顯示車庫(kù)的初始車位余量。然后，單片機(jī)中斷開啟，并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。當(dāng)出入口監(jiān)測(cè)裝置的外部終端接收到電平跳變信號(hào)后，即進(jìn)入中斷子程序，對(duì)車庫(kù)車位余量進(jìn)行相應(yīng)的增加或減少操作，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管更新顯示操作變化后的剩余車位數(shù)量，同時(shí)控制電機(jī)開關(guān)車庫(kù)門。本設(shè)計(jì)將出口監(jiān)測(cè)電路的輸出信號(hào)接在單片機(jī)的外部中斷0端口，入口監(jiān)測(cè)電路的輸出信號(hào)接在單片機(jī)的外部中斷1端口。主程序工作流程如圖2所示。

圖2 主程序工作流程圖

4.2 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)

出口監(jiān)測(cè)的紅外接收電路OUT端口接單片機(jī)外部中斷INT0和P1.0，設(shè)置外部中斷下降沿觸發(fā)方式（IT0=1）。當(dāng)有車輛通過(guò)時(shí)，OUT引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，信?hào)電平跳變產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)出口中斷程序。單片機(jī)檢測(cè)標(biāo)志位P1.0狀態(tài)，如果標(biāo)志位P1.0為0，那么車位剩余數(shù)量加1，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)打開車庫(kù)門，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)外圍狀態(tài)信息顯示電路更新車位余量信息。同理，入口監(jiān)測(cè)的紅外接收電路OUT端口接單片機(jī)外部中斷INT1和P1.1，設(shè)置外部中斷下降沿觸發(fā)方式（IT0=1）。當(dāng)有車輛通過(guò)時(shí)，OUT引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，信?hào)電平跳變產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)入口中斷程序。單片機(jī)檢測(cè)標(biāo)志位P1.1狀態(tài)，如果標(biāo)志位P1.1為0，那么車位剩余數(shù)量減1，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉車庫(kù)門，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)外圍狀態(tài)信息顯示電路更新車位余量信息。

4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的步進(jìn)電機(jī)工作方式為四相八拍［16］，其順時(shí)針八拍工作模式為：A-AB-B-BC-C-CDD-DA-A；逆時(shí)針八拍工作模式為：A-AD-D-DCC-CB-B-BA-A，其控制模式順序如表1所示。單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳入相應(yīng)的電平信號(hào)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)開啟車庫(kù)門，然后保持當(dāng)前狀態(tài)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)志位的值發(fā)生變化后，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)關(guān)閉車庫(kù)門。電機(jī)控制程序流程如圖3所示。

表1 四相八拍控制模式順序表

圖3 電機(jī)控制程序流程圖

5 車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能測(cè)試及分析調(diào)試

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和可靠性，先將所用元器件按照設(shè)計(jì)方案在布線圖擺放，并逐一焊接，檢查多功能板上各引腳焊接情況，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)電氣錯(cuò)誤后通電并開始加載和調(diào)試程序。通過(guò)keil μVision4軟件開發(fā)平臺(tái)編寫系統(tǒng)主程序、出入口系統(tǒng)中斷程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，并編譯程序生成。hex文件，利用STC-ICP軟件將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)后，加電初始化，觀察顯示屏結(jié)果，正常后即可開始測(cè)試工作。分別測(cè)試傳感器監(jiān)測(cè)電路、電源供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)信息顯示電路的電氣特性和功能特性。重點(diǎn)分析和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)車庫(kù)出入口傳感器傳入數(shù)據(jù)的延時(shí)去抖和狀態(tài)顯示更新等信號(hào)處理功能和對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功能。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合紅外發(fā)射與接收裝置，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)信息顯示電路，實(shí)現(xiàn)了車庫(kù)的自動(dòng)監(jiān)控功能。系統(tǒng)整體抗干擾能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好，可擴(kuò)展性較好，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)原理。通過(guò)功能測(cè)試與分析調(diào)試，車庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)接收到的電平變化自動(dòng)開啟或者關(guān)閉車庫(kù)門，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和顯示更新車庫(kù)的狀態(tài)信息，具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。