武 鄉(xiāng)

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)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(guó)停車行業(yè)起步較晚，車位數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上汽車保有量，由此引發(fā)了一系列社會(huì)問(wèn)題。如亂停車、占用公共道路、產(chǎn)生消防隱患、車輛失盜問(wèn)題等。機(jī)械式立體車庫(kù)是解決停車難問(wèn)題的有效途徑之一［2］。垂直升降式立體車庫(kù)包括結(jié)構(gòu)框架、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基于單片機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。筆者主要研究基于單片機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)。

2 立體車庫(kù)的工作原理

本車庫(kù)的停車位置是兩側(cè)對(duì)稱排列的，每側(cè)為三層六列分布，共36個(gè)車位，根據(jù)需要可擴(kuò)展。車庫(kù)的所有車位均可停車，只需在動(dòng)力輸出設(shè)備的帶動(dòng)下垂直升降移動(dòng)對(duì)應(yīng)載車板，這樣既提高了空間資源利用率，也節(jié)省了能耗和開發(fā)成本，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，快捷實(shí)用。車輛出入車庫(kù)的工作流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)主要是由微控制器80C320及外圍的擴(kuò)展模塊組成。擴(kuò)展模塊包括液晶顯示模塊、讀卡器模塊、語(yǔ)音模塊、485通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。人機(jī)交互系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 出、入庫(kù)流程圖

3.1 系統(tǒng)硬件芯片選型

立體車庫(kù)人機(jī)交互系統(tǒng)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(jī)相比，具有更優(yōu)良的性能和更強(qiáng)大的功能。80C320單片機(jī)機(jī)器周期較短，2個(gè)全雙工異步串行口等特點(diǎn)完全滿足本次設(shè)計(jì)需求。程序存儲(chǔ)器(ROM)選用芯片 27C512［3］。

圖2 人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)合使用，只需通過(guò)RS485芯片與單片機(jī)相連，發(fā)送命令即可對(duì)卡片進(jìn)行操作。

語(yǔ)音模塊選用上海奔流電子有限公司開發(fā)的新型多段語(yǔ)音錄放板BMP5008。本次設(shè)計(jì)選用BMP 5008－32 M的芯片。該芯片可以通過(guò)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(fā)有限公司工業(yè)級(jí)的TFT液晶顯示器LMT057DANFWUBBN及其配備的控制板?？刂菩酒刹捎貌⑿薪涌诳刂芁CD顯示器，電路簡(jiǎn)單可靠，只需發(fā)送相應(yīng)命令便可控制顯示內(nèi)容。

3.2 硬件原理圖設(shè)計(jì)

單片機(jī)和外圍擴(kuò)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(lái)給讀卡器供電，其他三條用來(lái)傳輸命令和數(shù)據(jù)。80C320的串口1通過(guò)485總線轉(zhuǎn)換器MAX485轉(zhuǎn)換成RS485通訊，這樣不僅能延長(zhǎng)通訊距離也能降低電磁干擾。80C320與語(yǔ)音模塊通過(guò)總線方式控制。由于80C320的I/O有限，所以使用芯片8155擴(kuò)展I/O口，將語(yǔ)音模塊的六條控制線與8155的PB口相連即可控制語(yǔ)音模塊。

8155的PB口工作在主機(jī)模式，是命令傳輸?shù)闹骺刂品?。語(yǔ)音模塊工作在從機(jī)模式。微控制器通過(guò)控制8155完成控制語(yǔ)音提示功能。80C320通過(guò)并口線與LCD模塊外配的控制板連接，微控制器只需發(fā)送顯示指令LCD便可實(shí)時(shí)顯示。80C320通過(guò)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(shí)序完成讀寫功能，避免了單片機(jī)系統(tǒng)斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失。80C320采用RS485通訊方式，微控制器的串口0通過(guò)轉(zhuǎn)換器MAX485實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。信號(hào)通過(guò)74HC04取反芯片后，傳輸給光耦隔離6N137，然后傳送給MAX485轉(zhuǎn)換成差分AB信號(hào)，AB總線上接1個(gè)120Ω匹配電阻和2個(gè)偏置電阻，以減少信號(hào)反射的降低。EMI.在AB總線上各接1個(gè)20 Ω電阻和穩(wěn)壓二極管，以防止浪涌對(duì)485芯片的損壞［4］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、語(yǔ)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(nèi)容更新程序等。軟件編程采用模塊化思想。利用子函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、顯示、語(yǔ)音播放、讀取卡號(hào)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(gè)字符一個(gè)字符的傳送。S7－200PLC采用自由口與車庫(kù)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［5］，通信協(xié)議如下:

微控制器為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)，雙方的波特率為9600bit/s無(wú)校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位，收發(fā)數(shù)據(jù)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(shí)器1定時(shí)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(fā)標(biāo)志

TR1=1;//啟動(dòng)定時(shí)器

}

幀頭為固定字符0X4B，表示單片機(jī)與PLC開始傳送數(shù)據(jù)，為通信數(shù)據(jù)流的第一個(gè)字符;Keyword為關(guān)鍵字，0X07表示存車，0X08表示取車，0X09表示復(fù)位;車位號(hào)表示車位地址;幀尾為固定字符0X4A，表示單片機(jī)與 PLC傳送數(shù)據(jù)結(jié)束;CRC:異或校驗(yàn)［6－7］。

5 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

垂直升降式立體車庫(kù)人機(jī)交互系統(tǒng)目前已完成初步設(shè)計(jì)，經(jīng)單機(jī)調(diào)試和聯(lián)機(jī)后，運(yùn)行狀況良好。調(diào)試方法如下:①人機(jī)交互系統(tǒng)單機(jī)調(diào)試:利用串口調(diào)試工具讀取COM1口的數(shù)據(jù)，同時(shí)模擬下位機(jī)與人機(jī)交互通信進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求;②系統(tǒng)連調(diào):單片機(jī) COM0口與 S7－200PLC Port1連接，按照通信指令格式，發(fā)送相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連調(diào)。圖5為存車時(shí)LCD顯示界面。

圖5 存車界面

根據(jù)調(diào)試結(jié)果分析，該設(shè)計(jì)滿足垂直升降式立體車庫(kù)要求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。為解決小區(qū)停車問(wèn)題提供了可參考的思路和方法。

［1］胡清明.立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能控制［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010.

［2］齊風(fēng)升.應(yīng)用立體車庫(kù)解決城市住宅小區(qū)停車問(wèn)題［J］.職業(yè)，2012(8):171－172.

［3］蔣兆遠(yuǎn)，衛(wèi)曉娟.新型高速單片機(jī)原理及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［4］孫少玉.立體車庫(kù)的刷卡通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009(4):53－55.

［5］孟建軍，應(yīng)倩剛，祁文哲.基于S7－200PLC應(yīng)用環(huán)境的單片語(yǔ)音系統(tǒng)的開發(fā)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，6(2):87 －91.

［6］胥如迅.基于人機(jī)工程學(xué)的人機(jī)交互系統(tǒng)研究及應(yīng)用［D］:蘭州:蘭州交通大學(xué)，2012.

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