樊國(guó)秋，黃 晨，羅琴娟

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而停車位缺少，停車費(fèi)用高等問(wèn)題隨之而來(lái)，進(jìn)而導(dǎo)致城市交通擁堵，秩序混亂，給人民的生活帶來(lái)極大的不便，停車難成為城市發(fā)展的一大痛點(diǎn)[1]。立體車庫(kù)作為一種新型的停車形式，具有節(jié)省占地面積、節(jié)約投資、出入庫(kù)管理方便、省時(shí)省力、能有效保障車輛安全以及配置靈活的特點(diǎn)，成為有效改善城市靜態(tài)交通的必然選擇[2-3]。筆者以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，運(yùn)用霍爾式接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)對(duì)停車位的序號(hào)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種集六個(gè)停車位于一體的立體車庫(kù)模型。通過(guò)按鍵輸入用戶指令，由單片機(jī)控制直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使目標(biāo)車位在最短時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)至車輛出入口[4]，實(shí)現(xiàn)了車輛自動(dòng)存取的功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 立體車庫(kù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

垂直循環(huán)式立體車庫(kù)系統(tǒng)以模塊化的設(shè)計(jì)思路為主導(dǎo)，主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、供電電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器檢測(cè)模塊、按鍵模塊、顯示模塊等[5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 垂直循環(huán)式立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)框圖

用戶通過(guò)按鍵輸入存取車指令信息[6]，單片機(jī)控制系統(tǒng)獲取該信息，并根據(jù)安裝于車輛進(jìn)出口的3個(gè)霍爾式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到由永久磁鐵編碼的車位序號(hào)，通過(guò)當(dāng)前車位序號(hào)得到目標(biāo)車位所在位置[7]，判斷得出目標(biāo)車位旋轉(zhuǎn)至車輛出入口的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)路徑并控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由LCD顯示存取車動(dòng)態(tài)信息，由狀態(tài)指示燈顯示設(shè)備的運(yùn)行與停止，當(dāng)霍爾式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到目標(biāo)車位序號(hào)時(shí)，表示目標(biāo)車位已運(yùn)轉(zhuǎn)至車輛出入口，單片機(jī)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而完成存取車操作。

垂直循環(huán)式立體車庫(kù)的模型結(jié)構(gòu)[8]如圖2所示。

圖2 垂直循環(huán)式立體車庫(kù)模型結(jié)構(gòu)

1.2 立體車庫(kù)工作原理

STC12C5A60S2單片機(jī)上電之后系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖3。系統(tǒng)上電初始化完成后，進(jìn)入等待按鍵狀態(tài)，此時(shí)立體車庫(kù)狀態(tài)指示燈紅燈亮，警示用戶勿近，單片機(jī)通過(guò)LCD顯示時(shí)間和操作信息，指導(dǎo)用戶使用設(shè)備。

圖3 垂直循環(huán)式立體車庫(kù)工作原理圖

當(dāng)用戶按下存車鍵時(shí)，單片機(jī)調(diào)用存車控制處理函數(shù)，自動(dòng)為用戶尋找最近空車位，并通過(guò)LCD顯示“車位尋找中，請(qǐng)稍候…”，待空車位運(yùn)轉(zhuǎn)至車輛出入口后，光電開(kāi)關(guān)再次對(duì)目標(biāo)車位的無(wú)車狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)為空車位后，由LCD顯示信息“已找到空車位，車位序號(hào)為X(X對(duì)應(yīng)6個(gè)車位序號(hào)1～6)，請(qǐng)記住您的車位號(hào)”，狀態(tài)指示燈綠燈亮，示意用戶可進(jìn)行停車操作，之后，單片機(jī)將此車位標(biāo)記為“1”，并記錄停車時(shí)間，開(kāi)始停車計(jì)費(fèi)，LCD顯示屏返回主界面。若系統(tǒng)已無(wú)空車位，則通過(guò)LCD顯示“車位已滿”。

當(dāng)用戶按下1～6任意數(shù)字鍵時(shí)，表示用戶要進(jìn)行取車操作，取車的車位號(hào)即對(duì)應(yīng)用戶按下按鍵的數(shù)字序號(hào)，單片機(jī)通過(guò)LCD向用戶顯示停車時(shí)長(zhǎng)及停車費(fèi)用等信息，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)將目標(biāo)車位旋轉(zhuǎn)至車輛出入口，到位后通過(guò)LCD顯示信息“已取到X號(hào)車位汽車，歡迎下次使用”，狀態(tài)指示燈綠燈亮，示意用戶可進(jìn)行取車操作，之后，單片機(jī)將該車位序號(hào)狀態(tài)置為“0”，LCD顯示屏返回主界面。若按下數(shù)字鍵為空車位，則通過(guò)LCD顯示“該車位為空，請(qǐng)重新輸入！”。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件電路如圖4所示。

圖4 STC12C5A60S2單片機(jī)硬件電路

2.1 STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

垂直循環(huán)式立體車庫(kù)采用STC12C5A60S2單片機(jī)來(lái)控制各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。立體車庫(kù)有存取車功能、車位檢測(cè)功能、控制電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速功能、顯示停車時(shí)長(zhǎng)及立體車庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)功能等[9]，利用STC12C5A60S2單片機(jī)高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC12C5A60S2為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活有效的解決方案[10]。STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

2.2 供電電源模塊

垂直循環(huán)式立體車庫(kù)模型由兩路電源供電：一是供給直流減速電機(jī)，二是供給STC12C5A60S2單片機(jī)。直流減速電機(jī)工作電壓為24 V，采用型號(hào)為QZ-120-24的開(kāi)關(guān)電源，該設(shè)備可將交流輸入110/220 V轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出24 V,電流輸出5 A，在本設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)電源用于對(duì)直流減速電機(jī)供電。單片機(jī)工作電壓為3.5～5.5 V，采用USB接口的外接電源。此外，為保證液晶顯示屏?xí)r鐘的準(zhǔn)確性，使用3 V的紐扣電池單獨(dú)為時(shí)鐘供電。

圖5 STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)中直流減速電機(jī)基于LMD18200芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，LMD18200芯片原理圖如圖6所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用了1路PWM，即采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式，該P(yáng)WM信號(hào)中既包含方向信息又包含幅值信息，將該信號(hào)加于方向輸入端(腳3)，同時(shí)將PWM信號(hào)輸入端置邏輯高電平[11]。使用時(shí)，根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來(lái)決定直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，當(dāng)占空比為50%時(shí)，輸出平均電壓為0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；大于50%時(shí)，輸出平均電壓大于0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；小于50%時(shí)，輸出平均電壓小于0，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)[12]。輸出電流通過(guò)8腳與地之間的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖6 LMD18200原理圖

2.4 傳感器檢測(cè)模塊

車位檢測(cè)器由3個(gè)霍爾式接近開(kāi)關(guān)和1個(gè)光電開(kāi)關(guān)組成?；魻柺浇咏_(kāi)關(guān)為L(zhǎng)J12A3-4-Z/BX的電感式接近開(kāi)關(guān)，輸出方式直流三線常開(kāi)NPN，工作電壓為直流6～36 V，根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)有磁鐵接近并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，振蕩器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在磁鐵內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致震蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式檢測(cè)目的[13]。光電開(kāi)關(guān)的型號(hào)為E3F-R2NK，輸出形式為直流三線常開(kāi)NPN，工作電壓為直流10～36 V，檢測(cè)方式為鏡面反射型。首先將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[14]。

2.5 按鍵模塊

按鍵模塊原理圖如圖7。行線KEYLINE1和KEYLINE2為輸出線，列線KEYCOL1～KEYCOL4為輸入線，一開(kāi)始單片機(jī)將行線全部輸出低電平，此時(shí)讀入列線數(shù)據(jù)，若列線全為高電平則沒(méi)有按鍵按下，當(dāng)列線出現(xiàn)低電平時(shí)調(diào)用延時(shí)程序去除按鍵抖動(dòng)，延時(shí)后再判斷是否有低電平，如果此時(shí)讀入列線數(shù)據(jù)還是有低電平，則說(shuō)明有鍵按下。判斷列線有鍵按下后，行線輪流輸出低電平，根據(jù)讀入列線的數(shù)據(jù)可以確定鍵值。確定好鍵值后，即可調(diào)用對(duì)應(yīng)的鍵處理程序。在立體車庫(kù)模型中，將KEY11置為存車鍵，KEY12～KEY17對(duì)應(yīng)取車車位編號(hào)1～6，KEY18預(yù)留備用。

圖7 按鍵模塊原理圖

2.6 顯示模塊

顯示模塊由發(fā)光二極管和液晶顯示屏組成，液晶顯示屏原理圖如圖8。發(fā)光二極管有紅、綠兩個(gè)，用于顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。液晶顯示屏有時(shí)間顯示、用戶操作指導(dǎo)、設(shè)備運(yùn)行流程互動(dòng)、停車時(shí)長(zhǎng)及停車費(fèi)用顯示等功能。利用STC12C5A60S2系列單片機(jī)的I/O口可設(shè)置成弱上拉，強(qiáng)推挽輸出，僅為輸入，開(kāi)漏四種模式的特性，當(dāng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管時(shí)，將該I/O口可設(shè)置成強(qiáng)推挽輸出，輸出高即可點(diǎn)亮發(fā)光二極管；當(dāng)檢測(cè)按鍵時(shí)，將該I/O口可設(shè)置成弱上拉輸入，即可檢測(cè)按鍵。而要利用STC12C5A60S2系列單片機(jī)的I/O口直接驅(qū)動(dòng)LCD，還需要液晶顯示底層函數(shù)加以輔助[15]。

圖8 液晶顯示屏原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖9所示。上電后初始化，配置好相關(guān)寄存器，進(jìn)入等待按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，依據(jù)不同鍵值調(diào)用不同的鍵處理函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)存取車的功能。

4 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)上電后程序運(yùn)行燈亮，程序運(yùn)行正常，LCD顯示時(shí)間與信息準(zhǔn)確；按下任意存車鍵或取車鍵，傳感器檢測(cè)車位序號(hào)與狀態(tài)功能正常，單片機(jī)能正確控制直流減速電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行與停止，LCD與狀態(tài)燈提示信息正確；停車時(shí)長(zhǎng)及費(fèi)用計(jì)算準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行良好，設(shè)備安全可靠，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)快捷高效，能夠滿足用戶實(shí)際的存取車需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用模塊化的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了垂直循環(huán)式立體車庫(kù)存取車功能，具有安全可靠，快捷簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，解決了在土地資源緊張的情況下停車難的問(wèn)題，對(duì)舒緩交通壓力，改善城市宜居性等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。立體車庫(kù)作為嶄新的停車方式，前景廣闊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作安裝技術(shù)亟待出臺(tái)相關(guān)規(guī)范進(jìn)一步完善，使其得以推廣與發(fā)展。