1、自动立体停车库控制系统设计方案自动立体停车库控制系统设计方案1 引 言近几年来，随着我国国民经济和汽车制造业的迅速发展，汽车保有量快速增长。、等大城市以每年15万辆的速度增加，而道路建设及停车位的建设远低于此。停车难所导致的占道停车、占用绿地停车，不仅使交通堵塞问题更加严重，而且涉及到投资环境和城市环境，日益引来各方人士的关注。如果停车难问题和交通拥挤问题得不道妥善解决，将同时影响了轿车进入家庭的步子，影响汽车制造业的迅速发展，影响国民经济的稳步持续发展。1997年，注册车辆40万辆，异地注册在行驶车辆12万辆，停车位仅4万多个，机动车保有量近140万辆，加上每天几十万辆进京车辆，而公共停车位
2、仅8万多个。市机动车辆保有量为90万辆，外地进市车辆10万辆，共100万辆，仅有停车位9万个。专家指出只有公共停车位置达到机动车辆总数的1525%左右，才能缓解停车难问题。进入21世纪以来，随着我国社会与经济的发展，轿车特别是私家轿车的生产量和社会保有量迅速增加。近几年来，我国私人购车占售车总量的比例大幅递增，到1999年己经达到了50%，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。2000到2002年实际汽车保有量分别为1608.91万、1802.04万和2053.17万辆，年平均增长率分别达到了10.73%、12%、13.94%。2003年汽车保有量达到2353万辆，比2002年增长14.
3、6%。以上事实说明，2004-2010年我国汽车保有量以及由此带动的汽车需求量将继续呈加速增长的趋势。随着汽车数量日益剧增，解决停车问题日益严重，尤其是居民小区、大型公共消费场所等，寸土如金，停车场向空间发展，己势在必行。根据有关市场调查，目前在大中型城市对立体车库的年需求量至少为10万个车位，但该类产品供应量很少，国只有30家左右企业的少量产品供应市场。外国的相关公司看好这一巨大的市场，目前有产品向中国出口，但是其价格高，使用成本与收费高，使国市场难以接受，限制了其推广使用。在我国，除、等特大城市外，沿海工业发达、人口密集的城市和地区也已经陆续开始安装和使用立体停车库，表现出强劲的市场需求。
4、立体车库的国外发展现状：立体车库在国外，尤其在日本已有近30至40年的历史，无论在技术上还是在经验上均己获得了成功。美、德、日、等国家的产品代表了国际的领先水平，国立体车库多为进口德国和国的产品。在西欧、东南亚、国和日本得到了广泛的应用，形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体系。我国于90年代初开始研究开发立体车库，距今己有20几年的历史。由于很多新建小区住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体车库以其平均单车占地面积小的特性，己被广大用户接受。立体车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性：首先，立体车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由
5、于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，如果采用双层立体车库，可以使地面的使用率提高80%-90%。例如采用地上多层立体车库，50平方米的地面积上便可存放10辆车，这可以大节省有限的土地资源，少量节省建设开发成本。其次，立体车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，立体车库从管理上可以做到彻底的人车分流。在立体车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。立体车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每
6、个组团中或每栋楼下都可以随机设立立体车库。这为目前车库短缺的小区解决停车难的问题提供了有效途径。所以从技术、市场、政策等诸多因素分析，自动立体车库项目已经具备了良好的开发条件，具有重要的现实意义。立体车库的种类比较多，目前国外比较流行的型式有:1.升降横移式该类的主要特点在于:a.节省占地，配置灵活，建设周期短。b.价格低，消防、外装修、建设、地基等投资少。c.可采用自动控制，构造简单，安全可靠。d.存取车迅速，等候时间短。e.运行平稳，工作噪声低。f.适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。国和德国公司的这类产品比较多，二层升降横移式立体车库特别适应于原有地库自走式停车场的改造工程。多层
7、升降横移式主要适应于高度不受限制的平面自走式停车场的改造，结构简单且都已模块化。2.巷道堆垛式或垂直式巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需求较多的客户使用。3.垂直提升式垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。垂直提升式立体车库一般高度较高(几十米)，对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。4.垂直循环式此类型的车库具有如下特点: a.占地少，两个泊位面积可停6至10辆车。b.
8、外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。c.价格低，外装修、消防等投资少，建设周期短。d.可采用自动控制，运行安全可靠。停车业在国外已有近三十年的发展史，在我国大部分技术是引进的，不仅起步晚，也不很成熟，但市场潜力很大，有待于我们去拓展。本论文是针对目前国停车行业的发展状况而设计的车位控制系统。车位控制系统对要存入车辆完成车号输入、车号显示、存储、选择最优车位及将确定的车位信号传输等功能；对取出车需完成车号输入、车号查找、显示确定车位及车位信号的传输等功能。车位控制系统的控制功能分三部分：第一部分为共享功能：车号输入功能，车号显示功能。第二部分是存车信号处理功能。车号的存储功能，存入车辆的最优存入
9、车位的选择功能，最优存入车位的显示功能，最优车位的信号处理和传输功能，第三部分为取车信号处理功能：需取出车辆车号的查找功能，需取出车辆的车位号显示功能，需取出车辆的车位号的信号传输功能。2 系统总体方案设计2.1 控制原理车位控制系统主要实现了对各种数据的处理，对车牌号的存储及定位处理，选取最优车位时对寻优轨迹的数据处理以及车牌号查找时的数据查找等的处理。微处理器需处理不同数据，有时也较繁杂。各种数据不能随意乱存放，必须根据具体数据的特点按一定的规则来组织和存放。本文根据各数据元素之间的相互关系，对数据进行了有效的组织，解决了数据存储方式，并设计出对应的数据处理算法。各数据元素之间的相互关系有
10、两层含意：一种指各数据元素之间的抽象关系，即逻辑关系，如先后关系、层次关系等；另一种指在计算机中存放地址之间的关系，即存储结构。逻辑关系只考虑数据元素之间逻辑上的先后次序，不分上下层次，称为线性结构。如数据元素之间在逻辑上还有上下层关系或元素之间互相联系的情况不规则，不能简单地用线性关系来表达时，属于非线性结构。逻辑结构最终必须以某种具体的形式实现，这种具体的形式就是“存储结构”，可用四种基本方法来实现。第一种为“顺序存储”，即将各数据元素按逻辑上的顺序存入在一段连续的空间，并使逻辑上相邻的元素在想象空间上相邻；第二种为“链式存储”，各数据元素存放地址不受约束，可以连成一片，也可以分散在不连续
11、的若干个地址上，通过指针表示各元素相邻的关系；第三种为“索引存储”，在这种存储方式中保存有一个索引表，索引表的每一项由两部分组成，其中一项表示数据元素的关键字，另一项中保存有对应数据元素的实际存放地址；第四种为“散列存储”，即直接利用数据元素的关键字来计算该数据元素的实际存放地址。车位控制系统处理的数据之间在逻辑上只有先后次序，不分上下层次，都属于线性结构，存储结构上则各有不同。数据元素的逻辑设计和存储设计完成之后要确定算法。数据处理都有一定目的，实现这个目的的处理方法称为算法。 2.2 控制功能本文所研究的车位控制系统的控制功能分三部分：第一部分为共享功能；第二部分是存车信号处理功能；第三部
12、分为取车信号处理功能。12.2.1 共享控制功能共享功能是指无论存车或取车都需应用的功能。主要有：1.车号输入功能，即将要存入或取出的车辆的车牌号从键盘上输入；2.车号显示功能，即将从键盘上键入的车牌在显示器上显示出来，以便确认是否输入正确。2.2.2 存车信号处理功能存车信号处理功能是指车位控制系统在有车辆需存入车库时所应完成的功能，主要包括以下几项：1.车号的存储功能，即将键盘上输入的车牌存入单片机的存储器中；2.存入车辆的最优存入车位的选择功能，即根据现有的车辆存入情况选择最优存入车位的功能；3.最优存入车位的显示功能，即将已选定的最优车位在显示器上显示出来的功能；4.最优车位的信号处理
13、和传输功能，即将选定的最优车位转换成信号并将信号传输给存取车控制系统的功能。2.2.3 取车信号处理功能取车信号处理功能是指停车库中已存入车辆需取出时所需功能，主要有以下几项：1.需取出车辆车号的查找功能，即根据输入的车牌，在已存入车辆中查找需取出车辆的位置；2.需取出车辆的车位号显示功能，即将需取出车辆的存放车位号在显示器上显示出来；3.需取出车辆的车位号的信号传输功能，即将需取出车辆的车位号处理后传输给存取车控制系统的功能。 2.3 方案设计车位控制指对要存入车辆完成车号输入、车号显示、存储、选择最优车位及将确定的车位信号传输等功能；对取出车需完成车号输入、车号查找、显示确定车位及车位信号
14、的传输等功能。图2-1 硬件结构框图控制面板是车位控制部分的组成部分之一，面板上有输入键和显示器，输入键包括数字键、字母键及存取车控制键。显示器是8 位的，六位用来显示车牌号，两位显示车位号。为了实现车位控制系统和各项控制功能，本文设计了一个微处理器专用控制系统，主要由单片机、储存器、显示器、键盘和接口芯片组成。图2-1是控制系统的硬件结构框图。系统的硬件总图如图2-2所示：图2-2系统总硬件图3 系统硬件设计3.1 单片机的发展趋势现在可以说是单片机百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有
15、不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。2 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越高，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。89C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗蓄电池供电的应用场合。所以
16、这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.微型单片机现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、片数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PWM (脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。3现在的许多单片机
17、都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3.主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国的Winbond系列单片机,以C51为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，由于其低价质优的优势，也占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期，这种情形将得以延续，将不存
18、在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。3.2 单片机的选择美国Intel公司1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机。提高了芯片的集成度，性能上大为提高，增加了多种片硬件功能，并扩展了功能单元的种类和数量。4MCS-51单片机硬件结构及其一些主要特点：1.部程序存储器和部数据存储器2.输入/输出口MCS-51单片机的I/O口的数量和种类较多且齐全，尤其是它有一个全双工的串行口。3.外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间MCS-51可对64KB的外部数据存储器寻址且不受该系列中各种芯片型号的影响，而对程序存储器是外总空间为64KB.4.中断与堆栈MCS-
19、51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。MCS-51子系列有2个16位的定时/计数器，通过编程可以实现四种工作模式。MCS-52子系列有3个16位的定时/计数器。MCS-51在部RAM中开设了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。5.指令系统MCS-51有一个功能很强的指令系统，主要表现在MCS-51的指令系统中增添了减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令。5当振荡器频率最高时（12MHZ），大部分指令执行时间为1s，少部分为2s，乘除指令的执行时间也只有4s。6.布尔处理
20、器特别值得一提的是MCS-51的布尔处理器。它实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位的微机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起，是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。在MCS-51系列单片机中八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的。 3.3 89C51的引脚介绍掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。MCS-51系列中各种芯片的移植
21、是互相兼容的。6制造工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装（DIP方式,目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的8031/89C51/87C51除采用DIP封装方式以外，还采用方行封装方式，为44只引脚（其中4只是无用的）如图3-1所示740只引脚按其功能来分，可分为如下3类：1. 电源及时钟引脚：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。2. 控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET。3. I/O口引脚；P0、P1、P2、P3为4个8位I/O口的外部引脚。下面结合图3-1来介绍各引脚的功能。3.3.1 电源及时钟引脚1电源引脚与时钟引脚电源引脚接入单片机
22、的工作电源(1)Vcc(40引脚)：接+5V电源。(2)Vss(20引脚)：接地。图3-1 89C51引脚图2个时钟引脚XTAL1，XTAL2外接晶体与片的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。XTAL1是片振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。8晶振的频率可以在1MHz-24MHz选择。电容取30pF左右。型号同样为AT89C51的芯片，在其后面还有频率编号，有12,16,20,
23、24MHz可选。大家在购买和选用时要注意了。如AT89C51 24PC就是最高振荡频率为24MHz,DIP封装的普通商用芯片。综上分析，此次设计中的最小系统的设计采用89C51芯片作为最小系统芯片是最佳选择。(1)XTAL1（19引脚）：接外部晶体振荡器的1个引脚。该引脚部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。(2)XTAL2（18引脚）：接外部晶体振荡器的另一端，在该引脚部接至部反相放大器的输出端。若采用外接晶体振荡器时，该引脚接收晶体振荡器的信号，即把此信号直接接到部时钟发生器的输入端。3.3.2 控制引脚此类引脚提供控制信号，有的
24、引脚还具有复用功能。(1)RST/Vpd(9引脚)： RST（RESET）是复位信号输入断，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时候，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应0.5V，为低电平。Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为部RAM提供备用电源，以保证片RAM中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。(2)ALE引脚输出地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的下降沿用于
25、单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲号输出，此频率为时钟振荡频率的1/6。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是完好的。应该注意的是，每当MCS-51访问外部数据存储器时，在2个机器周期中ALE只出现1次，即丢失1个ALE脉冲。因此，严格来说，用户不宜用ALE做精确的时钟源或定时信号。ALE端可以驱动8个LS型TTL负载。 PROG为本引脚的第二功能。在对片EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。(3)PSEN：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲下降沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引
26、脚接外部程序存储器的OE端。PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果检查一个MCS-51单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可用示波器检查PSEN端有无脉冲输出。(4)EA / Vpp（Enable Address/Voltage Pulse of Programing）：EA功能为外程序存储器选择控制端。当EA引脚为高电平时，单片机访问片程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，即超出片程序存储器的4KB地址围，将自动转向执行外部程序存储器的程序。当EA引脚为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器，不论是否有部程序存储器。对于8031来说，因其无部
27、程序存储器，所以该引脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。Vpp为本引脚的第二功能。在对EPROM型单片机8751EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压。10对于89C51，则加在Vpp引脚的编程电压为+12V。3.3.3 I/O口引脚(1)P0口：双向8位三态I/O口，此口可作为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。(2)P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。这里要特别注意准
28、双向与双向三态口的差别。P1口，P2口，P3口是3个8位准双向的I/O口，各口线在片均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为准双向三态I/O口。3.4单片机最小应用系统设计 此次设计选用89C51的最小系统，89C51部有4KB程序存储器，芯片本身就是一个最小系统。11在能满足系统的性能要求情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单且可靠。用89C51单片机构成的最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，该系统与其他最小系统相比，省去了外扩程序存储器的工作，该最小应用系统只能用作一些
29、小型的数字量的测控单元。单片机最小系统电路如图32所示：图3-2 89C51最小系统MCS-51的PC受到干扰而失控，引起程序跑飞，可能会使程序陷入死循环。指令和软件技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时系统将完全瘫痪。如果操作人员不在场，可按下人工复位按钮，强制系统复位。但操作人员不可能一直监视着系统，即使监视着系统，也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。能不能不要人来监视，就能使系统摆脱死循环，重新执行正常的程序呢？这可采用“看门狗”技术来解决这一问题。12“看门狗”技术就是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这时计
30、数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨。另外，在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时需要系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。目前看门狗电路和掉电保护电路，都已经集成在一片微处理器监控芯片中。因此MCS-51只需要扩展一片微处理器监控芯片即可。这类芯片集成化程度高，功能齐全，具有广阔的应用前景。在单片机应用系统中使用微处理器监控芯片，可以大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。1)复位电路微处理器在上电、掉电及低压供电时，监控器产生脉冲信号这可
31、以保证微处理器实现上电自动复位；当供电电压过低时，防止CPU失控。电源电压Vcc升到1V时RESET引脚变为低电平，随着Vcc的继续升高，RESET一直保持低电平。13当Vcc高于复位门限电平时，RESET并不马上变为高电平，而是要滞后一个复位脉冲宽度（约200ms）后再变为高电平。当Vcc低于复位门限电平，RESET引脚马上变成低电平，即使以后Vcc恢复且高于复位门限电平，RESET也不马上变成高电平，而是要延迟一个复位脉冲宽度。掉电时，Vcc只要低于复位门限电平，RESET立即变为低电平。2)监视电路此次设计选用MAX690微处理器作为监控器芯片。14看门狗电路计数器定时电路，在WDI端输
32、入一个脉冲（TTL电平，宽度可小至50ms），定时器开始计数。若WDI引脚悬空或接至高阻态输出的缓冲器上定时器则停止计数，并且清零。当定时器启动后，若在1.6s没有向WDI输入脉冲，监控器将输出一个复位信号，引脚RESET变低电平，同时定时器清零，只要RESET为低电平，定时器将一直停止工作。MCS-51与MAX690自动监控的接线如下，+5V电压跌落到某电压值，_PFO输出低电平，这就需要合理选择电阻R3、R4的值，所以R3=2.6K欧姆，R4=1K欧姆。电路图如下：图 3-3 监视电路原理图3.5显示、键盘电路的设计常用的LED显示器为8段（或7段，8段比7段多了1个小数点“dp”段）。每一个
