精品基于单片机的道闸控制本科毕业设计管理资料.docx
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精品基于单片机的道闸控制本科毕业设计管理资料
【精品】基于单片机的道闸控制(本科毕业设计)
基于单片机的道闸控制
前言5
第1章概述6
第11节引言6
第12节研究背景6
121道闸使用基本情况6
122步进电机7
123串口通信11
第2章智能道闸控制器12
第21节智能道闸控制系统设计的背景12
第22节智能道闸控制系统实现功能12
221固定用户车辆刷卡出入停车场12
222临时车辆的引导功能12
223临时车辆自动计费13
224图像对比功能13
225语音对讲功能13
226电子显示功能13
第3章基于射频通信技术的道闸控制系统14
第31节停车库智能管理系统简介14
第32节硬件部分的实现15
321硬件结构15
322车载模块的功能16
第33节软件部分的实现16
331车载模块的软件流程16
332无线传输通信协议17
第34节结束语18
第4章实验部分19
第41节硬件设计19
411STC89C52单片机19
412步进电机驱动22
第42节软件设计流程图25
VisualC串口通信编程27
421本系统采用MSComm控件编程27
422系统设计27
423通信协议28
424VC单片机通信的实现28
第5章结论30
参考文献31
致谢32
附录33
附录1项目实施费用33
附录2部分源程序33
基于单片机的道闸控制
摘要本文的研究设计是根据道闸的实际需求以及国内道闸系统自动化程度应用不高的现状而进行的研究设计在原道闸系统的基础上进行通过研究设计实现道闸的自动化
本系统以道闸为控制对象以超声波测距仪为主要检测手段辅以LED闪烁和蜂鸣器提示实现道闸的自动化控制系统采用单片机做主控器PCPersonalComputer做上位监控机通过上位机VCVisualC编制程序实现人机互动最后把执行部分检测部分控制部分通信部分及其他部分有机组合起来实现系统的智能化控制
研究设计完成后的系统具有一定的自动化可靠性好操作简单等优点虽然从硬件软件和通信等方面对道闸系统进行了研究设计但是由于各方面的原因系统有待进一步完善
关键词道闸单片机步进电
[ABSTRACT]ThisstudydesignisbasedontheactualneedsofBarrierGateautomaticbarriersystemanddomesticautomationapplicationsarenotcarriedoutahighstatusThedesignwasbasedontheBarrierGatesystemthroughresearchanddesigntoachieveBarrierGateautomation
SystemautomaticbarriertocontroltheobjecttoultrasonicrangefinderasthemaindetectionmethodsaccompaniedbyflashingLEDandbuzzerpromptstoachieveautomaticbarrierautomaticcontrolSystemusesthemicrocontrollertodomasterPCPersonalComputermonitorthemachinetodotheupperWeusetheVCVisualCprogrammingonthePCtoachievehuman-computerinteractionAtlastwetakepartoftheimplementationtestingthecontrolsectioncommunicationsectionandotherpartsoftheorganiccompositionandtorealizetheintelligentcontrolsystem
UponcompletionofthedesignautomationsystemhasagoodreliabilityandeasyoperationAlthoughhardwaresoftwareandcommunicationstheresearchontheautomaticbarriersystemdesignbutduetovariousreasonsthesystemneedstobeimproved
KeywordsBarrierGateSCMsteppingmotor
前言
网络技术和传感器技术的迅猛发展带来了新的控制方式和管理方式的变革随着汽车更广泛的普及使用对车辆的安全停放和管理提出了更高的要求引进先进的控制技术和管理方式实现对大型停车场系统的集中化网络化和智能化的安全性管理控制已经成为大规模停车服务管理的必然趋势针对现有的停车系统由于地域局限操作单一数据库管理安全性级别低下网络配置效率低下等原因所造成的网络化管理效率低数据传输管理和控制安全性低管理方式原始等不利于兼容和自动化的设计缺陷从深度和广度上对网络管理传感器设计数据库设计和管理接口设计等方面进行安全性重新定位和设计从而实现停车场系统在网络环境下的安全配置和人性化操作更具网络化和智能化有系统以停车服务管理公司的内部网络为依托采用先进的科学的合理的设计方法建立一套基于多点网络的车辆停放管理使得客户在停放汽车时比原来更加方便快捷安全性设计能使得客户更加放心停放自己的车辆
早期停车库大多采用人工收费和管理方式缺少客观的衡量标准仅依靠人的主观判断就难免存在弊端如车辆停放不合理库位利用率低车辆进出不便捷等给管理人员和客户停车带来不便自2004年以来全球掀起了一场射频射通信技术的应用热潮许多企业积极推动着射频技术在制造物流管理等行业的应用它被公认为是本世纪最具发展潜力的技术之一我们基于现有车库停车难及射频通信技术的发展设计了停车库智能管理系统它具有以下优势本系统应用蓝牙射频通信技术在停车库和车载模块之间进行非接触的双向数据传输以进行车辆识别和数据交换与传统的条型码磁卡及IC卡相比该系统具有非接触读取速度快无磨损不受环境影响使用寿命长10年以上可同时处理多辆车进出的防冲突功能等特点同时系统采用模块化设计和开放性的通信协议并预留有足够的存储空间易于系统的功能扩展该系统还通过数据库对客户停车信息进行有效管理具备智能化功能可大大提高管理效率
概述
引言
道闸又称挡车器BarrierGate最初从国外引进是专门用于道路上限制机动车行驶的通道设备现广泛应用于停车场小区企事业单位门口来管理车辆的出入电动道闸可单独通过遥控实现起落杆也可以通过停车场管理系统即IC刷卡管理系统实行自动管理状态根据道闸的使用场所其闸杆可分为直杆90度曲杆180度折杆及栅栏等
道闸由减速箱电机或者采用液压传动机构平衡装置机箱闸杆支架闸杆等部分组成
目前道闸已越来越向高科技方面发展自动化成为显著的特征自动道闸在智能停车场管理系统建筑区的大门出入口公路收费口铁路公路交叉口道口都已得到应用尤其停车场和公路收费口得以普及但最新技术多用在智能小区的门禁系统中在这些系统中许多新技术应用在道闸控制上如计算机技术短距离射频技术和通讯技术远距离射频识别技术电磁感应技术红外检测技术等其中采用目前国际先进的MIFARE卡技术和电脑技术由出入口道闸地感能感应金属的传感器控制器读卡机等组成应用于停车场的收费和车辆进出管制该系统实用性强管理功能强大实现了网络化自动化程度高安全稳定可靠性高由计算机进行控制和管理具有出入场控制及收费功能脱机功能显示功能语音提示功能图像对比功能车牌自动识别功能对讲功能等
图1-1道闸基本外观
研究背景
道闸使用基本情况
随着汽车工业的不断发展及汽车数量的日益剧增对道闸的需求量也越来越大对道闸的性能也提出了更高的要求如道闸一体化机芯离合装置智能防抬功能遇阻返回装置升温功能确保在零下40度环境下使用抽风降温系统及时降低电机温度自动离合装置防撞脱杆装置等杆的起落速度从08秒到6秒不等
步进电机
本论文所做实验选择步进电机模拟实现道闸的基本功能步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件具有快速起动和停止的特点其驱动速度和指令脉冲能严格同步具有较高的重复定位精度并能实现正反转和平滑速度调节它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响因而被广泛应用于数模转换速度控制和位置控制系统步进电机是可将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置它输出的角位移与输入的脉冲数成正比转速与脉冲频率成正比因而是一种输出与输入脉冲相对应的增量驱动元件步进电机是由定子和转子组成当电流流过定子绕组时定子绕组产
生一矢量磁场该矢量场会带动转子旋转一角度使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致定子绕组矢量磁场每旋转一个角度转子也随着该磁场旋转一个角度因此控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场每来一个脉冲电压转子就旋转一个步距角称为一步根据电压脉冲的分配方式步进电机各相绕组的电流轮流切换在供给连续脉冲时就能一步一步地连续转动从而使电机旋转
步进电机大体上可以分为3类
反应式步进电机VR永磁式步进电机PM和混合式步进电机HB等
步进电机的结构
两相单极性永磁式步进电机和混合式步进电机的结构相似如图所示它一般具有6根或5根12连在一起引出线引出端1和2分别位于两个绕组的中央绕组和引出端在步进电机中的连接如图所示应用中引出端1和2一般连接电源的正极而其他四根引出线根据驱动顺序加载正负电压
图1-2两相单极性永磁式步进电机或混合式步进电机的结构
两相双极性永磁式步进电机和混合式步进电机的结构也相似如图12所示与单极性相比它去掉了两个绕组中央的引出端这两个绕组和引出端在步进电机中的连接如图12c所示应用中与单极性相比双极性步进电机的驱动电路就要稍复杂一些这是因为没有了两个绕组中央的引出端所以需要驱动电路来实现两相绕组的正反向电压的施加两相双极性步进电机的驱动和控制方法后面还要介绍
图1-3两相双极性永磁式步进电机或混合式步进电机的结构
步进电机主要参数
1步进角
它表示步进电机每接收到一个脉冲信号电机所转动的角度这个步进角也叫步进电机的固有步进角它不一定是步进电机实际工作时的真正步进角真正的步进角与控制方法和驱动器有关
2相数
相数是指电机内部的线圈组数常用的有二相三相四相五相步进电机电机相数不同其步进角也不同一般二相混合式步进电机的步进角为18°三相的为15°五相的为072°等
3保持转矩
保持转矩是指步进电机通电但没有转动时定子锁住转子的力矩它是步进电机最重要的参数之一通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减输出功率也随速度的增大而变化所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一比如当人们说5N·m的步进电机在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为5N·m的步进电机
4静态转矩
静态转矩是指步进电机没有通电时定子锁住转子的力显然反应式步进电机的静态转矩是零
5精度
一般混合式步进电机的步进角具有3~5的精度且没有累计误差
6最大允许温度
永磁式和混合式步进电机的温度不能太高比如在130℃左右永磁体就会退磁所以永磁式和混合式步进电机的最高工作温度一般为90℃以下
4两相步进电机的控制设计
无论是单极性两相步进电机还是双极性两相步进电机也不管是永磁式的还是混合式的它们都可以用相同的控制方法来控制控制的方法有3种单相控制双相控制和单双相混合控制这3种控制方法的示意图如图13~图15所示
图13单相控制示意图
图14双向控制示意图
图15混合控制示意图
下面以双极性两相步进电机的单相控制为例来说明两相步进电机的工作原理起初转子停在任意位置当A-B端施加正电压时假设在A端产生S磁极B端产生N磁极这时转子由于磁场作用就会旋转至图13a的位置停下来这时如果不改变电压转子就会停在此处而当C-D端施加正电压时假设在C端产生S磁极D端产生N磁极这时转子由于磁场作用就会旋转至图13b的位置停下来当A-B端施加负电压时在A端产生N磁极B端产生S磁极这时转子就会旋转至图13c的位置停下来接下来当C-D端施加负电压时在C端产生S磁极D端产生N磁极这时转子就会旋转至如图13d的位置停下来如果再在A-B端施加正电压时在A端产生S磁极B端产生N磁极这时转子就会旋转至图13a的位置停下来如此就完成了一个旋转周期不停地按此时序加在步进电机的两组线圈上步进电机就会不停地旋转起来改变时序的周期步进电机旋转的速度也会改变而逆序施加以上时序步进电机就会反转由以上不难推出双极性两相步进电机的单相控制双相控制和单双相混合控制的正反向控制时序逻辑如图16所示
图16双极性两相步进电机的单相控制双相控制和单双相混合控制的正反向控制时序逻辑
以上是双极性两相步进电机的三种控制时序逻辑对于单极性两相步进电机当不使用两组线圈的中心端时也是这样的控制时序逻辑但是如果使用两组线圈的中心端时上面的整组线圈导通变成了半组线圈导通所以实质上还是一样的参考图14当两组线圈的中心端都接到电源正极时单极性两相步进电机的三种控制时序逻辑如图17所示仔细观察不难发现它与双极性的三种控制方法实质上是一样的
图17单极性两相步进电机的单相控制双相控制和单双相混合控制的正反向控制时序逻辑
串口通信
串行口是计算机的一种标准接口PC机一般至少有两个串行口COM1和COM2串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去这样虽然速度会慢一些但传送距离较并行口更长因此长距离的通信应使用串行口通常COM1使用的是9针D形连接器而COM2有些使用的老式的DB25针连接器
由于CPU与接口之间按并行方式传输接口与外设之间按串行方式传输因此在串行接口中要由接收移位寄存器把串行方式转换成并行方式由发送移位寄存器把并行方式转换成串行方式完成这种转换功能的电路叫做通用异步收发器UART
串行通信接口标准经过使用和发展目前已经有RS-232RS-422与RS-485等几种不同的标准
智能道闸控制器
智能道闸控制系统设计的背景
随着社会的发展生活水平的提高越来越多的机动非机动车辆涌入城市中造成交通的拥挤以及停车需求的大幅度增加随之而来的对停车场设备和停车环境的要求也越来越高如果采用人工管理的办法管理工作难度大车辆的通行率和安全性差无法统计车辆的出入数据其次车主也无法了解车位相关信息花许多时间寻找空车位造成停车难停车时间长等一系列问题
因此迫切的需要一种现代的合理的高效的管理方式智能停车场管理系统就是在这种环境下应运而生的它解决了车辆有序出入安全收费引导的一系列问题所以越来越受到管理人员的青睐
智能道闸控制系统实现功能
固定用户车辆刷卡出入停车场
智能停车场管理系统是一个以非接触式智能IC卡为车辆出入停车场凭证用以对停车场车道入口及出口管理设备实行自动控制的系统
在停车场出入口都设有控制车辆进出的智能道闸在道闸旁边设有出入口控制机对于停车场的长期固定用户进出停车场的时候可在此处刷卡系统自动判别卡片的有效性判断是否给出通行指令如果卡片有效系统会自动开启智能道闸让车辆通行车辆过后系统探测车辆已经离开自动关闭挡车道闸
临时车辆的引导功能
停车场车位引导系统应以科学规划为指导以提高效益为目的以实际需求为导向加强统筹协调注重实效充分考虑停车场现状统一规划提高停车场设施泊位利用率促进设施利用均衡化减少驾驶员寻找车位的时间消耗降低车辆长时间行驶所引起的尾气排放噪声等污染从而改善环境提高停车效率
这种系统是在停车场停车泊位地下铺设电子线圈当车辆在泊位上停放时感应系统会将占位的信息传到中央计算机上在停车场出口的计算机和大屏幕上就会显示出有多少车位可用驾驶员会在大屏幕上清楚地看到场内是否还有车位和具体位置很方便系统建立资料完整信息共享管理科学的停车信息管理环境自动识别车辆避免人为因素带来的安全失误实现停车场自动识别车位占用功能自动引导车辆出入缩短车辆进出时间
临时车辆自动计费
对于临时泊车的用户系统还会提供自动计费功能
临时用户将车驶到停车场入口值班人员通过键盘输入车牌号司机按动位于入口控制机盘面的出卡按钮取卡道闸卷帘门开启司机开车入场进场后道闸卷帘门自动关闭在临时车辆出场的时候司机将卡交给值班人员值班员将卡在收费器的感应区晃动收费电脑根据收费程序自动计费计费结果自动显示在电脑显示屏上司机付款后值班人员按电脑确认键电脑自动记录收款金额同时道闸卷帘门开启车辆出场出场后道闸卷帘门关闭
在收费体制方面用户可以自由设置收费体制一般来说有以下几种
按月租用有效期内无限次出入
预付款享受优惠按停车时间扣费
现金收费按停车时间停车次数缴费出场
图像对比功能
为确保车辆的安全在车辆出入场的时候系统还具有图像对比功能
彩色摄像机安装在进出停车场道口车辆进场读卡时摄下车辆图像经电脑处理将车主所持卡的信息一并存入电脑数据库当车辆出场时摄像系统再次工作摄下出场车辆调出进场时的图像同时显示在计算机屏幕上有效防止车辆被盗
语音对讲功能
在出入口控制机中设有对讲机如果车主想和车库管理中心联系可按下控制机上的对讲按钮便可直接与管理中心对讲
电子显示功能
在出入口控制机中设有LED中文显示屏在车主刷卡时会显示欢迎入场一路顺风等字样如车主不能顺利出场显示屏在刷卡时会显示原因如卡内余额不足卡片已过有效期等便于车主判断不能顺利出场的原因
基于射频通信技术的道闸控制系统
本章主要介绍射频技术在道闸中的应用
早期停车库大多采用人工收费和管理方式缺少客观的衡量标准仅依靠人的主观判断就难免存在弊端如车辆停放不合理库位利用率低车辆进出不便捷等给管理人员和客户停车带来不便自2004年以来全球掀起了一场射频射通信技术的应用热潮许多企业积极推动着射频技术在制造物流管理等行业的应用它被公认为是本世纪最具发展潜力的技术之一
停车库智能管理系统简介
本系统主要由车载模块地感检测装置和信息管理部分等组成如图31所示
图31系统结构框图
车载模块的核心部件是选用射频通信芯片nRF24L01用于停车库的单片机读头与车载模块之间实现无线通信读头通过天线发送一定频率的射频信号当车载模块进人发射信号的工作区域时将产生感应电流使车载上的射频电路获得能量而被激活此时车载模块就自动将自身编码通过内置天线发送出去读头接收到来自车载模块的载波信号后将进行解调和解码然后通过485总线把车辆信息传送到主控电路进行识别及其它处理
地感检测装置用于对车辆的出人情况进行检测控制道闸开启或关闭和打印收费票据以及对车辆进行进出登记等车辆的进出信息同样通过485总线传送到主控电路主控电路根据读头信息地感信息以及管理信息进行逻辑运算以判断车辆的合法性并针对不同的设定做出相应的处理和控制包括发出指令控制执行机构动作以及与管理中心交换信息
信息管理部分由管理中心停车库收费厅和主控电路等构成主要用于对车辆信息车库信息与管理信息进行快速交换然后通过液晶的数码显示或语音提示引导车辆停放到指定的车库和车位并对车辆进出信息进行统计和存储
硬件部分的实现
硬件结构
图32为本系统读头部分的硬件结构主要由STC89C54RD单片机芯片和射频通信芯片nRF24LO1组成读头通过无线通信方式读取车载模块上的车辆编码信息以及对车辆进行身份验证等然后通过485芯片及485总线与系统主控电路上层模块进行通信并执行系统软件发来的命令读头部分也可以通过RS-232串行口与停车库收费厅的计算机进行通信在系统调试时经常用到把车辆信息直接传送到车库管理中心
图32读头的硬件结构
图33为系统车载模块的硬件结构车载模块的MCU使用TI公司的单片机MSP430F1121A和低功耗的短距离射频通信芯片nRF24LO1并预留有JTAG接口用于程序包括车辆识别信息下载和调试
图33车载模块的硬件结构
车载模块的功能
射频通信电路选用24GHz通信芯片nRF24LO1传输速率1Mbits或2Mbits125个频点功耗很低4种工作模式并集成了链路层协议可与单片机的SPI接口通信以提高数据的传输速度但本系统选用的单片机自身都不带SPI接口只能采用单片机的1O端口来模拟SPI接口进行通信由于选用的单片机具有很好的兼容性所以在通信过程中无需复杂的编码而且所需要的外围器件也很少使用简便
软件部分的实现
车载模块的软件流程
该系统软件主要包括系统控制软件和系统管理软件两大部分系统控制软件主要包括车载模块的通信程序读头的单片机朴理程序其中车载模块的软件流程图如图4所示
图4车载模块软件流程图
由停车库发送一个激活信息使车载模块被唤醒而进入初始化程序然后由车载模块发送一个简单的试通信数据检测读头是否收到确认包以确定是否需要建立通信即车辆需要出人站车载模块发送试通信数据的延时时间由车辆的进出行驶速度确定车载模块与读头的有效通信距离为10m车速一般限定在5ms以内那么延时时间最长为2s通信结束后的延时时间为两部车辆进出站口间隔的最短时间
无线传输通信协议
本系统是一种单点对多机的通信所以通信协议分为三层第一层为物理层由nRF24L01模块的硬件实现第二层为数据链路层第三层为应用层
数据链路层的功能是提供可靠的无线数据传输发送数据时将应用层发送较长的数据帧拆分为短的数据帧并加上包头和校验位重新打包后发送出去接收数据时将接收到的数据解包并重新组合成完整的长数据移交给应用层数据链路层由nRF24L01和单片机共同完成
由于协议是分层设计相邻层之间的联系只需要调用发送或接收函数来完成所以各层通信的实现相对独立可提高系统的灵活性
结束语
将射频技术应用到停车库智能管理系统是一种新的尝试它在智能小区大型停车库管理中具有良好的应用前景已得到推广使用如果将它推广应用到交通管理系统可使车辆被自动识别和完成交费的同时大大提高行车速度和效率从而避免车辆拥堵解决交通瓶颈问题
实验部分
在工业控制中经常要组成微机为上位机而单片机为下位机的控制网络两者一般通过RS-232或RS-485串行接口进行通信这样既满足实时控制要求又使得控制操作简单易行
由于实际条件的限制实验只对道闸进行模拟实现具体思路如下
本实验采用的主体部分是一块RF-51的51单片机学习板开发板使用STC89C52RC单片机为主控器控制步进电机的运转假定道闸初始状态为关闭这时按下关闭道闸时系统做出不处理的反应按下升起道闸时道闸升起到达指定位置停止并通过串口和PC进行双向通信上位机上采用VisualC编写程序可以利用上位机强大的数据处理能力对相关数据进行处理也方便以后的系统升级
硬件设计
STC89C52单片机
本实验采用的单片机STC89C52具有如下特性
1与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
28KB可重擦写Flash闪速存储器
31000次擦写周期
4全静态操作0Hz-40MHz
5三级加密程序存储器
6128×8字节内部RAM
732个可编程IO口线
82个16位定时计数器
96个中断源
10可编程串行UART通道
11低功耗空闲和掉电模式
2STC89C52引脚图见图41
图41STC89C52引脚图
3STC89C52功能
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