基于单片机的自动寻位立体车库系统

基于单片机的自动寻位立体车库系统

摘 要

随着我国国民经济的高速发展和城市化水平的不断加快，汽车的保有量在飞速的增长，汽车的停放已经成为城市发展的一个重要问题。原有的停车场不能满足城市发展的要求，在这种情况下立体车库逐渐得到了发展。

本文介绍了立体车库的研究背景及意义；分析了各种立体车库的特点，选择垂直循环式的立体车库作为研究对象，并确定了车库的总体设计方案；以单片机为控制核心，给出了立体车库的自动控制方法；设计了自动存取车系统的组成和功能，并对存取车策略进行优化；根据车库控制系统的控制原理，完成了控制系统的硬件设计和软件设计。系统在功能上实现了车位的自动检测、空车位的自动给定、空车位数量的告知和车辆的自动存取，具备了自动化立体车库的基本功能。

本设计以单片机为控制器，取代了PLC，用以对小容量立体车库的控制，可以实现立体车库的自动化操作，不需要人员参与，使用方便。

关键词：立体车库；垂直循环；单片机；自动控制

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Stereo Auto-Garage System Based on Single-chip Microcomputer

Abstract

With the rapid development of China's national economy and the acceleration of urbanization, the number of the vehicles has grown rapidly, resulting that the car parking has become an important issue in urban development. The existing parking can not meet the requirements of urban development, in which case the stereo garage is being developed gradually.

This article introduces the background and the significance of the stereo garage; analyzes the characteristics of the stereo garage; selects the stereo garage of vertical circulating type as the study and determines the overall design of the garage program; makes the single-chip microcomputer as the core of the control, gives the stereo garage methods; designs the composition and the functions of the stereo garage accessing to, and optimize the strategies about depositing and withdrawing cars. According to the controlling principle of the controlling system, complete the hardware and software design of the controlling system. The system has been realized that of it detects automatically the spaces in the functions, automatically gives the empty spaces, informs the number of empty parking spaces and deposits and withdraws the cars, with the basic functions of the stereo garage.

In this design, the single-chip microcomputer controller was designed to replace the PLC, controling the small capacity of stereo garage so automation can be achieved without human participation, and it is easy to be used.

Key words: stereo garage; vertical and rotary; single-chip microcomputer; automatic control

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目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................................II 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1

1.1 课题研究背景及意义 ................................................................................................. 1

1.1.1 课题研究背景 .................................................................................................. 1 1.1.2 发展立体车库的意义 ...................................................................................... 1 1.2 立体车库研究现状及发展前景 ................................................................................. 2

1.2.1 国外研究现状 .................................................................................................. 2 1.2.2 我国研究现状 .................................................................................................. 4 1.2.3 立体车库的发展前景 ...................................................................................... 4 1.3 论文结构和主要研究工作 ......................................................................................... 6

1.3.1 设计任务要求 .................................................................................................. 6 1.3.2 论文结构 .......................................................................................................... 6 1.3.3 论文的主要研究内容 ...................................................................................... 7 1.4 本设计的重点和难点 ................................................................................................. 8 第二章 立体车库选型和总体方案设计 .................................................................................. 9

2.1 立体车库介绍及选型 ................................................................................................. 9

2.1.1 立体车库简介 .................................................................................................. 9 2.1.2 立体车库的分类 ............................................................................................ 10 2.1.3 立体车库的选型 ............................................................................................ 11 2.2 总体设计方案 ........................................................................................................... 12

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第三章 控制系统硬件设计 .................................................................................................... 15

3.1 单片机控制电路 ....................................................................................................... 15

3.1.1 单片机的选择 ................................................................................................ 15 3.1.2 单片机振荡电路 ............................................................................................ 17 3.1.3 单片机复位电路 ............................................................................................ 17 3.1.4 单片机控制电路的连接 ................................................................................ 18 3.2 系统检测部分设计 ................................................................................................... 18

3.2.1 空车位检测 .................................................................................................... 19 3.2.2 到位检测 ........................................................................................................ 19 3.3 IC卡接口电路设计 ................................................................................................... 20 3.4 动力控制电路设计 ................................................................................................... 23 3.5 LED显示电路设计 ................................................................................................... 24

3.5.1 LED数码管简介 ............................................................................................ 24 3.5.2 驱动电路 ........................................................................................................ 25 3.6 其他部分介绍 ........................................................................................................... 26 第四章 控制系统软件设计 .................................................................................................... 27

4.1 车库的操作流程 ....................................................................................................... 27 4.2 系统主程序 ............................................................................................................... 28 4.3 存取车流程设计 ....................................................................................................... 29

4.3.1 调车过程和调车原则 .................................................................................... 29 4.3.2 停车系统模型 ................................................................................................ 29 4.3.3 存取车流程 .................................................................................................... 31 4.4 IC卡读写程序 ........................................................................................................... 32

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4.5 LED显示程序 ........................................................................................................... 35 第五章 总结 ............................................................................................................................ 38 参考文献 .................................................................................................................................. 39 附录A：硬件原理图 .............................................................................................................. 41 附录B：程序 .......................................................................................................................... 42 致谢 .......................................................................................................................................... 56

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第一章 引 言

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 课题研究背景

近年来,我国城市建设日新月异,随着汽车工业和建筑业这两大支柱产业的快速发展,使城市空地和巷道越来越少,交通拥挤和停车困难的问题已成为各级政府和群众关心的社会问题。大量汽车占道存放使本来流畅的动态交通受到了严重影响，形成了汽车越多占道，动态交通能力越差的恶性循环。中国人多而土地资源匾乏,传统的停车方式已不可能解决停车难这一问题。由于机动车有90%以上的时间处于停泊状态，所以解决停车难的问题比解决行车难的问题更为重要。机械式立体车库具有土地利用率和空间利用率高、适用性强的优点,将成为今后城市停车的主要方向。在停车设备行业向社会提供的停车设备中,升降横移式居于首位,占了66.9%。机械式立体车库因其具有土地利用率和空间利用率高的优点而得到了快速的发展，因此本文对机械式立体车库做了相应的介绍。 1.1.2 发展立体车库的意义

专家们指出，解决城市静态交通问题，大体分为软硬两种措施。所谓软措施，就是通过政策法规，限制路面停车，提高停车场利用效率，使部分车主更愿意改乘公共交通工具，以减少机动车对停车场的需求。而硬措施，主要包括增建停车场/建设地下及立体停车场、利用其它空间满足停车需求。而无论采取什么措施，在规划后再收拾残局，于局限内弥补不足，政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。

随着人类社会的不断进步和科学技术的发展，人类的生产、生活方式趋于集中，城市的规模越来越大，人们在城市里的生存空间却越来越小，于是出现了要利用空间的理念，城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。作为现代大都市的标志，城市中心商住区高楼大厦林立，社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路，编织出城市立

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体交通网。汽车的住宅——停车场也有了长足的发展，由平面停车向立体停车，由简单的机械停车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变，成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。伴随着汽车进入家庭，城市动态、静态交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高，给停车产业提供了前所未有发展机遇，停车产业市场前景广阔。

作为现代大都市的标志，立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音，发展立体停车已成为人们的共识。目前我国经济正处在高速发展时期，随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐正在加快，这就更需要立体车库来解决。机械式立体停车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下停车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段，也是停车产业发展的必由之路。

1.2 立体车库研究现状及发展前景

解决停车难的问题，欧美国家和亚洲等各大发达国家所采取的措施有所不同，但是，停车措施立体化是各个国家都积极采取的措施，尤其是全自动化的机械停车库，在日本、欧洲等一些国土面积较小、汽车数量众多的国家，立体停车设备已经占据了70%的绝对优势，但是在我国，仅仅占据了2%-3%。有关专家预测，立体停车将会成为未来世界停车的主流。 1.2.1 国外研究现状

早在50多年前，立体停车就在国外有所发展，先后出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起2—4层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下停车库。自70年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些

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发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用，以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进和移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品。

目前世界停车产业正向多元化发展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术。机械方面，应用了新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型优质钢材，既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观，载车板采用一次成型的镀锌板或彩涂板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术，使运行高速平稳，节省电力，振动和噪音也趋于最小。控制形式有，按钮式、锁匙式、IC卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。安全元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等，安全保护装置日臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等。

日本是最早应用机械式停车库的国家之一，其在上世纪60年代初就开发并使用可最大限度的利用空间的机械式停车设备。当时日本全国汽车保有量大约为500万辆，大多采用的是垂直循环式停车设备。从80年代开始，日本开始向亚洲地区的韩国、中国及台湾地区出口产品及技术。韩国机械停车库技术是日本机械停车技术的派生。其机械停车产业从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在30%左右。目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段。

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1.2.2 我国研究现状

我国机械式停车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始，90年代开始引进和生产停车设备，在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。机械式立体停车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含了机械停车设备，其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域，就停车设备本身而言，其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征，需要多学科、多专业的复合型人才积极参与，把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出安全、经济、高效、节能、省地的产品，满足国内外市场的需求。

在我国的停车产业发展中还存在一些问题，如没有统一的技术标准；多数产品是仿效或引进国外技术制造，技术水平低；缺少具有一定规模的企业，生产能力不足；市场竞争无序，个别企业为抢占市场，采取低价竞争；缺少科研设计单位的参与，技术创新能力严重不足；政策不配套，对停车产业发展和管理严重滞后等。解决上述问题，需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。政策方面应参照发达国家的有关政策法规，规划确定出专用和公共停车位的合理数量，实现投资主体多元化，确定停车库的管理属性和停车收费标准，给予投资和经营者相应的优惠政策，使其有利可图。市场方面应建立停车库市场运行机制，利用价格杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”现象。鼓励按市场规则经营停车库，并实施政府监督和政策调控，使停车产业良性发展。

1.2.3 立体车库的发展前景

改革开放以来，城市化水平加快，随着城市建设的迅速发展，城市空地和巷道越来越少。在城区的高级宾馆、饭店、商场、医院、车站、高档住宅区及其他车辆密集区，

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由于受到原有占地面积的限制，汽车停泊困难，交通阻塞。另外，多年来在城市交通建设中，仅重视解决动态交通—修路，而忽视解决静态交通—建库(停车场)，造成现有停车位远远不能满足停车需求的严重局面。

虽然立体车库在我国的发展势头非常的迅猛，但是目前立体车库在住宅小区内的应用，却还是少的可怜。其主要原因还是人们的思维观念没有转变过来，而技术上的问题已经退居其次。可以说，当前的技术已经完全可以满足小区内建造立体车库的主要要求，急需解决的是人们的思想问题。伴随着我国住房业的迅速发展，小区式居住方式已经成为市民住房方式的主流。并且，伴随我国经济的迅速发展，人们拥有自己的私家车也已经成为一种必然。所以，正是由于小区与私家车的数量越来越多，一旦人们的思想方式转变过来，那么应用于小区内的立体车库必将会如同雨后春笋般迅速地生长起来。而且，立体车库的技术也必然在今后的若干年内有大幅度的发展。所以，无论是立体车库技术的研究，还是立体车库工程的建造，发展前景都是非常乐观的，都必将在不久的将来得到快速的发展。

单位：万辆60005000400030002000100002000200120022003200420052006 图1.1汽车拥有量年增长图

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2.1.3 立体车库的选型

立体车库的选型要遵循以下的原则：

（1）人性化原则。立体车库的人性化选择时除充分考虑安全性、美观性、舒适性、和谐性、地域性、文化性外还应注意保证人身安全，避免人身伤害，操作方便，安全可靠，避免故障，避免污染，总之人性化选择的最高目标应是良好的人机对话，和谐共生的设备使用环境。

（2）环境协调化原则。在立体车库的选择上应充分考虑到与周围自然环境的协调一致，注意立体车库与自然环境的和谐统一。对已建成的小区或单位在选择立体车库时应注重与周边环境在造型、色彩、采光通风、消防等诸方面协调一致。对规划新建的小区或单位在选择立体车库时，应尽可能将立体车库与主体或附属建筑物相协调。

（3）适量化原则。在车库选择时并非车位数量越多越好而应在充分考虑每台电脑控制的车位数量、清库时间及确保车库运行流畅方便的基础上合理确定车辆存放的最大化。一般遵循对于存取时间要求较高的车库如居民小区、机关单位车位数量少些。对于存取时间要求不太高的车库如医院、商场车位数量可以多些。否则车位数量太多导致车库存取时间过长、车库利用率太低。

（4）可靠性原则。立体车库的最大优点是充分利用了地上和地下空间但再好的立体车库也不如地面停车方便快捷。在同等质量情况下传动形式越复杂、自动化程度越高则可靠性越差投资和维护成本越高。在满足使用的前提下传动形式越简单可靠性越高投资和维护成本越低。

根据表2.1介绍的各种立体车库的优缺点及本设计的目的，选择图2.1所示的垂直循环式立体车库为设计选型。在上述几类立体车库中，垂直循环式立体车库的控制系统相对简单一些，能更好的得到控制。

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图2.1垂直循环式立体车库

垂直循环式立体车库（如图2.1）是把停车用的数个托盘安装在大型循环转动的链条上，在垂直面内呈圆形或长圆形配置，并通过电机转动带动链条和托盘一起循环升降运转，从而带动停放在托盘上的车辆，将车辆输送至空中停放。它能有效的利用城市、住宅小区内有效的空间和土地，可随机设立，能使每个组团或每栋楼内所有的车辆可以停放；控制系统相对简单，能使住户存取车辆时，既便捷又安全可靠，易于操作。选用单片机做控制器，容易控制。在多种类型的车库中，垂直循环式立体车库的控制系统只需一套驱动系统，而且到位检测容易实现。

2.2 总体设计方案

车库整体可以上下移动，而且转盘随电机旋转，当有车存放时，转盘转动，将空位旋转至车库的入口处，车放入车位后即完成存车动作。取车时，转盘带动车旋转至出口处，车即可取出。

自动寻位式立体车库的核心元件是单片机，自动管理控制系统由多个执行元件、动

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力源构成。控制系统包括微处理器、出卡机、读卡机、检测系统、停车单元控制器以及显示屏等。执行元件是设在支撑轴下的电机。单片机是车库控制系统的核心，当用户对操作平台进行动作时,单片机会接受并分析指挥用户操作,判断检测元件的状态,读取执行元件的信息,然后通过软件做出合理的控制安排,反馈信息到执行元件、操作平台,拖动车位移动到相应的水平位置,实现车位的位置移动。

自动寻位立体车库的原理图如下图：

IC卡（信息存储）IC卡接口电路LED显示LED驱动电路单片机动力控制电路电机连接电路检测装置

图2.2立体车库控制系统原理框图

控制核心为单片机，检测装置将检测到的信号送入单片机。单片机处理检测信号，判断车库的空位数，并将空位数经LED驱动电路传送给LED显示车库的空位数。IC卡通过IC卡接口电路，和单片机进行通信，用于信息的存储与读取。单片机根据采得的各路数据，对车库进行控制，通过动力控制电路来控制电机的启动、停止、正转和反转，以达到对车库的自动运行。

垂直循环立体停车库是采用在垂直方向作循环运动的停车系统存取车辆的一种机械式停车设备。其传动系统由电机、减速器和传动链条组成。在传动链条上，每隔一定距

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离安装一个存车托架，当电机启动时，存车托架随链条一起做循环运动，达到存取车辆的目的。在存车时，按存车键申请存车，然后将IC卡插入卡座，司机将车开至车库入口位置的托架后关好车门退出车库，将卡取走，完成存车。取车时，按动取车键申请取车，然后将IC卡插入卡座，单片机进行数据读取，选定车位号，然后控制电机转动，在控制系统控制下将待取车辆按最短路径运至出口，司机进入存车托架将车开出，完成取车。

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第三章 控制系统硬件设计

本章根据立体车库控制系统的总体设计方案来进行系统的硬件设计，并对硬件的每一部分做详细的介绍，以便为软件设计打好基础。本章内容主要包括：单片机的选择、IC卡接口电路设计、车库动力系统设计、系统检测部分设计和显示部分设计等。

3.1 单片机控制电路

3.1.1 单片机的选择

本系统的控制核心为单片机，选择一个合适的单片机作为控制器对于立体车库控制系统来说十分重要。本设计采用的设计方案是小型的垂直循环式立体车库，设备的体积比较小。本车库系统属于单体控制系统，设备集中，使用一块单片机就能完成控制任务。所以选择目前常用的AT89S51单片机。

AT89S51是美国ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的一种8位机，是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

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1234567891011121314151617181920P1.0/TP1.1/TP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221AT89S51RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1Gnd

图3.1AT89S51单片机引脚图

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

本课题之所以选用ATMEL89系列单片机是因为该系列单片机的最大特点就是在片内含有Flash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，同时在系统工作的过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。AT89S51具有4KB的Flash存储器，在车库中，处理器负责车库调度、信号处理并把该车库的状态信息传送给上位机中，程序体积不超过4Kb，可以把程序都存放在其中，省略了外部程序寄存器，节省了费用，简化了程序。

C内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3.1.2 单片机振荡电路 单片机虽然与内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接附加电路。AT89S51单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。 当使用片内振荡电路时，XTAL1、XTAL2与晶体振荡器及电容C1、C2按图3.1所示方式连接。晶振、电容C1、C2及片内与非门构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0~33MHz之间，电容C1、C2取值范围在5~30pF之间。 C1B30pFY112MHzC2XTAL2XTAL130pF 图3.2振荡电路 本系统采用内部时钟方式，C1和C2采用0.03uF，C1和C2用来稳定时钟频率，振荡晶体频率为12MHz。 3.1.3 单片机复位电路 当AT89S51系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 A 12内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

VCCS3R4270ΩC310uFRSTR58.2kΩD3DIODE 图3.3单片机复位电路

由图3.3可知，复位电路采用的是上电和手动复位组合方式。按下复位按钮时，电容通过R4放电，当电容C放电结束后，RST引脚由R4和R5的分压比决定。由于R5>>R4，因此RST引脚为高电平，CPU进入复位状态。松开复位按钮后，电容充电，RST引脚电位下降，使CPU脱离复位状态。R4的作用在于限制复位按钮按下瞬间电容的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。 3.1.4 单片机控制电路的连接

控制系统各部分都与单片机直接相连，从而完成对系统的自动控制，单片机的连接电路见附录A。8个光电开关检测到的开关量发送到单片机的P0口，单片机通过P2.6和P2.7发送给LED显示电路，以显示当前的空位数。IC卡的SCL和SDA通过卡座与单片机的P1.0和P1.1相接，用来存取数据，而IC卡的电源选通信号接单片机的P1.3口。单片机的P2.4和P2.5和动力控制电路相接，用来控制电机的正反转。而到位检测的光电开关接入单片机的外中断，用来经过内部计算，记录车位移动的数目。

3.2 系统检测部分设计

作为一个大型的系统，检测装置是不能或缺的。在立体车库中，车位的检测都是通

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过传感器来实现的，本设计也不例外。 3.2.1 空车位检测

在系统的车位检测设计中，应用的是8个光电开关，通过光电开关来检测车位是否为空。光电开关分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。

由于在车位的检测中，由于车位的长度达到3—5米，所以采用对射式光电开关来进行检测。同时不需要测量物体的密度或其他性质，只需要检测停车位上是否有车，所以功能最简单的光电开关就可以实现，在费用上降到最低。

VCCVCCR11220ΩOPTOISO1U5R121kΩP0.0

图3.4光电开关连接电路

功能简单的光电开关传输的是开关量，向单片机传输的信号为高电平或低电平，由图3.4可知，当车位上有车存放时，光电开关的接收端不能接受来自发射端的信号，三极管不能导通，所以单片机接收到的是高电平。同理，当车位为空时，三极管导通，单片机的端口置低电平。由此可以检测出车位上是否有车。由于车库有8个车位，所以需要8个光电开关来进行检测。 3.2.2 到位检测

所谓到位检测就是判断车位是不是到达了预定位置。因为系统只能控制电机的启动、停止与转向，而不能设定其转过多少角度，所以要加一个检测装置，当车位到达目的位

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置后，把检测信息传给单片机，然后单片机使电机停止转动。

到位检测的装置和空车位检测装置一样，只需要一个光电开关就可以实现。将光电开关的发射端固定在最后一个传动轮的圆盘上，选择合适的传动装置，使最后一个传动轮与链条保持这样的关系：传动轮每转过一圈，对应的车位就移动一个位置。光电开关每变化一次，单片机内部存储单元加1，根据累加值就可以检测出旋转了几个车位，当达到所要旋转的车位数时，单片机控制电机停止转动。

3.3 IC卡接口电路设计

在立体车库平时的应用中，在车主存储过程中需要存储用户的一些信息，在取车时候需要出示个人凭证，这是立体车库正常使用的基本要求。因此要存储这些信息，这就需要EEPROM。与EPROM不同，EEPROM在工作电压下就可以进行数据的读和写，这样，就可以在把一些必要信息存放到里面。

在设计中，选择了24C02卡（如图3.5所示），非常适合于各类仪器仪表和控制装置的参数保存，其芯片24C02的管脚图如图3.6所示。

1234A0VccA1WPA2SCLGNDSDA8765

图3.5 24C02空卡 图3.6 24C02管脚图

24C02各引脚的功能如下： A0,A1,A2引脚，是芯片地址引脚。

SCL引脚，串行时钟输入端。在时钟的正跳沿即上升沿时把数据写入EEPROM；在时钟的负跳沿即下降沿时把数据写从EEPROM读出来。

SDA引脚，串行数据I/O端，用于输入和输出串行数据。

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WP引脚，写保护端。这个端提供了硬件数据保护。当把WP接地时，允许芯片执行一般读写操作；当把WP接到Vcc时，则对芯片实施保护。

AT24Cxx系列存储器卡芯片特点： (1) 低电压/标准电压操作：1.8～5 V。

(2) 内部组成：256×8(AT24C02)，的串行EEPROM。 (3) 2线串行接口。 (4) 双向数据传输协议。

(5) 支持ISO/IEC 7816-10同步协议。 (6) 8 B页面(AT24C01/02)写入方式。 (7) 自定时写入周期（最大10 ms）。

(8) 高可靠性：使用寿命为100 000次写/擦除，数据保留期为100年。 (9) 多种封装形式：提供芯片、模块及标准封装形式。

24C02卡通过卡座与单片机进行连接，如图3.7为SMARTADP（接触式IC卡卡座），

图3.7 接触式IC卡卡座

卡座上与IC卡的触点为8个，对应为24C02的8各引脚。卡座上还有2个触电是用来

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识别卡座内是否有卡插入。

接触式存储器卡接口电路如图3.8所示。单片机的P1.0、P1.1分别通过卡座与24C02的串行时钟端SCL和串行数据端SDA相接，P1.2接卡插入测试端SW2，P1.3接PNP三极管的基级，为上电控制端。SCL、SDA及SW2均通过10kΩ的上拉电阻接+5V。

VCCP1.3R31kQ3NPNR210kΩ*3VCCWPSCLSDASW286753P1.0P1.1P1.2U2191045A0A1A2GNDSW1SMARTADP

图3.8接触式存储器卡接口电路

当有卡插入时，SW1与SW2断开，P1.2口由低电平转为高电平，当P1.3置高电平时，三极管导通，给24C02供电，否则断电。

I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是PHILIPS公司推出的芯片间串行传输总线，2根线(SDA，SCL)即可实现完善的全双工同步数据传输，能够十分方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C器件是把I2C的协议植入器件的I/O接口，使用时器件直接挂在I2C总线上，I2C器件无需片选信号，是否选中是由主器件发出的I2C从地址决定的，而I2C器件的从地址是由I2C总线委员会实行统一发配的，在器件之间进行数据传送。数据传送速率最高可达 400KB/S。I2C总线系统通常用于控制而无需高速传送数据的应用场合。

仅需两根线一根串行数据线SDA和一根串行时钟线SCL；与总线相连的每个器件都对应一个特定的地址，采用软件寻址方式，每个器件在整个通信过程中都是单一的主

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控器/从控器身份，主控器可用做主控发送器或主控接收器；所有接到I2C总线上的设备的串行数据都接到总线的SDA线，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL。

目前，51系列的单片机应用很广，但是它们都没有I2C总线接口，限制了在这些系统中使用具有I2C总线接口的器件。但通过对I2C总线时序的分析知道可以用51单片机的两根I/O线来实现I2C总线的功能。不使用单片机的I2C接口，直接通过I/O线编程来实现I2C总线的功能，即为I2C总线的虚拟技术。I2C总线规定SCL线和SDA线是各设备对应输出状态相“与”的结果，任何设备都可以用输出低电平的方法延长SCL低电平时间，迫使高速设备进入等待状态，实现不同速度设备间的时钟同步。因此，即使时钟脉冲的高、低电平时间长短不一，也能实现数据的可靠传送，可以用软件控制I/O口做I2C接口。

3.4 动力控制电路设计

在系统中，电机的作用是带动传动装置，然后使车库进行移动。电机是系统中重要执行部件，所有控制的目的都是为了车库的自动运行，因此动力控制电路的设计也是很重要的。

CPU的控制驱动信号通过两个NPN三极管Q1和Q2实现电机的转向。当P2.4为高时，Q1导通，继电器K1接通电流，并吸合其开关，电机正向接通电路，使电机正转；当P2.5为高时，Q2导通，继电器K2接通电流，吸合其开关，电机反向接通电路，使电机反转。D1和D2是泄流二极管，以保护三极管免受高压冲击。在电路中，J1和J2和电源相接，其中1脚都接电源的正极，2脚接电源的负极。动力控制电路如图3.9所示。

18190.01uF2012MHzC2XTAL2XTAL1GndAT89S51P2.3P2.2P2.1P2.0242322218VCC9CLKMR74LS164Q4Q5Q6Q7101112135678efgdpedcdp8SEG-LED0.01uF内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

J1-+21CON2R71kΩP2.4R810kΩQ1NPNK1M1K2+J212VCC+-VCCVCCVCCR91kΩP2.5DIODER1010kΩQ2NPNRELAY-DPSTD2MOTORA-CON2RELAY-DPSTD1DIODE

图3.9 车库的动力控制电路

在本设计中，电机按模型来进行设计，采用的是小功率的直流电机，控制方法比较简单，可以控制电机的启动和停止，也可以控制电机的正转与反转。电机的额定电压根据电机而定，而不是固定的。虽然电机采用模型，但是可以实现实际工程中的主要功能，控制方法还是比较合理的。

在实际的工程项目中，由于立体车库系统庞大，电机采用20kw以上的大功率的交流电机，这样才能满足系统要求。大功率的交流电机一般是用变频器来进行控制的，在这里就不做介绍了。

3.5 LED显示电路设计

3.5.1 LED数码管简介

根据LED数码管内各笔段LED发光二极管的连接方式，可以将LED数码管分为共阴极和共阳极两大类。在共阳极LED数码管中，所有笔段的LED发光二极管的正极连在一起，而在共阴极LED数码管中，所有笔段的LED发光二极管的负极连在一起。

下图为共阴极（a），共阳极（b），数码管封装图（c）：

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+5Vgfcomababcdefgdpa)abacdeedfgdpb)c)edcomddpfgcdpb

图3.10LED数码管引脚图

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 3.5.2 驱动电路

驱动芯片采用74LS164，74LS164是8位的移位寄存器。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。

VCCP1.1P1.2P1.3P1.4P1.510uFC323456789P1.1/TP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89S51RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GndAT89S51P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPP393837363534333231内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7R19220R21R58.2kΩINT01011121314151617181920220ALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.03029U3282726252423222112P2.5P2.48VCC9ABQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7345610111213R6220Ω*8U412345678abcdefgdp9VCCafegdbcdpR25220CLKMR74LS164R2712MHz2208SEG-LED

图3.11LED显示电路

单片机处理得到的结果要送到LED显示器中显示，还需要通过LED显示接口电路

J1-+21CON2K1M1K2J2VCCA驱动LED数码管才能完成。因为本设计的立体车库只有8个车位，1+所以选择一位的LED

+-VCCVCCMOTORVCC2-数码管即可完成所需的显示任务。LED显示电路是1个LED数码管通过74LS164的驱

Q1NPNRELAY-DPSTR91kΩD1Q2RELAY-DPST动电路和单片机相连，图3.1为单片机与LED数码管的连接方式。 R10P2.5NPNDIODE10kΩD2CON23.6 其他部分介绍

DIODE以下几点是实际的立体车库中必需的部分，在这里说明一下，不做详细介绍。 （1）在硬件设计中，没有介绍车库的车门控制部分。在实际的应用中，有专门的车库门控制器。控制器具有自动感应装置，当有车辆要存入车库时，车门会自动打开，完成存车后，车门自动关闭。

（2）当电机断电以后，由于惯性的存在，电机还会继续转动，不会立即停止。所以需要制动器，来对链条就行抱死。当需要车位旋转时，制动器应该停止工作。在本设计中可以采用和电机控制的电路相同，在电机控制电路上加上制动控制器，当电机导通的时候，制动器不进行制动，当电机断电时，制动器进行制动。

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第四章 控制系统软件设计

硬件电路确定以后，控制系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。控制系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与完善的软件设计是分不开的。这一章主要进行控制系统的软件设计，并详细阐述各部分的功能和实现方法。

4.1 车库的操作流程

车库整体可以随电机旋转，当有车存放时，电机转动，将空位旋转至车库的入口处，车放入车位后即完成存车动作。取车时，电机带动车旋转至出口处，车即可取出。

自动寻位式立体车库的核心原件是单片机，自动管理控制系统由多个执行元件、动力源构成。控制系统包括微处理器、IC卡、检测系统、停车单元控制器以及显示屏等。单片机是车库控制系统的核心，当用户对操作平台进行动作时,单片机会接受并分析指挥用户操作，判断检测元件的状态，读取执行元件的信息,然后通过软件做出合理的控制安排,反馈信息到执行元件、操作平台，带动车位移动到相应的位置,实现车位的移动。

由于车库是自动寻位式车库，不需要人员干预，因此对于存取车的智能化是必要的，这就需要采用智能的存取方法。采用磁卡来存取车是十分方便的，当有客户存车时，插入一张空白卡，申请存车；单片机读出卡上的信息；单片机根据接收到的请求信号，先判断是存车信号，把一些必要的信号写到卡上，然后根据就近取车原则自动查询，找到车位后，将空车位转到车库的入口处，同时车库门开启，此时客户将车开进车库内的空车位处，司机持卡离开，完成存车的操作流程。

当客户来取车时，首先插入存有信息的磁卡，申请取车。读卡器读出卡上的信息，并且把信息送给单片机。单片机根据磁卡上的车位信息，判断取车的信息，同时将IC卡的信息清空。电机带动车转移到车库门处。然后打开车门，司机取出车，车库门关闭，

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完成取车的操作流程。

4.2 系统主程序

系统主程序是控制单片机按预定的操作方式运转的程序，其主要完成的基本任务有：系统自检、初始化、接口命令及条件触发及调度执行模块等。图4-1是系统主程序的流程图。

开始初始化有存取车请求吗？是调用存取车子程序否调用空车位显示子程序

图4.1系统主流程图

开始以后首先初始化，然后进行随机扫描，判定是否有存取车请求。如果有存取车请求，程序调用存取车的子程序，进行存取车过程，然后执行空位显示子程序，用来显示空位数。如果没有存取车请求，跳过存取车子程序，直接执行空位显示子程序，显示空位数。

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4.3 存取车流程设计

4.3.1 调车过程和调车原则

存车时，先按下“存/取车”键，程序内部设定存车开始标志，内部程序自动寻找空位，存车开始，电机在程序控制下运转。在车辆到达目的车位时，程序控制电机停车，制动器抱死，存车后该车的编号写入IC卡中。

取车时，先按下“存/取车”键，程序设定取车开始标志，再插入IC卡，读取IC卡中的信息，由程序控制电机运转，开始取车过程，当待取车辆到达车库出口位置时制动停车。实现停车设备合理存取车辆的关键是按一定的调车原则调度车辆进出，解决车辆的自动存入对位和自动取出问题。

本文采用的调车原则是调车时间（或路径）最短。根据判断离出口最近的车位来旋转存入的车位，然后将该车位移至入口处。 4.3.2 停车系统模型

本文研究的停车系统模型如图4.2所示。模型中代表停车托架的方框所在位置为停车位，框中数字表示车位号。模型共有8个停车位，0号车位在车库的出入口处。在设备运行时，托架随链条循环移动，但停车位的位置和车位号固定不变。设系统逆时针转动为正转，顺时针转动为反转。

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4567321正转反转图4.2停车系统模型

当采用MCS—51系列单片机如AT89S51构成停车设备控制系统时，可用控制器存储区内某些RAM单元位作为停车设备的车位空/满标志位。如用位寻址单元20H的8位，标志0—7停车位的停车情况，用0表示停车位空（未停车），1表示停车位满（已停车）。在每次存取车时，控制系统先根据该RAM区中的值判断设备存车情况及其分布，然后根据调车方法确定控制方案。而在另一RAM区，如30H～37H单元，按车辆编号与单元序号相对应，保存已编号的停放车辆所在的停车位号。

0

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4.3.3 存取车流程

开始读取IC卡信息否存车吗？是调用IC卡读程序读取IC卡信息否自动检测空车位有无该车信息是确定空车位及转向和车位数确定转向和移动车位数调用IC卡写程序写入存车车位控制电机转动否控制电机转动车位旋转到位？是用户入库取车车位旋转到位？是开车入库存车否检测车辆是否取走？是否返回

图4.3车辆存取流程

存取车流程如图所示。在存车时，先判断00H(20H.0)位的值。若该位值为1，表示车库无空位，停车已满，不能再存车；若其值为0，表示车库有空位，可以存车。

找到满足条件的空车位后，可根据程序循环移位次数判定电机运转方向和托架移过

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的车位数即循环车位数。设程序循环移位次数为Rl，机械系统循环移过的车位数为R2。若循环移位次数Rl>4则反转，旋转车位数R2=8-Rl；若循环移位次数R1≤4，则正转，循环车位数R2=R1。

在控制系统中，用光电开关检测托架转过的车位数。光电开关与单片机外部中断0输入端相连。光电开关每输入一个脉冲，内部的程序进行计算，自动加1。计数时在计数初值的基础上以加法计数，并能在计数过程中从全“1”变为全“0”时自动产生计数。根据循环车位数设定计数的初值，按正反转判定结果控制电机运转，由光电开关输入的脉冲对托架转过的车位数计数，直至计数结束，控制电机停车，完成存车过程。

取车时，按照上述方法，即可完成取车过程。

4.4 IC卡读写程序

关于车辆的信息，如编号、车库号等控制参数是存放在EEPROM 24C02中的，凡是涉及到控制参数的，都需要对24C02进行读写。

根据芯片写数据的时序，对24C02的写子程序流程如图4-2所示：

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启动操作写入芯片地址A0H等待芯片ACK信号写入数据存放地址等待芯片ACK信号写入车位信息等待芯片ACK信号停止操作 图4.4IC卡写程序流程图

流程图中的启动和停止操作是根据图4-3中的芯片启动和停止时序编写的，图中的ACK信号是芯片每收到一字节后将SDA电平拉低，作为应答。启动操作过程如下： (1)将SCL置低 (2)将SDA置高 (3)将SCL置高 (4)将SDA置低 (5)将S CL置低 停止操作如下： (1) 将SCL置低 (2) 将SDA置低 (3) 将SCL置高

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(4) 将SDA置高 (5) 将SCL置低

其中，以上每步之间都要加入一个空操作。

SDASCL开始停止

图4-3 I2C总线起始及停止状态定义

从图中可以看出在SCL为高电平时，SDA有下降沿到来，高电平时，SDA有上升沿到来，则芯片停止。将一个字节的数据写入24C02的操作过程如图4.4：

将SCL置低将SDA置为要写入位的电平否将SCL置高一个字节是否写完？是将SCL置低将SCL置高SDA是低电平？是将SCL置低否

图4.5字节写操作过程

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芯片读数据的时序可分为两种情况：读当前地址内容(当前地址指上次读写地址加1)的时序；读数据块的时序。其相应的程序流程如图4.5所示。

启动操作启动操作写入芯片地址A0H写入芯片地址A1H等待芯片ACK信号等待芯片ACK信号写入数据地址读取信息等待芯片ACK信号等待芯片ACK信号停止操作

图4.6芯片读程序流程图

4.5 LED显示程序

首先判断有几个空位，通过下面的流程来实现。首先对每一车位进行检测，然后将检测状态送入m，通过m的计数来得到所要显示的数值。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/62wg.html