毕业设计（论文）-机械式立体停车库下位机系统设计.doc

杭州电子科技大学本科毕业设计本科毕业论文（2011届）题 目机械式立体停车库下位机系统设计学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级学 号学生姓名指导教师完成日期2011年6月摘要随着我国经济的飞速发展，汽车保有量的不断增加，停车难已成为一些大城市的问题。国外的许多城市，也存在停车难的问题。世界各国在解决这一难题中采取的措施有所不同，但机械式立体停车库的应用是各个国家都积极采取的解决办法。 垂直升级式停车设备是一种机械式立体停车设备，本文针对自行设计的一种新型垂直升降式停车设备的结构特点及其对控制系统的要求，提出了停车设备单片机控制系统方案和电力拖动系统方案；进行了控制系统软硬件方案设计和调速方案设计；最后对研究工作做了总结和展望。 本文提出了一 种单片机控制系统方案，完成了系统硬件电路原理图的绘制；软件的设计。 根据停车设备运行特点和电气控制要求提出了系统电力拖动方案。该方案确定了电力拖动系统的组成:选择了电机和各低压电器；确定了停车设备运行速度曲线。关键词：停车设备；单片机；控制系统Abstract Along with speedily developing of our country economy and the automobile in the city-retained amount having sharp increase，the difficult problems of city parking has appearedIn addition，many foreign cities lack of parking place alsoThough that country of the world adopts different solution，application of the space-parking system is unified method The vertical lifting parking equipment is one type of the mechanical parking equipment.According to the structural traits of a new type of vertical lifting mechanical parking equipment designed by us and the requirements to the control system, a kind of single-chip microcomputer control system scheme and a electric power draw system scheme are developed in this paper; The control systems hardware and software scheme are designed; In the end,the summary and the prospect to this papers study work is given. A single-chip microcomputer control system scheme is presented in this paper; the design and the drawing of hardware circuits is made; the software program is compiled. Based on the parking equipments working traits and the requirements of the electrification control, the electric power draw system scheme is developed. The scheme determines the component of electric power system, the selection of electrical machinery and all kinds of low pressure electrical equipments, the determination of working velocity.Key words:parking equipment；single-chip microcomputer；control system目录第一章 绪论11.1 课题来源和意义11.2 本课题国内外研究动态21.3 本文主要研究内容3第二章 停车设备结果和工作原理42.1 机械式立体停车设备的类别及特点42.2 垂直升降式停车设备结结构和工作原理52.2.1 升降驱动系统62.2.2 车辆存取方式7第三章 停车设备单片机控制系统设计93.1 停车设备控制要求93.2 停车设备控制系统总体结构93.3 停车设备控制系统硬件设计113.3.1 单片机子系统113.3.2 复位电路133.3.3 信号输入电路143.3.4 输出驱动电路173.3.5 键盘/显示电路203.3.6 时间处理电路223.3.7 蜂鸣器报警驱动电路233.3.8 供电电源233.4 停车设备控制系统软件设计243.4.1 主要程序模块及其流程图243.4.2 软件调试273.5 控制系统的抗干扰措施273.5.1 硬件抗干扰273.5.2 软件抗干扰28第四章 停车设备电力拖动系统294.1 电力拖动系统组成294.1.1 曳引电机294.1.2 停车设备安全技术304.2 停车设备运行速度曲线314.3 停车设备超速保护324.4 调速方案324.4.1 交流变极调速324.4.2 交流变频变压（VVVF）调速324.4.3 交流变压（ACVV)调速35第五章 结论和展望365.1 本文取得的结论365.2 对今后工作的展望36致谢37参考文献38附录40杭州电子科技大学本科毕业设计第一章 绪论1.1 课题来源和意义 改革开放30多年来，由于国家实施了鼓励汽车工业快速发展的产业政策，汽车保有量因此迅猛增长，年均增长率15%-20%，去年已达2000万辆1-4。汽车大批量进入个人家庭，并且绝大部分的轿车集中在大、中城市，停车难、行路难成为困扰城市交通的难题，如何解决停车难也成为网络热点话题之一。几年来我国的房地产业呈现飞速发展的势头，但是增加容积率的同时却少有与之相配套的现代化的停车库方案，房地产开发和商业地产开发在建筑中大多采取较原始的自走式的停车库设计，占用土地较多，容纳车辆有限，很难满足停车需求。如今的城市街头、住宅小区，因为缺少足够的泊车位，日趋拥挤的马路停车成为普遍现象。据中国重机协会停车设备工作委员会理事长任伯淼介绍，目前我国静态交通基础设施严重落后于动态交通基础设施，全国停车位缺口平均在60%以上，全国供轿车停车的泊车位缺口在400万个以上，而近几年新增轿车每年在200万辆左右，按泊车位与轿车数之比为1:1.2计算，每年需新增泊车位240万个才能满足新增轿车停车的需求5。在许多城市停车难的问题的凸现，不同程度上已经影响到私人的轿车购买欲望。汽车数量的不断增加，不但给动态交通，也给静态交通带来很多的难题，突出的问题是停车空间不足，城市用地紧张，导致城市动态交通进一步恶化。同时，我国城市人口为两亿多，有人口基数大，密度高的特点，许多居民的住房问题还未得到彻底的解决，有限的地表面无法有效的承载过多的车辆。因此解决停车问题成了汽车工业和城市发展的基本课题之一，而机械式立体停车设备将能有效地解决城市停车难问题。与平面停车场相比，机械式立体停车设备具有以下优势6-10：（1)有较大的车位密度。机械式立体停车库无需修建坡道和匝道，车体存取由托盘或支架的移动完成，各层车架之间的高度仅按车体的安全高度设计，从而使单车存放的平均占地面积和占有空间达到最小，一般来讲，机械式停车库车位占地面积是平面型停车场的1/2-1/25 ，可大幅度地减少土地投资。（2）自动化停取，效率高，安全性好。通过电脑程序控制移动和升降动作使车辆存取时间达到最小，也避免了人工操作可能造成的各种失误 普通机械式立体停车库的存取平均时间不超过2分钟。存取过程没有驾驶员及其它人员的介入，现场可视性好，因而减少了车场的犯罪概率。在技术方面，机械式立体停车库采用钢架结构，强度、刚度及稳定度设计有足够的裕量，还具有车身超长检测、上限位保险、机械定位锁定等控制功能，从而全面保证车库的操作安全性并具有足够的抗风抗震能力。 （3）形式多样，适应性强，对环境的副作用小。机械式立体停车库的形式多样，适应于如建筑物地下层、地上层、商业闹市区、住宅小区等不同的环境，可与市区景观融合设计 新型的机械式立体停车库多采用模块化设计、标准化系数高、互换性好、对地基无特殊要求，能根据用户要求方便地进行拼装和改型。对环境无影响。 （4）投资成本低，运行费用小，经济效益显著。当前城市土地是寸土寸金，前述占地少、地基无特殊要求、模块优化及标准化设计使机械式立体停车库的建筑投资规模相对较少，分析表明垂直升降式机械式立体停车库的每个车位建造费用约为自走式停车场的67%，多段升降横移式为自走式的30%。而机械式立体停车库运行只需要很少的管理人员，存取过程的能耗也小，其周围墙壁还可以作广告创收，因此投资回收的年限较短。对制造企业而言车库的利润可达到 15%-20%，被认为是汽车相关工业的新的经济增长点。一方面是停车位的严重不足，一方面却是急剧增长的机动车保有量，再加上在确保安全、流畅的交通环境，整洁优美的生活环境以及保持社会的安定方面起的重要作用，我们有理由相信机械式立体停车设备制造业具有极为广阔的市场前景。1.2 本课题国内外研究动态 机械式立体车库起源于20世纪60、70年代的日本、台湾、香港等地，随着经济的飞速发展，城市车辆数量日益增多，机械式立体车库也得到了快速的发展。 亚洲的停车设备技术起源于日本，日本从20世纪60年代开始从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今已有四十多年的历史。目前在日本从事机械式车库及其设备开发、制造的公司约有200多家，其中生产机械式停车设备的公司约100多家，比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。从90年代起日本每年投入运行的机械停车泊位都在10万以上。目前全日本己经投入使用的机械式停车位超过300万个，其中以升降横移式停车设备为主。对于日本，优势在多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。 韩国机械停车设备技术是日本技术的派生。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年代开始进入使用阶段。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。 在欧洲，德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产也比较早。较好的公司有:意大利Sotefin, Interpark,德国Palis等。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。多数为巷道堆垛式产品，多层升降横移式产品应用也很好。德国和意大利等欧洲国家的优势主要在巷道堆垛类产品上。 我国在20世纪80年代初开始研制和使用机械式停车设备。80年代是起步阶段，90年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，尤其是轿车进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，已经形成了新兴的停车设备行业，步入引进、开发、制造、使用相结合的初步发展阶段，现在从事停车设备制造的企业数约有100家，其中主机生产企业超过50家27。1.3 本文主要研究内容 (1) 单片机控制系统硬件方案的确定 垂直升降式停车设备是机械式立体停车设备的一种型式，本文根据自行设计的一种新型垂直升降式停车设备的结构特点以及对控制系统的基本要求，设计了单片机控制系统硬件方案，包括采用了高可靠性的电路和元器件、绘制了硬件电路原理图。该方案由INTEL的MCS-51系列单片机89C52和相应的扩展电路构成，并由EDA设计软件Protel绘制硬件电路原理图。 （2）控制系统软件程序的编写本文使用MCS-51汇编语言编写了汇编程序，包括按键处理、存取车程序、执行电机输出、光电信号检测、显示控制单元、时间处理、看门狗等程序。 (3) 停车设备电力拖动系统方案的确定 垂直升降式停车设备对电力拖动系统有其特定要求。本文根据停车设备运行特点和电气控制要求，提出了系统的电力拖动系统方案。包括执行电机和各种低压电器的选取及其使用原则、停车设备准确定位和平层技术、速度运行曲线、双速变极调速控制和单片机控制的变频器调速方法等。 第二章 停车设备结果和工作原理2.1 机械式立体停车设备的类别及特点 机械式立体停车设备的类别、代号参照JB/T8713-1998机械行业标准，可按其工作原理来划分。其类别和代号有11:升降横移式(SH)、巷道堆跺式(XD) ,水平循环式(SX)、垂直升降式(CS)和垂直循环式(CX)等。1）水平循环类（SX）立体停车设备。采用一个水平循环运动的车位系统来实现存取车，根据其运动形态环分为圆形循环式和箱形循环式。水平循环类机械式立体停车库的主体结构为一水平放置的链式输送机，车辆停放在链式传送带的托盘上，随着车辆的入出库，所有车辆同时按固定次序作循环运动，整套系统由一大型电机单独驱动。水平循环式机械式立体停车库外形狭长，通过采用两层停车结构，可以有效地提高狭长地段的土地利用率。由于整个车库只有一个水平循环动作，因此电气控制系统简单，便于维护但是由于其平动机构导轨易于磨损，因而增加了维护工作量。水平循环式机械式立体停车库停车数量受到单一驱动电机功率和结构限制，一般在十几辆左右，可以通过组合，来达到所需的停车数量。2）垂直循环类（CX）立体停车设备。采用一个垂直循环运动的车位系统来实现存取车，根据汽车驶入存车装置位置的不同分为下部驶入式、中部驶入式和上部驶入式三种形式。一般情况下既有把存车装置组装在独立的塔形构造内，也有将存车装置组装在大楼等建筑物内某个部分的构造形式 垂直循环式塔形机械式立体停车库的主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在呈圆形或长圆形配置的托盘上，由做垂直循环运动的链条带动，在平动机构控制下保持车位水平 这种车库由单一大型电机驱动，电气控制系统简单，但其平动机构也存在导轨易磨损的问题。垂直循环式塔形立体停车库停车数量受驱动电机功率及结构等因素限制，一般可停车 辆 该种机械式立体停车库的最大优点是运动关系和电器控制简单，但它的缺点也很明显，传动噪音大，结构易变形，存取车速度慢，由于停车室狭小、环境差，能耗高，因此呈逐步淘汰之势。3）升降横移类（SH）立体停车设备。采用载车板作升降或横移来存取车辆 此类停车库将载运和存放汽车的载车板与专用升降机等升降装置组合在一起使用，构成立体存车的方式，依照汽车的前后方向（纵向）或左右（横向）来设置存车室又分为纵向式和横向式两种 升降横移式机械式立体停车库多为中、小型车库，停放车辆数目从几辆至几十辆不等，一般采用 层结构 多层升降横移式机械式立体停车库由两层升降横移式机械式立体停车库扩展而成，它的顶层只升降，底层只横移，而中间层既升降又横移 它既有两层式构造简单、便于安装组合、容易控制等优点，又比两层式节省几倍的土地 其他如安装调试、消防、地基及外装修方面的投资很少，因此它广泛应用于住宅小区、公共场所和机关单位等各类场合。 4）垂直升降类（CS）立体停车设备。用升降机将车辆提升到指定层，并用存取机构存取车辆 它像电梯那样，把车提升到一定高度，再用横移机构把车存入泊位中 这种车库有几十米高，每层有个或几个泊位。它要求升降速度快，结构刚度好 一般采用工业计算机或高档可编程序逻辑控制器构成其自动控制系统，实现存取车自动控制、自动计费等功能，也可实现无人化操作。其地皮利用率高，但对地基、消防、工作可靠性和安全性等要求高，单车成本高。受存取车的时间等因素的限制，5层以上的多层升降横移式车库成本显著增加。若用多层垂直升降式（电梯式）替代，它的单车位成本甚至比5层以下的多层升降横移式还要低，它的存取时间比多层升降横移式少。与同规格的竖直循环式相比，结构刚度好，存取车效率高，底层存取车室环境好，功耗低，噪音小。由于其土地利用率高，因而是繁华地带和商业中心首选的形式之一，是发展前景较好一种机械式立体停车设备。 5）巷道堆垛类（XD）立体停车设备。用巷道堆垛机或桥式起重机，将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到泊车位并用存取机构存取车辆，巷道堆垛式机械式立体停车库是由停车位与升降装置立体组合而成的停车设备，升降装置可整体横向移动或升降装置的搬运器可横向移动，停车位设在升降装置升降道的两侧。这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，为电梯附加行走机械而成，其容车数量一般在100辆以上，从升降装置向停车室运送车辆的方式也有由车自行和由运送装置自动运送两种方式。2.2 垂直升降式停车设备结结构和工作原理 垂直升降式停车设备习惯上称为电梯式立体车库，同时亦可称为塔式立体停车库，它是将存车位分布在井道周围，然后通过提升机构在井道内做升降运动，实现车辆存取功能的机械式停车设备。 此类车库一般每层可以存两辆车，整个车库一般在10层以上，可以停放20-60辆汽车，而占地面积不到50平方米，所以具有很高的平面和空间利用率，具有高效、节能、噪声低、安全可靠、操作筒单、维护方便等特点。最适合建在寸土如金的城市中心区。 典型的垂直升降式停车设备的结构简图如2-1。提升系统居中，停车位纵向并列布置在提升井道的两侧。车库高12层，并可根据以后不同用户的需求进行扩展。车辆的出入口在停车库整个停车位的最下一层，整个车库的占地面积大约60平方米。 该垂直升降式立体停车设备主要由升降驱动机构、存取机构、回转机构、托盘、停车架及电力拖动系统和电气控制系统组成13。存车时，司机将车辆开至停车设备回转机构托盘上适当位置后，关好车门退出停车设备，由管理人员操作按键，程序按事先设定的存车算法，控制电机起动，带动升降机构作上升运动，到指定停车层高度后停止上升，这时存取机构将车存入到停车架的停车板上，完成存车过程。 取车时，在操作台按下所取车的编码键，程序按事先设定的取车算法，启动电机并带动升降机构运动到指定层高度，之后存取机构从停车板上将车取出，接着再控制电机的启动，使升降机构将车停放到回转机构（如果车头方向不对，可控制回转台使其回转至车容易驶出停车库的方向），司机进入托盘上的轿车，将车开出。 图2-1垂直升降停车设备结构简图2.2.1 升降驱动系统 在垂直升降式立体车库的组成部分之中，升降驱动机构是非常重要的一个部分，它的设置形式非常重要，其结构布置与技术含量将宜接影响车库的安全性和可靠性。 目前垂直升降式立体车库的升降驱动形式主要有曳引驱动和强制驱动两种，强制驱动形式又有钢丝绳式(卷扬式)和链轮链条两种形式26。 钢丝绳卷筒驱动机构在起重机械上被广泛的运用，是使用上较为成熟的技术。它布置灵活，起吊用的钢丝绳可在空间内变向设置。起吊钢丝绳失效状况可以用肉E艮观察得到，预防性好。但是它的结构尺寸较大，占用空问大，对提升高度有一定的限制。而且钢丝绳使用伸长量大，平层时会引起升降搬运器上浮或者下沉现象。由于它自身结构的限制，钢丝绳式(卷扬式)在垂直升降式立体车库中没有得到更广泛的应用。 链条提升式具有结构简单、价格低等优点，在低速电梯和低层的立体车库(垂直升降或平面移动式)上都有应用。用于垂直升降立体车库时，在车库的层数不多，提升速度要求不高时可以选用。 曳引式是一种被广泛应用于电梯上的提升方式。与卷扬式相比，它不仅具有卷筒驱动的一些优点，而且还克服了卷筒驱动机构的不利因素，例如，与卷筒相比，它的尺寸大大减小，同时提升高度要比卷筒高很多，可用于高层的车库，因而被广泛的选用。 为了提高车库的运行效率，立体车库要求升降系统有较高的提升速度，并具有良好的可靠性。在参照和比较现有成熟的电梯技术的基础上，决定选定曳引式升降驱动方式。动力源选用高效节能的圆柱齿轮减速曳引机。曳引电机选用矢量控制方式变频器，可根据载荷大小和运行方向改变升降速度，有效利用电机的输出功率，其调速性能和运行的平稳性均能满足停车库的要求，平层精度15mm。升降驱动的传动机构(包括电机、减速机等)设在停车库的顶部。2.2.2 车辆存取方式 利用机械装置从提升机构中将车辆送至泊车位或将车辆从泊车位取回至提升机构是垂直升降式立体车库最重要的功能之一，也是它与普通汽车电梯的根本区别所在。垂直升降式立体车库的存取车方式主要有以下几种12： (1)滑叉载车式：在提升机构上安装一套多级滑叉机构(多为3级滑叉)，存车时，滑叉逐级滑出，将载车板送至停车位上方，再轻轻放下，然后收回滑叉；取车时，先将滑叉滑出至载车板下方，再略微抬起，当载车板与停车位托架分离后，将滑叉和载车板收回至提升机构。 (2)链传动载车式：其基本原理是以链传动的形式，通过一次微横移和一次横向横移来实现载车板的存取。存车时，第一次微横移的作用是推动横移机构连同载车板作短距离横移，越过升降轿厢与停车位之间的间隙；第二级的作用是通过每隔一定链节设置的加强链轴(两排链轴联结并加强)或拔叉(或在加强的链轴上再加装拨叉)随链条转动直线拨动载车板下部的挡板，使载车板平稳地转移到停车位的托梁上，为了减少摩擦力，一般还安装尼龙滚轮，在载车板底部与托梁接触的部位安装尼龙条。 (3)摆杆式：摆杆式横移装置是在升降轿厢底中部设置一个可正反向360。旋转的摆杆。在托盘下部靠近井道一侧的适当位置安装挡块，通过摆杆从不同方向拨动挡块以实现托盘的横向移动。该方式在欧洲，尤其是德国使用较为常见。日本也有类似的改进型产品。 在垂直升降式立体车库的这几种存取方式之中，链传动式结构紧凑，占用空间位置小，在保证了提升机构的平层精度15mm的情况下，是较理想的选择，因此选用链传动式作为车库的车辆存取方式。第三章 停车设备单片机控制系统设计3.1 停车设备控制要求 垂直升降式停车设备控制系统主要包括电力拖动系统、选位系统、存取车按键操作及指示系统、门机系统以及安全保护系统等。 拖动系统:采用交流接触器控制交流电机带动停车设备的传动系统，实现车辆的存和取，有实现快速、慢速控制用接触器。 选位系统:通过光电开关和软件算法实现停车设备的选位(选择停车位即车辆的停放位置)，该系统仅用于自动工作方式。 存取车按键操作及指示系统:实现存、取车自动和手(点)动按键操作及控制，以及显示设备的工作状态、指示相应的操作、显示存取车辆的编号、存车时的当前时间或取车时车辆停放的总时间以及设备故障代码等。 调速系统:停车设备对车辆存取时间有一定要求，而且为了保证运行安全、低噪声以及平稳起、制动，就要求系统能以较高速度运行，且能实现加、减速功能，因此立体停车设备电力拖动系统一般都采用交流变极或变频调速技术。 门机系统:由接触器控制开关门电机通断，并设联锁安全检查装置，当托架未停到准确位置时，库门不能开启，当库门处于开启状态时，托架不能运行。 安全保护系统:含电机电气保护装置及其它安全防护检测、报警装置。 润滑系统:本文研究的停车设备其传动系统使用链条传动，链条的使用寿命将直接影响停车设备的使用寿命。润滑系统需定时定点提供传动链条的润滑油，以减少链条传动摩擦力，主要有润滑电动机以及相应的机械结构等组成。 单片机控制系统对停车设备实现无触点控制，具有调速控制、准确平位、自动和手动操作等功能，能满足停车设备控制要求。3.2 停车设备控制系统总体结构 垂直升降式停车设备单片机控制系统如图3-1所示。其电力拖动部分主要由曳引电动机、失电制动器、制动电磁铁和正反转用转控制用接触器、星/三角换接起动用接触器、断路器、热继电器、闸刀开关，熔断器等低压电器组成14。除闸刀开关，紧急停止按钮由人为直接控制以及一些低压电器自行通断之外，其余都由单片机控制系统控制。 停车设备单片机控制系统元件数量、I/O开关点数较多，设计一块印刷电路板对安装、调试和维护均不方便，因此分为几块电路板设计。整个控制系统由主控制电路板(最小系统)、外驱动输出电路板、外信号输入电路板、键盘输入电路板、LED显示电路板和电源等组成。硬件电路板以插件板的型式集中安放在控制箱内。控制箱采用金属外壳，起屏蔽作用，保证系统运行可靠。同时为了便于设计、安装、调试及系统功能逐步扩展的需要，把整个控制系统按功能划分成几个功能模块，并且在控制箱内设置多个扩展槽，便于系统扩展。这样构成了完整统一的停车设备控制系统。 主控制电路板由单片机、安全保护电路、扩展输入输出口等组成，是整个控制系统的核心。该板上皆用+5V电源。 外驱动输出电路板由光电耦合器和双向晶闸管驱动器构成。控制电路板输出的控制信号经该电路板驱动执行元件工作，通断电机主控制回路，完成控制要求。该电路板输入部分使用+5V电源，输出部分外接交流220V电压。外信号输入电路板是一组光电耦合器。通过该电路板，控制系统可获得外界各种开关量信号状态，据此实现控制要求。它和外驱动电路板一起使主控制电路板浮空，避免外界干扰信号和电源电压不稳对单片机电源的影响，减少系统所受干扰，以提高系统的可靠性。该部分使用+5V和+12V两种电源供电，使光祸的输入和输出部分不共地，以达到信号隔离的目的。 键盘输入电路板装有一组38矩阵键盘，键盘上根据控制要求设有数字键和功能键，用于输入人工存/取车操作指令(自动或手动)。显示电路板由8位8段共阴LED数码管和相应的驱动电路构成，用于显示设备的运行状态、指示相应的操作、以及存/取车后显示车编号和停车时间等。 电源电路单独设计，并与上述印刷电路板分开，确保控制器工作的可靠性。 各电路板之间用接插件和连接件进行软连接，以满足将来安装防振的要求。接插件设有锁紧机构，以防脱落。所有电路可安装在一箱体中，外部接线均由接线端子引出，便于安装。 停车设备单片机控制系统由高可靠性的通用器件及典型电路构成，整体可靠性、可维修性和可扩展性较好。 图3-1 停车设备单片机控制系统原理图3.3 停车设备控制系统硬件设计3.3.1 单片机子系统 单片机子系统原理如图3-2所示18。系统由单片机89C52、可编程并行接口82C55和81C55、地址锁存器74HC373，3-8译码器74HC138， 12MHZ晶振、日历时钟芯片DS12887以及看门狗芯片X5045等元件组成15。地址分配如下：82C55由1FFCH-1FFFH(依次是A口地址、B口地址、C口地址和方式控制寄存器地址)地址访问；81C55端口由3FF8H-3FFFH地址访问(依次是控制(命令)/状态寄存器地址、A口地址、B口地址、C口地址等)；DS12887芯片内部地7FOOH-7F7FH(前10个字节存放时间、日历和警报信息，后四个字节存放控制命令和状态信息，其余114个字节可作为通用静态RAM使用)。电磁制动光耦及晶闸管驱动82C55复位电路接触器外部中断源输入74HC373光耦驱动 开关量89C52键盘输入键盘电路81C55电平转化MXA48774HC138 RS-485 网络设备状态 显示 电路时钟电路车编号及停车时间 DS12887图3-2 单片机控制系统结构框图AT89C52是带8K字节闪速可编程可擦除只读存储器(E2PROM)的低电压、高性能CHMOS工艺8位微处理器。该器件采用ATMEL非易失存储器制造技术制造，与工业标准的8051和80C51指令集和输出管脚完全兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高、价格低廉的控制方案。 AT89C52内有256字节的数据存储器(RAM),32个I/O口线，三个16位定时器/计数器，8个两极中断源结构，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。闪速存储器使用寿命为1000次写/擦循环，数据保留时间可达10年。此外，AT89C52提供两种软件可选的省电模式:闲置模式和掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器/计数器、串口和中断仍在工作；在掉电模式下，保存RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所有芯片功能，直到下一个硬件复位为止。所以非常适合使用在电池供电或其他要求低功耗的场合。 82C55, 81C55为89C52单片机的可编程I/O并行接口扩展芯片。82C55有3个8位并行I/O接口PA、PB和PC。这3个口可以独立编程为输入或输出口，其中PC口有位控功能。该芯片有三种工作方式，通用性很强。本系统将82C55设置为基本输入/输出方式0，控制字为90H。81C55也有3个并行1/O接口A, B和C，与82C55的主要区别是其C口只有6位，且比82C55多一个14位可编程定时/计数器，还多了256字节的静态RAM。本系统将81C55设置为基本输入/输出方式，控制字为03H。74HC373是8位锁存器，用于锁存低8位地址。74HC138是3-8译码器，通过译码决定扩展芯片的地址(选片)。外接的12MHZ晶振和电容与单片机内的高增益反相放大器一起构成振荡器，作为系统时钟发生器。附录为电路设计软件Protel绘制的单片机子系统原理图。 3.3.2 复位电路 抗干扰和长期可靠得保存数据是单片机应用系统设计必须解决的两个重要问题。目前在单片机控制系统中，电源的通/断、瞬时电源电压不稳及其他外界干扰信号引起的程序跑飞是造成死机、数据丢失和系统误动作的主要原因。为提高单片机控制系统的抗干扰性能，在控制系统中采用看门狗芯片X5045组成复位电路。该电路能实现上电复位、手动复位和系统运行异常自动复位功能，保证系统正常稳定工作。X5045引脚图和系统复位电路原理图见图3-3所示。 在程序执行时间超过看门狗设定时间或系统电压低于某一定值时，由看门狗电路自动产生超过两个机器周期的复位信号使系统复位，程序从OOOOH单元开始执行。采用该复位电路，在单片机程序运行异常和电源异常时能使系统可靠复位；在出现异常情况时，也可进行手动复位。 图3-3 X5045引脚图和系统复位电路原理图 X5045是 Xicro公司生产的系统监控集成电路芯片。该芯片把四种常用的功能:上电复位电路、看门狗定时器、电压监视器和块锁保护的串行EPROM存储器组成在一个8引脚封装之内。该组合降低了系统成本，减少了电路板空间以及增加了系统可靠性。向器件加电时激活上电复位电路，该电路保持RESET复位信号有效一段时间，待电源和振荡器稳定后，单片机再执行程序代码。 看门狗定时器对单片机提供了一个独立的保护机制。当系统出现故障时，在程序设定的超时时间之后器件将激活RESET信号。用户可从预置的值中选择一个超时时间，一旦选定，其值在断电后重启电源时也不会改变。 器件的低电压检测电路，可以保护系统免受低电压的影响。当电源电压Vcc降到其最小转换点以下时，系统复位，一直保持到Vcc恢复至正常工作电平和稳定为止。 X5045的存储器是具有块锁保护的CMOS4KB串行EPROM。器件具有串行外设接口(SPI)接口特性，其软件协议工作在一个简单四线总线上。它允许最少1000000次擦写和和最少100年的数据保存期。 在系统正常运行时，由于己设定X5045的超时时间，所以需要在超时时间未到达时，使用CS的下降沿复位看门狗定时器，即喂狗。为了利用X5045内部的4KB串行EPROM，本文在程序中可在每次存取车操作完毕后将更新的停车数据串行输出到该芯片中。只要系统出现异常复位，则从该芯片串行读入上一次的存放车情况数据到单片机RAM区，以防止系统受干扰复位后造成重要数据丢失，从而增强了系统的可靠性。3.3.3 信号输入电路 系统的信号输入量主要是开关量，有以下三种:停车设备升降机构位置的检测；系统运行前、运行时的状态检测；人为控制按钮或拨动开关状态检测。 （1）停车设备升降机构位置的检测 停车设备在存取车运行过程中必需知道存车托架的准确运行位置，才能实现选择电机换速时机、准确平层，完成正确的存取车操作。为此，需要安装一种测定停车设备升降机构位置的传感装置，通知控制系统现行运行位置，并保证电机在合适的位置换速。目前常用的传感装置有永磁感应器、双稳态磁开关、旋转编码器和光电开关等传感器。 要实现停车设备安全准确运行和平层，上述各种传感器各有其优缺点。磁性开关的缺点是响应速度慢，作用距离近，磁钢日久会退磁，后期失效率高，并且高温特性差。但磁性开关作为一种机械式开关，不怕受灰尘污染，也不受电磁干扰。旋转编码器即脉冲信号发生器作为检测电梯类系统运行位置的一种传感器，得到广泛应用。它装于曳引电动机输出轴端，与电机同步旋转，其输出通过脉冲整形光祸隔离接至控制系统，由控制系统对其脉冲计数，实现对系统运行距离进行精确控制的目的，保证了系统的准确平层，但价格较贵，且安装使用复杂。光电开关应用于停车设备系统，性能好于磁性开关，但在尘堵失效、抗电磁场干扰、防护抗潮方面存在一些问题。 (2) 系统运行前、运行时的状态检测 停车设备运行系统在运行前、运行过程中有很多开关量、状态量需要检测，比如对停放车辆进入设备前的长、宽、高检测，人员误入设备检测等(见表3.4),都需要一种检测装置来实现这些状态量的输入。 (3) 手动/自动选择开关、正常运行/检修开关、消防开关等人为控制开关，以便由用户设定停车设备工作模式。 本文采用光电开关检测前两种开关量，采用普通按钮开关或拨动开关检测后一种开关量。 光电开关在系统中起两个作用19-21:一是由光电开关实现对停车设备的存/取车过程进行控制。当有存/取车要求时，在主程序中按存/取车算法设定停车托架所需运转车位数，并控制电机运转，在每个停车托架经过光电开关有效作用范围内时，光电开关动作，触发4N25光祸，控制系统检测到INPUT口线的状态变化，并记录该变化，直到检测到光电开关的开合次数达到本次存/取车要求的托架位置时，控制电机按照预先给定的速度曲线切换系统运行速度以及控制停车设备的拖动系统停止工作，制动器抱闸，完成存取车过程；二是使用光电开关检测系统运行状态。存车前要检测待停放车辆的长、宽、高等状态，只有符合停车要求的车辆才能接收按键指令，进行存车动作；此外也通过光电开关监测系统在存/取车过程中是否有异常情况发生，如钢丝断裂、托架毁坏或其它导致设备故障需要迅速处理的情况等。该信号经光隔输入到单片机的INTO引脚，中断系统运行，在中断服务程序中使系统立刻停止工作，待维修人员进入设备做事故紧急处理后系统才能继续运行，从而防止毁坏停车设备和所停车辆。 开关量信号输入电路由20组电路组成，见图3-4和图3-5。信号检测元件等效于开关SA, V为4N25光电耦合器，R1为输入端限流电阻，取1K。R2为上拉电阻，取500。INPUT通过一非门(74LS04)取反后接至并行接口芯片82C55的PA口或PB口(地址分别为1FFCH和1FFDH)的一根输入口线。此电路使单片机子系统浮空，具有抗干扰能力强、结构简单的优点。 使用开关进行信号输入时，如上面所述的用来检测用户设定的停车设备1作模式用人为控制开关量输入电路采用图3-4所示电路，SA即为按钮或拨动开关。使用光电开关作为检测元件的信号输入电路原理图如图3-5，以实现存取车时对系统运行前、运行中状态的检测要求。图3-5中左侧框内为光电开关内部电路原理图，右侧即为图3-4的开关量信号输入电路，接线如图示。光电开关将振荡回路产生的调制脉冲经发射回路由发光管发射出光脉冲，当被检测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光电开关接收回路，在光电开关主回路中经放大器放大、同步回路选通整形、数字积分或RC积分排除干扰脉冲后，经延时或直接触发驭动回路，调制成电脉冲信号，此时受光指示灯发光，NPN三极管导通，同时触发导通光耦4N25，拉低INPUT线，由单片机检测该变化，并作出反应。图3-4 开关信号输入电路 光电开关是以光辐射驱动的电子开关，其基本工作原理是利用物体对投光器辐射光线所产生反射的有无或强弱来检测物体的有无，当一定强度的光辐射到其光敏器件上时，它便会产生开关动作，输出信号。 图3-5 NPN输出型光电开关信号检测原理图 漫反射型光电开关由发射器和接收器组成。由发射器发出的红外线经被测物体的表面反射回接收器，转变成电信号经放大去控制输出。 控制系统采用光电开关实现对升降机构动停的控制以确保系统准确平层停车以及检测系统运行状态的功能，因此光电开关在本停车设备系统中起着非常重要的作用。要实现停车托架准确停放在停车设备出/入口以及正确及时的检测系统工作状态，必须注意光电开关的正确安装和使用。如果安装位置不正确，可能造成系统运行失控，完成不了正常的存/取车过程。譬如停车时机错误，造成停车托架悬空，车辆无法开出；或者托架平位错误，使得没有按照程序设计要求将所需托架运转到出/入口等。为了保证停车设备可靠运行，在控制系统中采取了以下措施： a. 电机运行速度曲线一般采用阶梯形(见下章图4-1)。不同速度之间的切换以及控制电机制动停车是根据检测到的光电开关信号来判定的:当载有车辆的升降机构达欲停靠的目的层站前方某一距离时，由一组(两个)光电开关动作，控制系统检测到这一信号的变化，实现快速档到低速档的切换；当该机构到达平层区(即停靠位置上方或下方的一段有限位置)时，又有一组(两个)光电开关检测到该托架的到来，状态发生变化，控制系统切断电机电源，制动器抱闸，使系统停止运行。 b. 如果经济条件允许，在停车设备中应尽可能多的安置光电开关，用来检测系统各种运行状态，以确保整个系统的安全可靠。 在安装时 ，还需注意以下几点: 1. 光电开关有效作用距离 本系统采用的漫反射式光电开关的有效检测距离为lOmm。在安装时，要保证光电开关安装位置和被检测物之间的直线距离在lOmm以内，且在此lOmm内只能有被检测物(升降机构)出现，同时要求发射器光轴应与被检测物平面尽可能成垂直状态，否则可能造成光电开关接收不到漫反射回来的光线或者发生乱光现象，造成动作失误。 2. 光电开关虽然能在环境温度较高的场合下使用，但在安装时应避免传感器正对太阳光，如有必要，需加遮光罩。 3. 停车设备一般安置在户外。对于空气流通顺畅场所，要防止各种物体进入停车设备，造成光电开关的错误动作。可以在光电开关安置位置设置必要的防护装置，如在光电开关轴端装上一长度为光电开关有效作用距离之套筒，可以有效防止物体进入光电开关有效作用距离。4. 光电开关响应速度需要满足系统要求。停车设备是一个运动系统，为了保证检测准确可靠，光电开关动作响应时间需符合系统检测要求。在安装检测系统运行前、运行中状态的光电开关时，只需注意前三点，系统的开关量输入信号见表3-1。输入信号点数可以根据实际情况扩展。3.3.4 输出驱动电路 过去，输出控制通道往往选用继电器，但由于其噪声大和在机械性能方面的原因，现在己很少使用。在本系统中主电机使用三相380V交流供电，电机功率较大，交流接触器触点电流也较大，尤其在刚启动时电流更大，触头的通断可能会干扰单片机的正常工作。为了有效防止这种干扰，在输出驱动电路中采用了无触点开关双向晶闸管来实现强电的通断控制，同步过零触发电路实现双向晶闸管的同步触发。图3-6是采用双向晶闸管型光电耦合器22，驱动大功率双向晶闸管组成的无触点交流开关电路原理图。目前虽已出现连续电流1A以上的晶闸管型光藕合器，可直接控制小功率负载。但多数场合则作为驱动大功率晶闸管的中间环节。光电耦合器V1采用MOC3041，其作用是触发外部双向晶闸管V2即TLC336A,以及隔离单片机系统和接触器线圈。该驱动电路实现了弱电控制强电，有利于减小对负载的冲击和避免强交流电对单片机电源的干扰。图中KM表示220V交流负载接触器或制动电磁铁线圈。图 3-6 执行原件驱动电路 MOC3041光敏晶闸管的断态峰值电压为400V，可直接接在交流220V电路中。其控制原理是当流过其输入端发光二极管的电流大于触发电流，且输出端电压接近于零时，触发导通双向晶闸管。具体过程如下:当来自单片机的控制信号是高电平时，MOC3041的触发电流IF=O, MOC3041和双向晶hl管TLC336A都是阻断的，相当于交流开关断开。当控制信号送出低电平，IF到达一定大小的电流值(最大值为15mA)，光敏晶闸管被触发导通，其阳极电流成为TLC336A