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前言
近年来，全国机动车保有量以每年10%～15%的速度增长，城市私人小汽车每年的增长速度更是高达20%～30%，预计全国每年要新建约300万个停车位，才能逐步解决停车需求与供应的矛盾。
现今大部分停车场老旧的管理模式和落后的环境设施已经无法满足人们日益增长的需求。
现有的停车场普遍存在管理混乱、车位利用率低的问题。
与此同时由于受到城市市容、城市土地等因素的影响，今后停车场的建设将朝着规模化、分层化、大型化的方向发展。
目前例如广州、上海、青岛等大城市都相继建设车位数超过500的大型停车场。
然而大型停车场规模过大，且停车场内环境单一相似容易造成混淆，如果再加上缺乏相关的引导设施，那么车主将很难快速地找到相应的最佳停车车位并给车主取车造成困难。
此外由于有些空闲车位因为地理位置的原因，不能及时的被车主发现。
致使停车场的车位利用率降低，在城市车位紧张的状况下，出现车位资源闲置浪费。
为解决停车场管理混乱、车位利用率低、停车取车难的问题，本文提出了一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的设计与实现方案。
1、总体设计方案
本设计方案主要由三个子系统构成，即停车场车位导引系统、停车场车辆查询系统、停车场车辆收费管理系统。
在停车场车位导引系统设计时，本设计方案主要是利用逐级导引的方式进行车位的导引。
即通过停车场外围空车位信息指示牌、停车场入口处停车路径指示屏和停车场内交叉路口行车方向指示牌三级导引，逐步逐级引导车主到达最佳停车车位。
为车主节约宝贵的时间。
在停车场车辆信息查询系统设计时，通过停车场入口处获取的车辆信息，例如车牌号或是IC卡号等，将其作为车辆识别的信息。
车主可以通过查询界面对自己的车辆停放位置进行相关查询，而管理员可以查询所有的车辆信息。
此外通过停车场车位引导系统与停车场车辆信息查询系统的连接，可实现停车场取车引导。
在停车场车辆收费管理系统设计时，本设计方案利用车辆进入停车场时记录的识别信息，建立唯一对应的账户，记录该车辆的停车时间、停车费用、账户余额等信息。
通过管理员界面还可以对停车场的会员帐户进行充值。
2、软件设计与实现
2.1软件总体设计思想
本系统软件采用了分层设计的思想，分为应用层，控制层和物理层。
每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。
（1）应用层
本软件的最高层，程序实现功能的逻辑转换。
主要实现路径生成、查询系统、管理员界面的应用功能底层设计，其中最重要的是路径生成部分，其主要步骤有：
1.扫描所有车位，找到最近的空车位，将其作为目标车位。
2.采用分区域方式确定引导路径的前半部分。
3.目标车位和路径上点阵显示器的物理坐标做比较，得到后半部分完整引导路径。
4.将路径信息发往控制层，并向下层发送服务请求，实现硬件显示引导路径。
（2）控制层
接受应用层发来的服务请求，从软件上为物理层产生控制信号。
其中客户的账户计费、充值、查询系统为重点，对账户信息采用数组的方式来实现存储，涵盖了账户的停车时间、停车费用、余额以及登陆密码等信息。
其中停车时间和费用是对用户停车时间的累计及根据价格水平计算出的金额。
控制层提供了有口令保护的管理员账户后台入口，可以实现对价格水平的调整，对整个停车场的宏观调度，以及对用户的账户充值等服务，贴近现实，实际应用性强。
（3）物理层（驱动层）
软件的底层与硬件电路相连接，主要实现采集上层的服务信息，对硬件产生响应的驱动信号，实现由软件到硬件的信息转化。
采用51单片机作为下位机，对硬件进行信息的串并行转换，并实现了底层点阵显示器的动态扫描，大大减少了线路数量，增加了可靠传输距离。
编写的PLC上位机物理层程序将PLC处理后的上层信息，转化为电平信号，经过底层光电耦合器实现电平转换和物理隔离，发送给单片机处理，驱动硬件显示，实现完整功能。
2.2停车场智能引导系统的软件设计
该部分对以ControlLogix5561为核心的可编程逻辑控制器进行程序设计，在RSLogix5000的开发环境下，使用PLC梯形图编程语言，实现了所有功能的逻辑编程和对硬件的控制。
2.2.1引导部分
引导部分主要分为停车引导和取车引导两个部分。
其流程如下：
引导部分的流程图如图2.1：
图（2.1）
2.2.2停车场坐标模型的建立
首先我们将整个停车场建立成一个直角坐标系，确定每个车位在此坐标系内的坐标。
每个车位在物理上实际上是一个长方形，但从引导问题的实质出发，我们将每个车位抽象成一个点。
如下图2.2所示车位，因为汽车只能从上方进出，所以该长方形车位上边沿是汽车进出的关键，我们取上边沿的中点作为代表该车位的特征点，取该点的坐标作为车位的坐标。
（图2.2）
然后对每个车位的特征点坐标和停车场入口的坐标进行计算，得到入口处到每个车位坐标点的距离，根据距离按照升序对每个车位进行了编号。
即车号越小距离入口处越近。
停车场一层编号情况如图2.3：
（图2.3）
由于每一个道路交叉口处要进行方向引导，我们对每个交叉口也进行了坐标化处理，因为每个交叉口是一个4x4的正方形，我们将交叉口的中心点作为特征点对其坐标赋值。
这种合理的坐标确立和编号方式给后来的引导程序的设计带来了很大的方便。
2.2.3目标车位的确定
我们在建立车位坐标的时候，对车位按距离入口处的远近进行了编号，这样我们只需对车位按编号进行扫描即可找到目标车位。
其流程如下图2.4
（图2.4）
取车引导部分针对用户的汽车已经停在停车场内的情况。
用户在停车的时候程序中已经存储了用户的汽车所在的车位的编号，所以无需对车位进扫描。
过程如下：
首先用户输入自己的车号（可以通过刷卡实现），然后程序找到数据中存储的用户汽车所在的车位的编号，最后将这个车位的坐标赋值给目标车位。
2.2.4引导路径的生成
引导过程是在已知目标车位的基础上确定每个交叉口处指示方向的过程，分为两个步骤：
（1）按照区域引导
我们将停车场内的车位分成了几个区域，分区域的原则是同一个区域在引导过程中前半部分路径是相同的，后半部分路径和目标车位在一条直线上（水平直线或竖直直线，不包括斜线）。
引导过程要确定目标车位所在的区域，这通过目标车位的坐标可以实现，由分区域的原则可知，确定了目标区域，引导路径的前半部分便确定了。
（2）按照坐标引导
完成了按区域引导后，引导路径的后半部分就同目标车位在一条直线上了，若同在水平直线上，则可比较目标车位和交叉口的横坐标来确定交叉口指示方向。
若同在竖直直线上，则可以判断纵坐标来确定方向。
坐标引导源程序：
最后将路径对应的交叉口显示器信息发送给底层硬件，则实现了路径的引导。
2.2.5车位信息扫描
实时准确地对停车场内的所有车位进行扫描，确定被占有的车位数和空闲的车位数是车辆引导系统和信息查询系统的基础。
其设计流程如下图2.5：
（图2.5）
主要PLC梯形图程序如下：
2.3人机界面程序
人机界面由RsViewStudio软件制作，通过PLC内的程序与硬件进行连接，可以在人机界面内对PLC梯形图程序中的标志位进行操作，从而实现对程序功能的操作。
此外可以很容易的将人机界面程序移植到Rockwell公司的工业触摸屏上，方便的实现由开发到实用的过程。
2.3.1主界面
（图2.6）
主界面包含了停车场最基本的信息的显示和主要功能的入口。
1.“刷卡”按键：
由于设备的限制，我们采取了模拟刷卡，点击按钮则会出现下面的界面：
（图2.7）
然后用户可以输入车号，按回车键后，程序将用户输入的车号对PLC程序中的当前车号变量赋值，为以后的操作作准备。
2.“进入”、“查询”、“管理员入口”按键：
采用GoToDisplayButton，即点击之后，程序会跳到相应的界面，便于用户进行更详细的功能操作。
3.剩余车位显示：
采用了醒目的颜色，对用户最关心的停车场内是否有剩余车位的情况进行展示。
对应了PLC程序中的车位计数器的计数值，每隔500ms对车位进行一次刷新计数，可以实时的显示当前剩余车位的情况。
4.剩余车位柱形图显示：
同样对应PLC程序中的车位计数器的计数值，柱形图总的高度对应了停车场内总共177个车位，填充的绿色部分显示了当前空闲车位的情况，用更加直观的方式展示。
实时刷新。
2.3.2引导界面
（图2.8）
每一个车位采用了两状态的按钮表示,对应了PLC程序中的车位标志位，当标志位为1，即有车时，按钮显示红色，无车时显示灰色。
每个车位可以根据实际车位中的传感器情况来反映停车场的停车情况，一目了然。
另外，车位按钮支持对虚拟车位的模拟，点击某个车位，可以从程序中更改车位标志位的情况，模拟该车位空闲或者有车的情况。
每一个道路交叉口显示器用多状态的指示器来表示，总共有五个状态，对应了上、下、左、右、停五种指示情况。
连接了PLC程序中存储交叉口点阵显示器状态的数组。
“停车引导”和“取车引导”按钮：
对应了PLC程序中启动引导流程的标志位，按下将启动PLC程序中相应的流程，从而刷新交叉口显示器数据，实现引导功能。
2.3.3查询界面
（图2.9）
我们将用户的各种数据存入一个数组中，改数组的不同位包含了用户的车号、查询密码、停车次数、停车费用、账户余额等信息。
用户输入车号（或刷卡），然后在查询界面处输入查询密码，点击“查询”按键，程序对用户输入的密码（保存在密码缓存中）和数组中存储的相应车号的密码做比较，若密码一致则对应输出用户数组中存储的一系列信息，否则请求用户重新输入密码。
2.3.4管理员入口
（图2.10）
管理员部分首先要求输入管理员口令，按下“确认口令”按键后，程序首先对用户输入的口令与程序内存储的正确的口令做比较，口令一致则开启管理员的所有功能，否则不能使用管理员功能。
充值部分：
输入充值车号和充值金额，然后按下“确认充值”按键，程序会找到用户数组内当前车号对应的用户，对数组中表示账户余额的位增加相应的充值金额。
模拟部分：
主要对车位进行循环赋值，停车场一层对应的车号是0到117号，二层车号118到176号，若模拟全满，则对相应范围内的车位全部置为1即可。
若清空则置0即可。
2.3.5停车场趋势界面
图（2.11）
该界面形象直观地显示了停车场车位的使用情况。
同时，还可以查看一定时间段内停车场车流量情况，方便运营商对停车场运行情况进行详尽的了解，利于做出相关服务调整。
2.4单片机程序
2.4.1道路交叉口点阵指示器程序
此部分程序实现接收从PLC控制器中发送来的信号并将该信号转化成为点阵显示器的驱动信号的作用（详细程序见附件151单片机程序）。
路口采用红色8x8点阵显示器。
驱动流程如下：
（图2.12）
2.4.2出入口16x16点阵程序设计
此部分程序与路口点阵部分类似，只是将列扫描部分用两片74HC138译码器进行16列逐次扫描，每列数据通过两片74HC595级联，每次送入两个字节数据显示。
通过程序控制，实现了跳变显示、向左滚动、向上滚动、层次飞入飞出等效果。
详情见附件4。
3、硬件实现方案
本设计中硬件实现方案的总体框图如图3.1
图3.1
3.1控制系统的组成
本项目创造性地将罗克韦尔公司的PLC和AT89S52单片机有机结合起来，尽两者所长，使系统各部模块化，从而方便了系统的安装、检修与维护。
一方面提高了我们设计的实际适应性，另一方面减少了实际应用成本。
3.2电路模块
指示牌，是我们整个设计过程的核心导引设施。
距离指示牌一定距离的红外传感器检测到车辆时，指示牌就会滚动显示车辆的编号和车辆的行驶方向，引导司机准确快速的到达最优的空闲车位。
设计模型中使用8*8LED点阵作为指示牌。
为了节约单片机有限的I/O口，和保证每个LED的亮度，我们使用8位输出锁存移位寄存器74LS595、3-8译码器74LS138和三极管来驱动8*8LED点阵。
红外传感器安装在每个车位下方，当车辆进入空闲车位时，红外传感器就会检测到遮挡物，将该车位被利用的信号转递给单片机。
但在实际应用过程中安装在车位上方的超声波传感器更为适用。
光耦部分：
该部分成功将单片机与PLC结合起来。
将24V电压转换成单片机适用电压5V。
同时可避免高电平对单片机电路的冲击，提高单片机系统的寿命和稳定性。
（详见附件3硬件设计方案）
3.3停车场模型设计与制作
为了使设计更加接近现实生活状况，为软件设计提供模拟现场，促进方案优化，我们搭建了大型停车场局部模型。
模型的搭建超出了我们的预期难度，在选材、购买、制作、美化等方方面面耗费了大量精力。
停车场智能引导系统针对的就是大型停车场找空车位难和管理难的问题，所以模型的设计不能从传统的角度去简化。
最终停车场设计成Γ形，两层错分式结构。
停车场平面设计如图3.2：
（停车场模型平面设计图3.2）
图3.1中红色小点表示安装在车位下的红外对管，绿色方块表示安装在交叉入口的8*8LED指示点阵。
第一层共设计有117个车位，8个三向及四向路口。
第二层设计有59个车位三个三向及四向路口。
车位分布呈分区状，在内部形成几个独立的车位岛。
正门设计在第一层正下方中的位置，设计为进出双车道。
第二层入口位于第一层有方正中位置，上楼斜坡长35cm。
4、设计的意义
停车场内停车难、取车难问题是普遍存在的，并且通过实地调查我们发现，该问题的严重程度将越来越突出。
此外，通过相关咨询和调研报告查阅发现，用户普遍希望停车场管理商能够引入相关技术设备来解决这一问题。
在调查中，我们还发现，停车场服务水平的高低会对车主选择消费场所产生影响。
这便督促相关运营商重新审视停车场内停车难取车难问题的必要性与现实意义。
本设计的出现正是对应了现今和未来市场的需求。
5、不足与今后研究方向
同时我们的设计仍存在一些不足。
例如：
车俩的引导进出频繁度这一因素虽然考虑到，但是没有切实的解决；
车辆引导的智能化程度不高，限于对交通管理方面知识的欠缺，引导的细节没有充分考虑，致使引导比较单一；
在硬件实现过程中由于经费的不足，没有使用图像采集技术、超声波传感器、实际当中的指示牌，但并未影响系统功能的实现。
因此今后有四大研究方向：
其一、将图像采集技术应用到车辆信息的采集上来。
比较各种方案的优劣，整合出最优方案。
其二、应用交通管理知识，优化和丰富停车场内部的交通引导。
其三、加强各系统的互联性，设计与实现无人全自动停车场系统。
其四、鉴于PLC在立体仓库应用中的卓越表现，研究将其应用到立体停车场的可行程度，比较与机械式停车场各个方面的优劣。
6、感谢
经过一年左右的时间，我们的项目终于完成了，此刻我们深切体会到付出越多收获就越多。
在这一年多的时间里，我们经历了令人悲痛的大地震，中途又花了很多的时间去参加四川省电子设计竞赛。
然而最终我们还是完成了给自己设定的目标，这其中离不开许多人的支持与帮助。
首先我们必须感谢我们的指导老师赵舵老师。
赵舵老师平常学院工作很忙，而他还要指导不少的队伍，百忙之中还给了我们细心的指导。
才能使原先一窍不通的我们现在可以较熟练地对PLC进行一些应用。
亦师亦友的熊成林老师更是带领我们一起走过了SRTP和四川省电子设计竞赛。
在此由衷地感谢两位老师！
此外，信息学院的徐安明老师在制作PCB板的过程中给了我们无私的帮助。
在此向徐安明老师表示感谢！
同时，感谢西华大学建筑系刘静雅同学对我们停车场模型制作的细致指导
最后，感谢西南交通大学给了我们一个实践创新的机会！
附件目录
附件1路口点阵显示器部分单片机程序
附件2PLC硬件设备的软件配置
附件3硬件设计报告
附件4出入口部分单片机程序
升级会员 