基于单片机的道闸控制.docx

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基于单片机的道闸控制

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，PC（PersonalComputer）做上位监控机。

通过上位机VC++（VisualC++）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]:

ThisstudydesignisbasedontheactualneedsofBarrierGate,automaticbarriersystemanddomesticautomationapplicationsarenotcarriedoutahighstatus.ThedesignwasbasedontheBarrierGatesystem,throughresearchanddesigntoachieveBarrierGateautomation.

Systemautomaticbarriertocontroltheobjecttoultrasonicrangefinderasthemaindetectionmethods,accompaniedbyflashingLEDandbuzzerprompts,toachieveautomaticbarrierautomaticcontrol.Systemusesthemicrocontrollertodomaster,PC（PersonalComputer）monitorthemachinetodotheupper.WeusetheVC（VisualC++）programmingonthePC,toachievehuman-computerinteraction.Atlast,wetakepartoftheimplementation,testing,thecontrolsection,communicationsectionandotherpartsoftheorganiccomposition,andtorealizetheintelligentcontrolsystem.

Uponcompletionofthedesignautomationsystemhasagoodreliabilityandeasyoperation.Althoughhardware,softwareandcommunications,theresearchontheautomaticbarriersystemdesign,butduetovariousreasons,thesystemneedstobeimproved.

Keywords:

BarrierGate,SCM,steppingmotor

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。

第1章概述

第1.1节引言

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

第1.2节研究背景

1.2.1.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0.8秒到6秒不等。

1.2.2.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。

（1）、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。

（2）、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（1、2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1.2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1.2（c）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

（3）、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1.8°，三相的为1.5°，五相的为0.72°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1.3～图1.5所示。

图1.3单相控制示意图

图1.4双向控制示意图

图1.5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1.3（a）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1.3（b）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1.3（c）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1.3（d）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1.3（a）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1.6所示。

图1.6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1.4，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1.7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1.7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

1.2.3.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-232、RS-422与RS-485等几种不同的标准。

第2章

智能道闸控制器

第2.1节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。

第2.2节智能道闸控制系统实现功能

2.2.1.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。

2.2.2.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。

2.2.3.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。

2.2.4.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。

2.2.5.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。

2.2.6.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。

第3章

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。

第3.1节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3.1所示。

图3.1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。

第3.2节硬件部分的实现

3.2.1.硬件结构

图3.2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MAX485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3.2读头的硬件结构

图3.3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3.3车载模块的硬件结构

3.2.2.车载模块的功能

射频通信电路选用2.4GHz通信芯片nRF24LO1，传输速率1Mbit/s或2Mbit/s，125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1/O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。

第3.3节软件部分的实现

3.3.1.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5m/s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。

3.3.2.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。

第3.4节结束语

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。

第4章

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。

第4.1节硬件设计

4.1.1.STC89C52单片机

（1）、本