基于STM32+CPLD的社区智能自助洗车机设计

2016-07-01作者吴蓬勃杨斐郑玉红石家庄邮电职业技术学院电信工程系

电子制作 2016年9期

作者 / 吴蓬勃、杨斐、郑玉红，石家庄邮电职业技术学院电信工程系

作者 / 吴蓬勃、杨斐、郑玉红，石家庄邮电职业技术学院电信工程系

根据社区居民的洗车需求，结合社区的实际情况以及洗车的工作流程，设计了一种社区智能自助洗车机。系统硬件设计部分主要进行了自助洗车机的结构设计；基于STM32实现了供水管水压检测、高压泵电流检测和温度检测、无线通信、RFID读卡等设计；基于CPLD实现了实现多路开关量的采集以及多路外设的控制设计。软件部分着重对刷卡方式自助洗车的工作流程进行了介绍。该系统具备车辆智能检测与引导、车辆全方位高效清洗、支持多种支付方式、可长时间工作以及智能管理与控制等优点。从而满足了社区居民的快速自助洗车需求。

社区；自助洗车机；STM32；CPLD

引言

近几年，随着家庭轿车的普及，汽车数量的快速增长，相应的汽车“后产业”—洗车业也如雨后春笋般不断壮大［1］。而与之对应的洗车店数量却远远不能满足需求，车主单次洗车往往要付出大量的人力物力。市面上的电脑全自动洗车机洗车成本高，不能根据车辆的污迹情况做有选择的清洗，水资源浪费严重，并且对车漆、车饰边有一定的损坏［2］。随着个人自己洗车需求的增加，自助洗车机也就应运而生。在社区中配备自助洗车机，居民可以非常低廉的价格就近洗车、随时洗车，同时又起到了锻炼身体的目的。

本文结合社区的居民的实际洗车需求，基于洗车工作流程，设计了一款可自动感应车辆、具备语音引导和场地照明功能、可实现多种方式支付、可全方位洗车、可远程管理、可长时间工作的社区智能自助洗车机。

图1 系统总体结构图

1. 系统总体规划

如图1所示，本系统主要包括：智能自助洗车机和远程服务器两部分，两者通过3G网络连接，实现对设备的远程视频传输与控制管理。

按照洗车的流程，车辆进入洗车机后，车辆感应系统自动感应到车辆的到来；如果环境较暗，则场地照明自动开启；语音引导车主开启洗车流程。车主可通过刷卡、投币或者网络支付的方式付费，然后按照语音提示进行操作。首先用低压清水冲洗车身灰尘与污物；地面水柱冲洗车辆底盘；然后使用高压泡沫喷涂车身；使用高压水枪冲刷车辆；最后喷涂水蜡。

2. 硬件设计

■2.1 洗车机结构设计

图2 洗车机结构图

洗车机结构图如图2所示［3-4］。洗车机内部主要包括：水箱、泡沫原浆箱、蜡原浆箱、高压泵、低压泵、若干个电磁阀和流量计以及温度探测器等。水箱、泡沫原浆箱、蜡原浆箱内部均配有液位检测传感器，当液位低时，系统控制电磁阀从供水管或泡沫、蜡的储液罐中向箱内补充液体，当液位超限时，停止加载液体，从而实现洗车机长时间免加液工作。水、泡沫和蜡的用量通过4路流量计进行测量，液体的输出通过4路电磁阀进行控制，水与泡沫原浆、蜡原浆的混合比例由比例阀进行控制。高压泵实现高压水输出、高压泡沫输出。低压泵实现低压水蜡的输出。

温度探测器实时监测洗车机内部温度，为防止冬季液体结冰，如果温度低于设定值，系统将启动加热带；如果温度高于设定值，系统将启动半导体制冷空调。同时洗车机设置有箱门检测传感器，系统会记录箱门开启和关闭时间，以实现对维护人员的监督。

洗车机外部包括：温度探测器、车辆检测传感器、场地照明、车底盘冲洗、水/泡沫喷头、水蜡喷头。

图3 洗车机控制系统STM32部分

■2.2 洗车机电子控制部分硬件设计

由于洗车机需要检测和控制的外设非常多，所以洗车机控制系统采用了MCU+CPLD的方案，MCU选择使用STM32103ZET，CPLD选择EPM1270。下面将分别介绍这两部分。

2.2.1 洗车机控制系统STM32部分

洗车机控制系统STM32部分如图3所示。主要包括：左侧的人机接口部分、上侧的通讯部分和右侧的设备控制与监测部分。左侧的人机接口部分主要包括：数码管显示电路、语音播报电路、操作按键、SD卡电路、FRAM存储器、实时时钟、RFID读卡器和投币器。上侧通讯部分主要实现：与远端服务器的3G通讯和与电能表的有线通讯，从而实现设备的远程数据采集与控制和设备耗电量的自动采集。右侧的设备控制与监测部分主要实现：供水管水压检测、高压泵工作状态检测、箱体内外温度检测与控制、4路流量计信号采集［5］以及与CPLD的通讯。

图4 压力传感器信号处理电路

图5 交流互感器 TVA1421-01信号处理电路

STM32103ZET内部共有3路ADC，其中供水管水压和高压泵电流的检测各使用了一路ADC实现模拟信号到数字信号的转换。高压泵外壳、泵头和泵曲轴箱的温度检测通过专用ADC芯片ADS1118实现，ADS1118与STM32间通过SPI接口进行通信。下面分别介绍。

（1）供水管水压检测电路

为了满足6层楼用户供水要求，目前大部分城市供水管水压一般为0.3MPa，本系统使用了24V、2MPa的压力传感器MIK-P300-2MPa-V1-B1，该传感器将水压力信号转换为4～20mA电流输出。电流信号经过信号处理电路（如图4），将4～20mA电流转换为0.6～3.0V以内的电压信号送到STM32的AD接口进行模数转换。

（2）高压泵工作电流检测电路

高压泵使用的是220V三相交流电，对其电流的检测使用了立式穿芯小型精密交流电压、电流互感器TVA1421-01。TVA1421-01可将最高18A的电网电流向量转换为6mA电流信号输出。经过信号处理电路（如图5）后得到0～3V范围的电压，信号送到STM32的AD接口进行模数转换，从而实现高压泵工作电流的检测。

（3）高压泵温度检测电路

由于高压泵外壳、泵头和泵曲轴箱的温度较高，所以本系统使用了温度范围广、坚固耐用、响应速度快的K型热电偶进行温度测量。

本系统采用了TI公司的测温专用ADC芯片ADS1118，它内部集成了一个电压基准、复用器和温度传感器；与参考文献［6］中使用的ADS1148相比，ADS1118虽然仅可以对2路差分形式热电偶的温度进行测量（ADS1148可采集4路），但其内部集成了温度传感器，可实现冷端温度补偿，无需外置冷端温度补偿温度传感器（如MAX6627），集成度更高；无需设计参考端电路，连线更少，可靠性更高。本系统共使用了两路ADS1118实现对高压泵温度的测量，电路图如图6所示。

图6 ADS1118热电偶温度采集电路

2.2.2 洗车机控制系统CPLD部分

CPLD部分（如图7所示）主要实现多路开关量的采集以及多路外设的控制。

图7 洗车机控制系统CPLD部分

开关量包括：9路液位检测、箱门开关检测、车辆检测器、2路高压泵压力探头，共计13路开关量。这些开关量信号在CPLD内部的进行逻辑运算，如果有信号发生变化，则CPLD向STM32中断引脚发送信号，同时将信号路数编号通过并行总线发送到STM32，从而实现对多路开关量的检测。需控制的外设包括：220V水蜡泵、高压泵和洗车场地灯的控制；24V水、泡沫、蜡输入和输出电磁阀和底盘冲洗电磁阀的控制。

图8 刷卡方式自助洗车工作流程

3. 软件系统设计

软件部分主要包括服务器管理软件、智能自助洗车机系统软件。本文着重对刷卡方式智能自助洗车的软件工作流程进行介绍。

为不影响社区中居民休息，自助洗车机设置有洗车休息时间段，在休息时间段内，自助洗车机不工作。同时，自助洗车机除了可以洗车，还可以为小区居民提供生活用品冲洗服务。

刷卡方式自助洗车工作流程，如图8所示。车主刷卡后，系统首先判断是否为休息时间段，休息时间段内将语音提醒车主更改洗车时间；然后，系统会向服务器查询当前卡是否有效；如果正常，则在数码管显示屏上显示余额。然后，系统通过车辆检测器判断当前场地中

是否有车辆，若没有车辆，则进入洗其它物品模式；否则进入洗车模式。洗车模式包括两种:时间累计模式和流量累计模式，车主可根据需要选择。车主洗完车后再次刷卡或者车辆驶离场地即可结束本次洗车操作。如果车主在刷卡后，未进行洗车并且超过设定时间，则系统发出操作超时语音提醒，若之后仍无洗车动作，则系统自动关闭，结束服务，以防止客户资金流失。