基于STC89C52单片机的车库智能监控系统设计

林关成

（渭南师范学院网络安全与信息化学院 渭南 714099）

1 引言

随着社会经济的发展，私家轿车拥有量不断增长，根据国家统计局官方网站数据显示，截止到目前，国民的私家轿车拥有量达到了16593.52万辆。普通的停车场很难满足人们的停车需求，各地建设了大量的地下车库，但是现有的大部分车库通常只在出入口进行简单的收费管理，而无法对车库的车位余量等信息进行自动统计并实时更新显示［1～2］。部分车库采用专门的计数器，通过外围传感器电路监测采集车辆经过时产生的脉冲信号，经过锁存器去除干扰的杂波，再传递给计数器进行车辆统计计数，最后通过译码器和显示电路给出车位余量的具体数值，虽然电路结构简单，但是在实际应用中系统的抗干扰能力和可扩展性都比较差［3～4］。

针对上述车库管理缺陷，本设计以STC89C52单片机作为控制核心［5～7］，利用红外对射传感器、单片机对通过出入口车辆的信息进行采集和处理，再经过电机驱动模块和信息显示模块控制电机驱动电路完成车库门的开关，并且驱动信息显示模块将相关的车位余量信息以及车库是否饱和等状态对外显示，提高监控系统的抗干扰能力和可扩展性，实现对车库车位的实时监控，便于车库管理，提升整个车库的利用效率［8～9］。

2 车库智能监控系统的总体方案设计

车库智能监控系统要求能够自动统计并显示剩余的车位数量；当车库剩余车位的数量不足时能够自动提示用户；当车辆进出车库时，车库门能够自动开启或者关闭。针对上述功能需求，系统使用单片机作为控制核心，采用红外对射电路作为信号采集电路，当有车辆经过时，红外信号被阻挡，输出电平由高变低，单片机根据接收到的电平变化，执行相应的动作。配合显示驱动电路驱动LED显示车库信息。

为了降低系统各部分之间的干扰，便于其他电路的扩展，整个系统设计为传感器监测模块、单片机模块、信息显示模块、电机驱动模块和电源供电模块等五个独立的模块。传感器模块分为出口监测模块和入口监测模块，两个子模块同时工作，用于采集通过出入口车辆的信息，并传递给单片机进行处理；单片机模块用以控制和处理采集的信号，根据处理结果控制电机驱动电路完成车库门的开关，并且驱动数码管显示模块；信息显示模块将相关的车位余量信息以及车库是否饱和等状态对外显示；电机驱动模块根据单片机的指令控制车库门的开关；电源供电模块负责为整个系统提供稳定供电的电源。系统的整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

3 车库智能监控系统的硬件电路设计

本设计选择STC89C52单片机作为中央控制器，整个系统的硬件电路主要由单片机（最小系统）基础电路、出入口的传感器监测电路、电源供电电路、电机驱动电路和状态信息显示电路五个部分组成。

3.1 单片机（最小系统）基础电路

单片机（最小系统）基础电路一般包含单片机主体电源电路、晶振电路和按键复位电路三个部分［10］。本设计选用的单片机使用+5V电源供电，在VCC与GND之间跨接0.1μF的瓷片电容和22μF的电解电容，前者用于过滤高频干扰信号，后者用于防止电压波动过大。晶振电路主要为单片机系统提供基准时钟信号，由片内振荡器、12M的外接晶振和47pF的微调电容构成［11］。复位电路采用上电加手动按键复位，利用电容的充放电效应，配合手动按键，实现单片机接收高电平信号复位。

3.2 传感器监测电路

本设计使用由红外发射装置和红外接收装置构成的监测电路。通过红外发射装置将电信号转化为红外光信号发射出去，红外接收装置再将接收到的红外光信号转换为电信号传递给单片机［12］，单片机通过电平的变化感知有无车辆通过。设计中红外发射装置采用直径5mm、波长940nm红外发光二极管作为红外发射管，其在正向电流下工作，工作电压为3.0V～3.2V，工作电流为5mA～20mA；红外接收装置由具有红外光敏感特征的红外接收管、LM393双电压比较器和接收信号指示灯组成，红外接收管处于反向工作状态［13］。

3.3 电源供电电路

本设计采用集成稳压直流电源进行供电，整个集成稳压直流电源包含电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分。其中电源变压器采用220V～12V的变压器，整流电路采用4支1N4007整流二极管连接构成整流桥，滤波电路采用2个470μF的大容量电容组成，稳压电路使用LM7805三端集成稳压器，输入电压7V～35V，输出直流电压+5V，输出电流最大1A，内部含有过载保护和过流保护电路。

3.4 电机驱动电路

本设计选用两个28BYJ-48步进电机作为控制电机［14～15］，用来开启或关闭车库门。步进减速电机为4相5线制，驱动电压+5V，减速比为1：64，步进角为5.625/64°，启动频率P.P.S≥550（每秒脉冲数）。同时，由于单片机I/O口输出的电流过小无法直接驱动电机转动，需要使用7路反向器电路ULN2003A用于驱动电机转动。

3.5 状态信息显示电路

状态信息显示电路中车位剩余数量信息采用两个LED数码管显示，本设计采用八段两位式共阴极数码管，其所有数码管的阳极并联在一起，阴极公共端通过两个单独的I/O口控制。同时，由于单片机I/O口的驱动能力不强，需要使用八位三态锁存器74HC573用于驱动八段两位式共阴极数码管进行显示。车位是否有余量的状态信息采用一红一绿两个发光LED显示，其中绿色LED作为车库未饱和状态指示灯，红色LED作为车库饱和状态指示灯，LED的工作电压为2V，工作电流为15mA。

4 车库智能监控系统的软件程序设计

4.1 系统主程序设计

系统首先将车位余量设置为一个全局变量，并初始化其值，同时，单片机驱动数码管外围电路显示车库的初始车位余量。然后，单片机中断开启，并设置为下降沿触发。当出入口监测装置的外部终端接收到电平跳变信号后，即进入中断子程序，对车库车位余量进行相应的增加或减少操作，单片机驱动数码管更新显示操作变化后的剩余车位数量，同时控制电机开关车库门。本设计将出口监测电路的输出信号接在单片机的外部中断0端口，入口监测电路的输出信号接在单片机的外部中断1端口。主程序工作流程如图2所示。

图2 主程序工作流程图

4.2 系统中断程序设计

出口监测的红外接收电路OUT端口接单片机外部中断INT0和P1.0，设置外部中断下降沿触发方式（IT0=1）。当有车辆通过时，OUT引脚由高电平变为低电平，信号电平跳变产生下降沿，触发出口中断程序。单片机检测标志位P1.0状态，如果标志位P1.0为0，那么车位剩余数量加1，单片机控制步进电机打开车库门，同时，驱动外围状态信息显示电路更新车位余量信息。同理，入口监测的红外接收电路OUT端口接单片机外部中断INT1和P1.1，设置外部中断下降沿触发方式（IT0=1）。当有车辆通过时，OUT引脚由高电平变为低电平，信号电平跳变产生下降沿，触发入口中断程序。单片机检测标志位P1.1状态，如果标志位P1.1为0，那么车位剩余数量减1，单片机控制步进电机关闭车库门，同时，驱动外围状态信息显示电路更新车位余量信息。

4.3 电机驱动程序设计

本设计使用的步进电机工作方式为四相八拍［16］，其顺时针八拍工作模式为：A-AB-B-BC-C-CDD-DA-A；逆时针八拍工作模式为：A-AD-D-DCC-CB-B-BA-A，其控制模式顺序如表1所示。单片机给电机驱动电路传入相应的电平信号，电机开始正转开启车库门，然后保持当前状态停止转动。当检测到标志位的值发生变化后，电机开始反转关闭车库门。电机控制程序流程如图3所示。

表1 四相八拍控制模式顺序表

图3 电机控制程序流程图

5 车库智能监控系统的功能测试及分析调试

为了检测所设计系统的功能和可靠性，先将所用元器件按照设计方案在布线图摆放，并逐一焊接，检查多功能板上各引脚焊接情况，经校验无电气错误后通电并开始加载和调试程序。通过keil μVision4软件开发平台编写系统主程序、出入口系统中断程序、电机驱动程序，并编译程序生成。hex文件，利用STC-ICP软件将程序烧录进单片机系统后，加电初始化，观察显示屏结果，正常后即可开始测试工作。分别测试传感器监测电路、电源供电电路、电机驱动电路和状态信息显示电路的电气特性和功能特性。重点分析和调试单片机系统对车库出入口传感器传入数据的延时去抖和状态显示更新等信号处理功能和对步进电机的驱动控制功能。

测试结果表明，系统采用单片机作为控制核心，结合红外发射与接收装置，配合电机驱动电路和状态信息显示电路，实现了车库的自动监控功能。系统整体抗干扰能力较强，稳定性较好，可扩展性较好，符合设计要求，达到了设计目的。

6 结语

本文提出了车库智能监控系统的总体设计方案，阐述了系统的硬件设计过程和软件设计原理。通过功能测试与分析调试，车库智能监控系统能够根据接收到的电平变化自动开启或者关闭车库门，并实时统计和显示更新车库的状态信息，具有实时性好、稳定性高、抗干扰能力强、可扩展性好等特点，达到了预期目标。