基于单片机的超低功耗智能车位锁设计.docx

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基于单片机的超低功耗智能车位锁设计

摘要

智能低功耗遥控车位锁是一个可以通过低功耗遥控器控制的机械装置，它是用来阻止其他人占用自己的停车位，可以让自己的车随意停放。

现在大部分人采用的车位锁多数为机械式的。

每当汽车在停车位停车时，人们都要下车把车位锁的起降杆升起，随后把它锁起来，这样对于我们而言很费事，使用很不方便。

尤其是在下雨的时候，人们使用的时候就非常困难了。

虽然目前市场上存在一些可低功耗遥控的车位锁，可是它们拥有一个问题，是它们的智能化水平比较低，基本只是起到控制起降杆的升降。

我设计了一个系统，该系统以51单片机为核心，经过软件与硬件的配合，电子与机械部分重新结合，从而选择与之合适的传感器，以此达到车位锁的全方位的可智能控制。

采用以Keil-C为核心的开发工具，根据要求，做出对应的设计。

关键词：

车位锁；无线低功耗遥控；单片机；传感器

ABSTRACT

Intelligentlowpowerremotecontrolparkinglockisamechanicaldevicethatcanbecontrolledbylowpowerremotecontrol.Itisusedtopreventotherpeoplefromoccupyingtheirownparkingspacesandcanparktheirowncarsatwill.

Mostoftheparkinglocksusednowaremechanical.Wheneverthecarstopsintheparkinglot,peoplewanttogetoffandlifttheparkinglocklever,andthenlockitup,soit'sverydifficultforus,andit'sinconvenienttouse.Especiallywhenitrains,it'sverydifficultforpeopletouseit.Althoughtherearesomelowpowerconsumptionremotecontrolparkinglocksonthemarket,theyhaveaproblem,whichisthattheirintelligencelevelisrelativelylow,basicallyjusttocontrolthetake-offandlandingrodlifting.

Idesignedasystem,thissystemuses51microcontrollerasthecore,throughthecooperationofsoftwareandhardware,electronicandmechanicalpartstocombine,soastochoosetheappropriatesensorsand,inordertoachievethefullrangeofparkinglockintelligentcontrol.UsingKeil-Casthecoreofthedevelopmenttools,accordingtotherequirements,makethecorrespondingdesign.

Keywords:

Parkinglock;Wirelesslow-powerremotecontrol;MCU;sensorKeywords

第1章绪论

1.1选题的背景

随着中国经济的快速发展，我国人民平均收入得到进一步的上升，有了更多的金钱去消费，而汽车正是人们最重要的消费之一，现在基本十之六七的家庭都有了私家车，因此导致车辆数量的迅速增长，而且这种现象也越发的严重。

根据中国汽车工业协会的调查，2014年中国汽车销量超过2300万辆，创全球历史新高，连续六年蝉联全球第一。

我国汽车产销总体呈平稳增长态势。

2014年汽车产销分别完成2372.29万辆和2349.19万辆，比去年分别增长7.3%和6.9%，总体呈现平稳增长态势，产销增速比之去年分别下降7.5和7个百分点。

车辆为人们外出提供方便的同时，也让停车的问题成了困难。

机动车的停车问题是现代化城市建设和发展中的一个难题。

城区停车场的规划、建设和管理成为当前的大民生。

目前，合肥市已经启动公共停车场规划选址，计划建设公共停车场151处、2.16万个泊位。

截止目前，合肥市道路总里程约5228公里。

随着城市大建设的深入推进，道路总里程还在不断增长。

截止6月底，全市机动车保有量已达113万辆，113万辆，其中市区车保有量有70多万，并以年均20%以上、日均450余量的速度递增。

全市激动车驾驶人共计142万人，其中，市区机动车驾驶人76万人，日均新增驾驶人4730人。

随着人们出行的增加，主城区停车难、停车乱问题日益显现，因此解决停车问题成为当务之急。

怎样防止别人抢占自己的泊位，这是让我们很烦躁的事情，可是车位锁的诞生就轻易的把停车难的困难解决了。

1.2课题的当前形式

目前人们停车主要使用的锁基本上是机械锁，而这类锁在汽车停车或开始时，要车主人工的移动它的升降杆，这样很费事，而低功耗遥控锁的诞生就改变了这一现象，它可以让人们在停车或启动车辆时，在车内就可以控制锁的升降，可以为人们带来很大的方便。

随着科技的发展，单片机的使用越来越频繁。

微型计算机具有体积小、价格低、使用方便、可靠性高等一系列优点，因此一问世就显示出强大的生命力，被广泛用于国防、工业生产和商业管理等领域，特别是近年来微处理器（MPU）的高速发展，使其渗透到人类生活的各个领域，给人类世界带来了难以估量的深刻变革。

[1]

基于单片机的智能低功耗遥控车位锁以单片机为核心组成单片机的最节约系统，通过软硬件相结合，电子与机械相配合，实现车位锁的全面智能化控制。

智能车位锁具有如下优点：

第一、为车主提供车位被占解决方案，从而使车主快乐停车、安全停车的基本愿望得以实现。

第二、在车内低功耗遥控操作，节省了时间，方便实用。

第三、对于新开发的楼盘，可提高楼盘档次，可以帮助地产商把利润最大化，也有利于开发商卖车位，增加用户满意度，让用户买车位更有信心。

第四、可提高物业公司的管理效率用，并降低了管理成本，减少人员的雇用，提高用户满意度。

第五、可很好的解决银行、饭店、企事业单位等停车场的专用车位乱停乱放问题，并降低管理成本，减少人员雇用。

1.3当前车位锁的发展情况

低功耗遥控车位锁其实是一台完整的的自动化机械设备。

必须具备：

控制系统，驱动系统，电源。

所以无法避免体积问题和电源使用寿命问题。

特别是电源乃低功耗遥控车位锁发展的瓶颈，因驱动电流比较大，一般低功耗遥控车位锁都用铅酸免维护蓄电池供电，而大家都知道电瓶存在自放电问题，就算不用刚充满的电瓶只能放3个月就必须再充电，不然很快就会报废。

但要从车位锁内取出电瓶抱到楼上充一个晚上，再拿下来放到车位锁内，相信很多车主是不愿意干的事。

所以低功耗遥控车位锁的最终方向是：

降低功耗，降低待机电流，使用干电池供电，如果能做到一年以上只换一次电池，用户普遍都会接受了。

但车位锁很普遍的现象是蓄电池使用周期只有几十天、有的甚至是十几天，这么高的充电频率，无疑就增加了用户的麻烦。

所以蓄电池使用时间达到一年以上的车位锁具有迫切的市场需求。

车位锁研发技术突飞猛进，但是蓄电池充一次电能够使用一年以上，而以兼具防水防震功能的低功耗遥控车位锁少之又少，电子科技广开研发思路，其精湛的技术就是少数具有研发能力企业中的佼佼者。

其蓄电池打破了频繁充电的束缚，使用一年仅需充一次电，其原理就是低功耗遥控车位锁的低能耗，最大待机电流0.6mA，运动时的电流2A左右，大大节省了用电量。

另一方面，车位锁安放在停车场或者露天场所，那么就要求车位锁的防水防震防撞功能要强，抗外力的指数要高，以上说的几种车位锁的形状，都不能够全方位的防撞。

低功耗遥控车位锁采用独特的防撞技术，无论从任何角度施力都不会对机体造成伤害，真正做到360°防撞；并采用骨架油封和O型圈进行密封，防水防尘，保护机身内部零件不被腐蚀，有效防止了线路短路，就这两项技术就大大提高了车位锁的使用寿命。

现在车位锁有以下分类：

1、使用功能上分为：

手动车位锁、低功耗遥控车位锁。

2、结构形状上分为：

O型车位锁、K型车位锁、T型车位锁、X型车位锁、A型（也称三角形）D型，U型，F型。

方形车位锁，飞机型，八角型，L型，柱形等，这些都是市面上常见车位锁造型。

[3]

1.4论文探究的内容

本文在认知低功耗遥控锁的现况之下，将软件和硬件，电子与机械的结合，并且关注车主的当前要求，切合当前的社会环境，从而设计了这一论文。

本文的思路如下：

第1章:

了解当前车位锁的现况、分类和未来发展方向，最后如何解决车位锁所面临的难题。

第2章：

根据单片机的功耗能力方面对车位锁的相关描述，然后对于单片机的使用，传感器的使用，相关电路的电路分析和原理。

第3章：

对车位锁的低功耗遥控电路分析，达到环环相扣的设计电路，实现低消耗，从而完成整个电路及其他器件的设计。

第4章：

是对本文的总结，和根据本文的研究成果对未来的无限遐想。

第5章：

对车位锁的相关软件的设计，详细的说明了相关软件的使用说明，其中包括主程序和子程序。

第2章智能低功耗遥控车位锁的设计方案

2.1车位锁的设计方案

本文中所设计的车位锁，目的是构成最低能耗的系统，它的主要组成部分是STC89C52单片机，具有保护电路。

本次设计的目的：

1、当按下低功耗遥控器的升起键时，车位锁的接收电路接收信号并比较编码是否一致，若一致则唤醒单片机电路并把升起信号送给单片机。

单片机收到信号后检测车辆在为信号和升降杆位置信号，若两信号都符合条件，单片机发出升起起降杆指令，然后电机运转升起起降杆，当起降杆位置传感器感应到起降杆到位后，发送信号给单片机。

单片机发出指令停止电机运转，这时单片机进入计时状态，三分钟后若没有接收到其它指令，则单片机发出指令切断除低功耗遥控接收电路外的所有电源供给，进入车位锁等待节能状态。

2、当按下低功耗遥控器的下降键时，车位锁的接收电路接收信号并比较编码是否一致，若一致则唤醒单片机电路并把下降信号送给单片机，单片机收到信号后检测升降杆位置信号。

若信号符合条件，单片机发出下降起降杆指令，然后电机运转降下起降杆，当起降杆位置传感器感应到起降杆到位后，发送信号给单片机,单片机发出指令停止电机运转，这时单片机进入计时状态，五分钟后若没有接收到其它指令，单片机就检测车辆在位信号和升降杆位置信号，若两信号显示车位没车，则单片机发出升起起降杆指令，升起起降杆，这时单片机再次进入计时状态，三分钟后若没有接收到其它指令，则单片机发出指令切断除低功耗遥控接收电路外的所有电源供给，进入车位锁等待节能状态。

在单片机被唤醒时，单片机通过中断检测工作电流和电压，若电流过大，单片机停止电机动作并发出警告信号，同时单片机进入计时状态，三分钟后若没有接收到其它指令，则单片机发出指令切断除低功耗遥控接收电路外的所有电源供给，进入车位锁等待节能状态；若电压过低，则发出警告信号但不停正常工作。

2.2车位锁的硬件部分

2.2.1单片机的选择

单片机就是在一个芯片上集成了运算器、控制器、存储器和各种输入/输出接口等计算机的主要部件，得到一个单芯片的微型计算机。

它虽然只有一个芯片，但在组成和功能上己经具有了计算机系统的特点，因此称之为单片微型计算机，称单片机。

单片机具有体积小、成本低、功耗低、可靠性好、适用范围宽等特点特别适合在智能低功耗遥控车位锁中使用。

本文选用由我国南通国芯微电子有限公司生产的STC89C52AD系列单片机中的STC89C52。

STC89C52AD系列单片机有如下功能特点：

1、STC89C52AD系列单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051系列单片机。

指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速8位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

2、工作电压：

STC89C52AD系列工作电压：

6.0V-3.5V（5V单片机）。

STC12LE2052AD系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）。

3、工作晶振频率范围：

0~35MHz,运行速度是传统单片机的8—12倍。

4、用户应用程序空间有1K、2K、3K、4K、5K字节等可选择。

5、单片机内部集成了256字节的片上RAM。

6、通用I/O口有15个，在复位后为准双向口的弱上拉模式，既为普通8051传统I/O口模式。

I/O口可设置成四种模式:

准双向口的弱上拉、强推挽、强上拉模式，单纯输入口的高阻或开漏模式。

单个I/O口驱动能力可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。

7、TC12C2052AD系列单片机无需专用编程器，无需专用仿真器。

单片机通过串口（P3.0/P3.1）可直接下载用户程序，且速度很快，几秒钟就可完成写入任务。

8、工业级芯片工作温度范围为-40~+85°C，本文选用此类芯片。

9、本文选用SOP-20封装的20脚贴片封装芯片体积约为10mm×13rnm。

STC89C52AD单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

STC89C52AD系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块。

STC89C52AD系列单片机的封装及各管脚功能如图所示：

图2-1单片机引脚图

2.2.2车辆在位传感器的选择

车辆在位传感器是用来检测车辆是否停在车位上的传感器，以防车辆停在车位上时，由于误操作使车位锁升起而卡在车底,造成不必要的麻烦和损失。

经过阅读相关资料和亲自实践，通过比较决定选用压力传感器作为本文的车辆在位传感器。

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的原件。

由电阻应变片和测量电路两部分组成。

常用的电阻应变片有两种：

电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线珊上面有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也有误差，产生的因素很多，所以在测量时我们一定要注意。

其中的温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

A:

电阻丝温度系数引起的。

B：

电阻丝与被测原件对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的办法是在被粘贴的基片上采用适当及温度系数的自动补偿，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要由结构设计决定，通过线性补偿，也可以得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。

设有一根电阻丝，如图所示。

它在未受力时的原始电阻值为

式中:

——电阻丝的电阻率；

——电阻丝的长度；

——电阻丝的面积。

电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化

，且有

令电阻丝的轴向效应为

，由材料力学可知

，

为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得

通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为

从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数

由两部分组成：

表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；

表示由材料电阻变化所引起的。

对于金属材料，

项的阻值要比

小得多，可以忽略，故

=

。

大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即

=1.7～3.6。

上式可写成

。

应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰。

一般在测量中都使用4片应变片组成差动全桥，本设计所采用的传感器就是全桥测量电路。

其电路图如图2-2所示。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线位输出电压Uo。

其特点是：

当四个桥臂电阻达到相应关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。

无压力时，电桥平衡，输出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边。

其输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到了改善。

图2-2全桥测量电路

2.2.3位置传感器的选择

位置传感器是用来感应起降杆位置的传感器，当起降杆升起到指定位置时，位置传感器会感应到并将信号送给单片机，单片机停止电机运转，起降杆停止升起。

当起降杆下降到指定位置时，位置传感器会感应到并将信号送给单片机，单片机停止电机运转，起降杆停止下降。

由于霍尔集成开关传感器具有使用寿命长，无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点而被选为本文的位置传感器。

霍尔开关集成传感器是一种磁敏传感器，它利用霍尔效应原理吧敏感元件与电路集成一起，它能感知到与磁信息有关的物理量，并通过电路并以开关形式输出，因此称为霍尔开关集成传感器。

霍尔效应是一种磁电效应，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年终研究金属的导电机构时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应，霍尔元件在磁场的作用下，产生霍尔电压。

霍尔开关集成传感器以硅为材料，利用硅平面工艺制造。

硅材料制作霍尔元件是不够理想的，但在霍尔开关集成传感器上，由于N型硅的外延层材料很薄，可提高霍尔电压，可提高传感器的灵敏度。

图2-3为霍尔开关集成传感器实物图。

图2-3霍尔集成开关传感器

图2-4是霍尔开关集成传感器的内部结构框图。

它主要由稳压电路、霍尔传感器、放大器、整形电路、输出电路等部分组成。

稳压电路的作用是使传感器在大的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器与各种逻辑电路接口。

图2-4霍尔开关内部框图

霍尔开关集成传感器的工作过程是这样的：

当有磁场作用在传感器上时，就会产生霍尔效应，霍尔元件产生霍尔电压，霍尔电压经过放大后，进入施密特整形电路。

这时当放大后的霍尔电压大于开启阈值时，施密特触发器翻转，输出高电平，开路三极管导通，这种状态为开状态。

当磁场减弱时，霍尔电压减小，该电压经放大后也低于施密特触发器的开关阈值，施密特触发器再次翻转，这时输出的是低电平，三极管处于截止状态，霍尔开关处于关状态。

图2-5为霍尔开关集成传感器的外形及其典型应用电路。

图2-5霍尔开关集成传感器的外形及其典型应用电路

本章小结

本章根据单片机的功耗能力方面对车位锁的相关描述，然后对于单片机的使用，传感器的使用，相关电路的电路分析和原理进行了详细的描述。

第3章系统硬件电路设计

3.1整体构成

智能低功耗遥控车位锁以STC89C52单片机为核心，由遥发射接收电路、电机起降控制电路、电源控制电路、位置传感器电路、车辆在位传感器电路、通信电路和时钟电路等部分组成。

图2.2为智能低功耗遥控车位锁的硬件电路原理框

报警

电机控制

电源控制

按键

单片机

车辆在位传感器

LCD屏幕

红外通信

时钟

图3-1系统框图

基于单片机的智能低功耗遥控车位锁整机的工作过程如下：

车位锁在待机状态下，除低功耗遥控系统外，包括单片机在内的所有电路都处在断电状态，当低功耗遥控发射器发出起降信号后，低功耗遥控接收电路把低功耗遥控信号同时送给电源控制电路和单片机端口，电源控制电路收到信号后接通电源给单片机供电，单片机开始工作并判断收到的信号是升起还是下降信号。

若是低功耗遥控升起信号,单片机调用升起子程序：

首先通过车辆在位传感器系统判断车辆是否在位，若在位，再通过位置传感器判断起降杆是否在升起位置，若不在，单片机启动电机控制部分，电机动作升起起降杆。

在起降杆升起过程中，单片机扫描过流保护信号、低功耗遥控器起降信号和位置传感器信号

若是低功耗遥控下降信号，单片机调用下降子程序：

首先通过位置传感器判断起降打是否在落下位置，若不在，单片机启动电机控制部分，电机动作下降起降杆。

在起降杆下降过程，单片机同样扫描过流保护信号、低功耗遥控器起降信号和位置传感器信号，当扫描到位置传感器信号显示到达升起位置,单片机停止电机运转，结束起降杆下降动作。

在起降杆停止升起或下降动作后，单片机会进入计时程序，计时结束，然后单片机再次检测检测位置传感器和车辆在位传感器，若起降杆在升起位置，单片机发出指令给除低功耗遥控电路外的部分断电，进入待机状态。

若单片机在降下位置并车辆不再位，则单片机调用升起子程序升起起降杆，但此时不是进入计时状态,而是切断除低功耗遥控电路外的电源，进入待机状态。

3.2单片机系统

车位锁采用图3-2所示的STC89C52AD系列单片机的最小应用系统的时钟电路和上电复位电路。

XI选用6MHz无源晶振。

STC89C52AD系列单片机虽然指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

这是因为STC89C52AD是本时钟/机器周期单片机，而传统的51系列单片机是时钟周期12分频后作为机器周期的。

图3-2单片机最小系统电路图

3.3遥控发射与接收电路的设计以实现超低功耗

3.3.1遥控发射电路

遥控发射电路原理如图3-3所示。

图3-3遥控发射电路原理图

遥控发射电路采用315MHz声表面谐振器稳频，它用树脂封装，频率稳定性较好，免调试。

此处若选用普通的LC振荡电路，在温度变化较大或者遭受到剧烈振动时已调好的频点就会发射漂移，因此LC振荡器的频率稳定度较差，不适合用在此处。

此遥控发射电路具有较低的功耗和较宽的工作电压范围，但当工作电压为12V时能发挥其最大效率，此时发射电流约为5～8mA，且能达到电路的最大发射功率，当工作电压为3V是，虽然发射电流较小，约为2mA，但发射功率也较小，不适合进行中远距离的遥控。

当工作电压大于12V时，发射电流会增大，但发射功率不会明显提高。

因此本文选用12叠层电池作为遥控电路的电源。

此遥控发射电路用调幅方式调制以降低功耗，当没有数据信号输入时，发射管处于截止状态，此时电流降为零。

数据信号与遥控发射电路之间采用47K电阻而不能采用电容耦合，否则遥控发射电路由于没有偏置电路而不能正常工作。

此发射电路对输入数据信号的电平和脉冲宽度都有一定的要求，否则会影响调制效果，出现发射距离变近、遥控失灵等情况。

输入信号电平当接近电源电压时电路的调制效果最好。

同时发射电路对输入信号的脉冲宽度也有严格的要求，脉冲高电平宽度应控制在0.08～1ms之间，脉冲低电平宽度应控制在10ms之内。

遥控发射电路对过宽的调制信号易出现调制效