论文总字数：19682字

摘 要

随着经济的发展，车成为了人们生活中不可或缺的交通工具，而停车场更是越来越多，因此停车场的管理就格外重要。

本文设计了一个基于单片机的停车场管理系统，该系统以MFRC522非接触式读卡器芯片为基础，把STC89C52RC单片机芯片作为主控芯片的系统。当MFRC522读写器芯片读取到IC卡上的信息时，系统会去识别车辆的信息，接着控制电机的转动，以此达到模拟升降杆的目的。本文在提出设计的详细方案基础上，对各模块的软硬件设计进行了详细阐述，并对系统进行测试与调试。

测试结果表明，本文设计系统能实现所要求的功能。

关键字：单片机 停车场 IC卡识别

Parking management design based on single chip microcomputer

ABSTRACT

With the development of economy, the car has become an indispensable means of transportation, and the parking lot is more and more, so the management of the parking lot is very important.

In this paper,a parking management system based on single chip microcomputer is designed.The system is based on the MFRC522 contactless reader chip and the STC89C52RC chip is used as the main control chip.When the MFRC522 reader chip reads the information on the IC card,the system can identify the information of the vehicle,and then control the rotation of the motor to achieve the purpose of simulating the lifting rod.In this paper,based on the detailed scheme design,the hardware and software design of each module is described in detail,and the system is tested and debugged.

Test results show that the system can achieve the required functions.

Key word: single chip parking lot IC card recognition

目录

摘 要 2

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国外现状与发展趋势 1

1.3 国内现状与发展趋势 2

1.4 研究目标和研究内容 2

1.4.1 研究的目标 2

1.4.2 研究的内容 2

1.5 论文的结构 3

第二章 系统方案的分析与选择 4

2.1 系统的总体结构 4

2.2 控制模块 4

2.3 显示模块 5

2.4 时钟模块方案 6

2.5 蜂鸣器方案 6

2.6 直流减速电机模块 6

第三章 系统的硬件设计 7

3.1 系统的主控电路 7

3.2 系统的时钟电路 8

3.3 复位电路 9

3.4 系统的电源电路 10

3.5 读写器电路 11

3.5.1 IC卡——Mifare One卡 11

3.5.2 读写芯片MFRC522 11

3.6 直流减速电机电路 13

3.7 直流减速电机角度测量及其转换电路 15

3.7.1 电位器测角原理 15

3.7.2 模数转换电路 15

3.8 液晶与指示灯显示电路 17

3.8.1 液晶显示电路 17

3.8.2 指示灯显示电路 19

3.9 按键电路 20

3.10 蜂鸣器电路 20

3.10.1 蜂鸣器介绍 20

3.10.2 蜂鸣器电路 21

第四章 系统的软件设计 22

4.1 主程序流程图 22

4.2 显示程序设计 22

4.2.1 读忙标志 22

4.2.2 写指令子函数 23

4.2.3 写数据子函数 23

4.2.4 LCD12864的初始化 24

4.3 MFRC522的读写卡程序 25

4.3.1 电机控制子函数 27

第五章 系统的调试 30

5.1 静态调试 30

5.2 动态调试 30

5.3 本设计中存在的问题 31

第六章 总结 32

6.1 结论 32

绪论

研究背景

因为我国经济迅速崛起，都市化发展快猛，国人人均财产的增多，车辆也成了每个家庭中常见的出行工具。根据2012年7月的全国汽车统计调查，与去年相比增加了801万辆，总数达到了1.1亿辆，增长率约为7.66%^[1]。虽然汽车的数辆增加提高了人们的生活水平，但是给城市的交通和环境带来巨大的挑战。周末黄金周的时候，堵车现象在停车场门口格外严重，造成交通堵塞。而且由汽车制造的噪声和产生的尾气等污染物更是危害人类的健康^[2]。停车的困难，更会诱发交通事故等^[3]。因此在一定程度上停车场的出现缓解了这一现象，加快了交通设施的正规建设^[4]。

目前国内的泊车场大致上有以下几种：⑴按使用对象:公用与专用停车场；⑵按地点:室内与室外停车场；⑶按形式：露天式与地下式停车场^[5]。大泊车场是判断城市是否国际化的重要条件，更具有舒缓城市道路通行的潜力。但是停车场的管理系统存在许多弊端，普遍存在的问题有：⑴停车场安全口只有两个车道，车辆通行极其不方便，很有可能发生拥堵；⑵工作人员不知道停车场内有多少车位可使用；⑶停车场内车位少时,停车者无法迅速找到停车位置，导致寻位难的问题；⑷有的时候，很多车主甚至会有迷路的困惑^[6]；⑸好的设施得不到应有的保养与维护。

由此可见要从根本解决停车难，首先要根据城市道路等因素对停车场进行规划，完善停车场的管理制度，并进行合理的管理^[7]。由国内外多年来的实践说明，仅仅依靠扩建停车场无法满足停车的需求，所以科学智能地对停车场进行管理很重要^[8]。

国外现状与发展趋势

由于国外的停车管理已经有了大约五六十年的探索，因此管理收费系统大致进入到高科技化。从最开始的人工收费转便成更具有科技含量的非接触的新类型^[9]。这也是因为国外的设备制造工艺精良，系统稳定和较高的产品技术水平。国外停车场相比于国内的单一化更丰富多彩，高科技智能化是国外的停车场系统最突出的地方，可以通过系统进行付款，根本不会通过现金来支付停车费。像新加

坡陆就在2008年开发了高科技化的系统，可以将车自动存放。停车者通过身份信息验证来取车^[10]。

国外的许多研究者分别提出了不同的停车场管理方案。荷兰的Jonker通过对照同一个都市的行为，进行虚拟实验，得到了环境质量改善的成绩，这表明智能泊车有很大的潜能^[11]。Soumya和Hameed认为解决停车场的空间问题需要采用搜索技术，尝试模拟了一些不确定性的情况^[12]；Sayant等人设计的是以图像识别技术来控制停车场的，具有高科技化^[13]。该系统使用数字图像处理方法进行车辆检测，并能为进入的车辆引导停车^[14]；Danda提出一种通过无线数据通信的系统更加安全新颖，可以人性化的管理车位资源^[15]。用户可以在家搜索出行目的地的信息，并交付定金。

国内现状与发展趋势

随着经济地不断发展，城市规模不断的扩大，产发了巨大变化，对交通发展带来一系列的影响^[16]。系统的发展从最初的流动巡视到九十年代前条形码技术和磁卡。一开始由于没有技术，所以主要借鉴于国外系统。发展初，因为技术限制，硬件直接从国外引进。到目前基于IC卡的停车场管理与车牌的辨认还在起步阶段，固然IC卡性价比较高，有不错的辨认技术，能提高停车场的效率，具有了初步的智能化水平^[17]。但是在实际应用中暴露出了一些问题，大致有：系统设计不符合国情，不符合本身的价格，以至于有些技术和设备会阻碍系统的解决^[18]。例如辨认的时间较长，不能迅速进入停车场^[19]；并且图像自动辨别技术需要图像的清晰，而图像往往会因为气候等条件变得模糊，无法得到很好地应用^[20]。

研究目标和研究内容

研究的目标

实现IC卡辨别身份的功能，信息验证的功能，直流减速电机的控制以及液晶显示功能。制作出该系统的实物模型，反复试验和改进，尽可能的使之能达到可靠性，稳定性和实用性的目标。

研究的内容

设计的IC卡辨别系统选取STC89C52RC单片机作为核心芯片，基于MFRC522读卡器芯片。当MFRC522读写器芯片读取到IC卡上的信息时，主控制芯片会自动去识别车辆的信息，如果绿指示灯亮，说明是条件符合的车辆，主芯片会控制电机使栏杆抬起，让车辆通行；如果红指示灯亮，则说明车辆不具备通行条件，主芯片不会控制电机动作，使车辆无法通行。再经过工作人员的询问后，可以手动控制电机动作，红绿指示灯都不会亮，让栏杆抬起，放行车辆。本设计的系统主要用于辨别车辆的IC卡信息。

论文的结构

1. 介绍系统方案的分析与选择，主要包括控制模块，显示模块，时钟模块，蜂鸣器模块和之流减速电机模块的选择；
2. 介绍系统的硬件部分，主要有系统的主控电路，电源电路，时钟电路，读卡器电路，直流减速电机电路，液晶与指示灯显示电路，按键电路和蜂鸣器电路的工作原理；
3. 介绍系统的软件部分，主要有主程序的流程图，还介绍了读卡器程序与显示程序的设计；
4. 介绍如何调试的系统，主要有静态调试与动态调试；
5. 为总结。

系统方案的分析与选择

系统的总体结构

系统总体是以STC89C52RC 单片机为主要芯片，其它模块包括：电源、直流减速电机驱动、电机角度测量转换、读写器、显示、串口和按键，其结构框图如图2-1所示。

图2-1 系统的总体结构

控制模块

方案一：单片机控制

本次设计中选取STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52单片机是一款高性能低功耗的微控制器，是一种符合可持续发展理念的，它具有CMOS快速化和高集成的特点，采用了51单片机的大致布局，拥有可编程存储器。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM MAX8 10复位电路，最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52单片机内带4K字节EEPROM存储空间，最高运作频率35Mhz，8k可编程Flash，五百一十二字节RAM，具有输入输出功能的输入输出口线，复位电路，中断和16位定时/计数器，全双串行端口。STC89C52支持2种软件可选择节电模式。(1)空闲的时候，不工作，允许其它单位继续工作。⑵掉电的时候，禁止一切单位运作，除非中断或复位。可直接使用串口下载，能实现本次设计的要求。

方案二：ARM

ARM处理器是一款RISC微处理器，它具有功耗低、性能高、体积小等一系列的优点，让计算机的布局越发简化来增加效率，不仅仅单纯地去精简指令。基本上优先选取频率最高的简介指令，将内容繁杂的操作数与码放在一起，缩短工作周期，挺高处理能力。克服了瓶颈现象，增强了使用功能，并且性价比也较高，使硬件的构造更加清晰明了。大量寄存器的使用使得ARM的指令执行速度非常快，执行效率也非常高，同样也能实现本次设计的要求。

综上所述：从两者的好处与坏处来看，ARM处理器的价钱相比于STC89C52单片机来说十分昂贵，两者的价位并不是一个级别的，我们设计的系统不应该选用贵重的芯片，选用的元器件需要结合我们自身实际的情况，不能单从理论上来考虑，因此在本次设计中，选用了STC89C52单片机来作为我本次设计的电源的主控制器。

显示模块

方案一：采用液晶电路来显示

LCD12864是工业字符型液晶，它能够同时显示16x02即32个字符。采用点阵式液晶显示模块，能显示字符、汉字和图形，而数码管显示器只能显示字符和数字。此外LCD的显示面积大，数字和汉字显示容易实现，程序要求不是很高，更加容易操作。我们通过写程序可以控制它输出的字符，对比LED数码管而言，液晶电路能耗低，价格更为低廉，同时可视面积大，显示效果更为直观。

方案二：采用数码管LED显示

LED数码管是一种由多个发光二极管组成的器件，发光二极管，光能由电能直接转化而来，使用简单，所以常用来用作显示、报警等电路。LED的核心是半导体晶片，晶片两段是两极，通过导线和印制电路板相连，整个晶片用树脂镜片封装起来。LED数码管可以构成变化无穷的色彩和图形。LED数码管可以组成很大的展示牌，可以展示并可播放各种视频可实现字符的显示。根据需要的差别，在液晶屏上显示自定义字形。。它的优点是使用简单，我们通过将其内部的引线引出就可以让LED工作，同时LED的体积小并且使用寿命长，但与其他选择相比它的价格相对较贵，并且发热量大，显示效果也不是很直观。

综上所述：本次设计在显示模块方面，通过数码管LED与LCD12864的对比，很容易发现LCD12864有价格低廉，面积大，显示直观等优点，因此选用方案一，即选用LCD12864来完成本次方案的设计。

时钟模块方案

方案一：采用内部RTC实时时钟

采用内部RTC实时时钟。该时钟是一个独立的定时器，拥有一组连续计数的计数器，利用纽扣电池掉电保存。

方案二：采用外部时钟模块。

DS1302时钟芯片为自带RAM的时钟电路，同样可以掉电保存，成本低，时间显示精确。由于STM32的内部RTC时钟与DS1302具有相似性能，均可掉电保存，而且RTC时钟具有时钟配置寄存器、闹铃寄存器等多种寄存器，可以直接调用，使用方便。

综上所述：经过两相比较，为了减少成本和使用方便，选用内部RTC实时时钟作为时钟电路。

蜂鸣器方案

方案一：使用无源蜂鸣器

没有集成振荡电路，单一电平信号不能使蜂鸣器工作，需要一定波形信号进行驱动，但发声频率可以控制，可以发出多种声音。

方案二：使用有源蜂鸣器

集成有振荡电路，单一电平信号即可发出声音，但是只能发出单一频率的声音。两种蜂鸣器在成本方面差异小，无源蜂鸣器虽然需要方波驱动，程序比较复杂，但可以通过发声频率的控制实现音乐的播放，这是有源蜂鸣器做不到的，考虑到设备功能的多样化，选用无源蜂鸣器进行报警功能的设计，此外还可以用其进行音乐功能的设计

直流减速电机模块

减速直流电机的控制采用H桥的控制方案。使用分立原件搭建电机驱动电路:成本低，广泛应用于在大规模生产。但此电路工作的稳定性较差，容易出现硬件方面的故障。L298N芯片驱动电路：电路结构不复杂，工作稳定性好，方便使用。

综合各方面因素，采用方案，使用L298N芯片驱动电路。

系统的硬件设计

系统的主控电路

本系统的主控芯片采用STC公司生产的STC89C52RC，STC89C52RC具有高性能，环保等特点。具有以下功能：一个8位字长的CPU指令系统，；一个512字节的RAM；三个16位定时器/计数器；一个全双工串行接口；32位I/O端口；一个7向量4级中断结构；内部有8KB的EEPROM（程序存储器）。

与外围各个模块的引脚分配关系如表3-1所示，电路连接情况如图3-1所示。

表3-1 连接说明图

图3-1 单片机与各个模块的连接图

系统的时钟电路

单片机是一个复杂的同步时序系统，所以必须通过时钟信号来保证。本次设计要做的是外部的振荡电路，而在单片机的外部并接石英晶体振荡器和两个电容，石英晶体和电容构成振荡回路。但是振荡电路产生的信号必须进行分频才能成为单片机各元件所需的时钟信号，所以单片机内部集成有分频电路，这两部分就是单片机的时钟电路。晶振电路用来产生单片机工作所必须的时钟频率，与单片机的XTAL1和XTAL2相连接，使单片机可以正常进行工作。为了使系统可以稳定的进行工作，使用的晶振频率一般不超过24MHz，本系统采用内部方式，晶振选用11.0592MHz，能够产生较为精确的9600的波特率。振荡电路中的两个电容C1和C2一般选用30pf左右，用来帮助晶振起振。一般情况下每种单片机都会有自己特定的最大工作频率，所以在选择外接的晶体振荡频率是需要考虑到单片机种类的差异。

时钟电路的功能在于为单片机的工作提供驱动，以及为每个外设提供时钟信号，其优点是当外部设备处于非工作状态时，可以通过它的独立时钟来关闭它，从而降低整个系统的功耗。时钟可由三个部分来提供。包括高速内部时钟电路，高速外部时钟电路和以晶振为核心的RTC时钟。本系统的外围电路中的时钟电路属于第三种，其可以为单片机系统提供一个精准的时钟源。

图3-2时钟电路

复位电路

该电路的功能是当单片机在运行过程中由于突发原因导致无法继续运行程序时，为其提供重新开始的功能。实现复位主要有两种方法一是上电复位即我们选择的52单片机电路中的外围复位电路。二是手动复位。复位是单片机的硬件初始化操作，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号高电平有效，且其有效时间应持续保持两个机器周期以上。复位是系统设计中必不可少的基本功能，在调试或运行程序时，当遇到死机、死循环或操作错误使系统处于死锁状态时，可以按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，具体连接电路如图3-3所示。

复位电路的基本功能：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号即系统完成复位初始化。本次设计采用上电复位，使用10uf的电容和10k的电阻，所以在单片机启动的10K*10uf=0.1s内，电容两端电压0~3.5V增加，电阻两端电压5~1.5V减少，所以在上电0.1s内系统自动复位。

图3-3 复位电路

系统的电源电路

本系统要 5V的直流电源供电，所以为了方便程序调试和系统板子供电，我们供设计了2个电源接口，分别为J1，J2。其中J1口是另一种获取电源的途径，主要通过连接电源线与电源适配器连接来获得电压的，而J2口是可以支持提供USB连接的，可以通过连接线与电脑连接来获得电源。电路图如下3-4所示。

图3-4 系统的电源电路

在图3-4中，最左侧的J1，J2是提供电压的接口，J1口主要通过与电源适配线连接来为系统提供电源，而J2口可以通过连接USB来供电。右边的电路里为了稳定直流电流，只允许特定频率电流的通过，我们加入了EC1与C1，他们都是用来过滤电流的。其中通过公式计算得出EC1要采用100uf大小的，EC1用

来阻止低频电流，如果有低频电流通过的话，EC1会将低频电流接地；而C1则相反，通过计算C1要使用0.1uf的，C1是高频滤波电容，低频电流可以直接通过，而高频电流会被接地，去除掉了高频信号的干扰。在他们的右边有一个SW1自锁电源开关和一个用来显示电源开关的LED1。在LED指示灯的右边我们连入了ASM1117稳压芯片，因为MFRC522芯片的工作电压是 3.3V，针对这一问题，我们采取的方案是利用ASM1117-3.3稳压芯片来得到 3.3V的电压。该芯片输入端为上一级的 5V电压，经过稳压后输出端为 3.3V电压，供MFRC522读写器芯片使用，该芯片还具有限流和过热切断功能，使用起来安全可靠。522左右两侧的EC2与EC3都是与EC1一样的电容都是使用100uf大小的，主要作用是用来过滤掉流过的低频电流，是高频电流通行，是系统的进一步的稳定。而最右端的我们通过接入0.1uf大小的C2电容来是低频电流通过，去除高频信号的干扰，更加稳定了系统。

读写器电路

本设计中第一我们来了解下什么是IC卡，接下来进一步来了解该芯片在本设计中是如何进行通信的。

IC卡——Mifare One卡

IC卡诞生于上世纪末，凭借着通信时不需要直接触碰，因而得到了广泛应用。具有以下优点。

1. 可靠性更高。因为没有进行直接的接触，所以一些潜在的问题得以避免。

（2）操作更方便。由于采用了射频电磁波通信，在10cm范围内就可以实现对IC卡的辨别，无需刷取，方便了使用。

IC卡大致的结构是：覆盖薄膜，填充物，冲压成型的薄膜，连接技术，非接触式IC卡芯片，天线，承载薄膜与覆盖薄膜构成。天线即几匝导线，环绕在卡的边缘。

读写芯片MFRC522

我们设计的读写器电路图如图3-5。

图3-5 MFRC522的电路原理图

由于其他的微控制器可以直接连接MFRC522芯片，所以我们在设计这个读卡器电路时，MFRC522的6,24,29,30,31引脚分别与单片机的P1.3-P1.7引脚连接，是SPI总线模式的通信接口，兼容与标准SPI接口相同，其中522_SDA为片选，522_SCK为SPI时钟，522_MOSI为单片机发送RC522接收，522_MISO为单片机接收RC522发送。这4个管脚分别连接到STC89C52RC的P1.4、P1.7、P1.5和P1.6脚，利用4个输入输出口模拟SPI的时序，另外芯片522连接单片机的P1.3引脚。用来进行复位操作，522-SCK由单片机产生。522-MOSI可以将数据从单片机传送到522芯片；522-MISO则将数据从RC522芯片转发回单片机。这两个传输的都是在前的高位字节。522-MISO维持上升沿，时序图如图3-6。

图3-6 SPI的时序图

直流减速电机电路

我们设计的这个直流减速电机电路，主要采用虚拟提干的思路，因为电机有两个旋转方向，所以我们可以通过定义一个方向当做升干后，那么反方向就是降杆。考虑到单片机的原因，直流电机可能没有办法运作，所以我们通过加入芯片

L293D，来达到电机工作的目的。且单片机对其控制简便，运行稳定可靠，使硬件电路大大简化又能达到可靠控制直流减速电机的效果。如图3-7所示是L293D芯片的引脚图。

L293D的电压范围从4.5伏到36伏，能提供600毫安双向驱动电流，它可以用来驱动感性负载，如继电器、直流、步进以及其他高电压、大电流负载。内部拥有ESD保护、热关断保护，单独的输入逻辑电源，所有输入均兼容TTL电平，每个输出都是完整的推拉输出电路。

图3-7 L293D的引脚图

图3-8 直流电机的电路图

在我们设计的直流电机的电路图中，可以发现芯片L293D是一个左右基本一致，使用左侧的部分进行设计，L283D芯片的1引脚与单片机的P2.0相连，2，7引脚与P2.1，P2.2相连，EN为使能端。通过查阅内部结构图3-9与简易的结构图3-10后，再通过真值表表3-2可以发现IPUT与OPUT的联系。只有在EN输入为高电平时，当IPUT输入为高电平时，IOUT输出为高电平；当IPUT输入为低电平时，IOUT输出为低电平。由此可以发现，IPUT与OPUT同电平。

图3-9 L293D芯片的内部结构图

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