毕业设计论文基于plc的停车场车位控制系统设计.doc
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基于PLC的停车场车位控制
系统设计
系别：
机电与自动化学院
专业班：
电气工程及其自动化0708班
姓名：
尹海彪
学号：
指导教师：
谭思云
2011年6月
37
基于PLC的停车场车位控制
系统设计
DesignofControlSystemforParkingSpacesBasedonPLC
摘要
随着汽车工业的迅猛发展，我国汽车拥有量急剧增加，很多城市出现了“停车难”问题，停车场成为交通系统中重要的一部分。
停车场车位控制系统是以计算机和PLC作为控制器，实现对车辆进出停车场的自动登记、收费、计数以及车位引导的一种停车系统。
本课题针对小区停车问题设计出了一个基于PLC的中小型停车场车位控制系统。
该系统从功能上来说分为停车场外部的出入控制系统和停车场内部的车位引导系统。
出入控制系统主要负责统计停车场内剩余车位的数量并将其显示以控制车辆的出入，主要包括传感器、PLC计数系统、七段数码显示、红绿指示灯，道闸栏栅等；车位引导系统则是负责当车进入停车场后引导车停在最优的位置，主要包括传感器、PLC控制器、计算机控制系统、LED显示屏等。
本文主要介绍了停车场控制系统各个部分主要实现功能、设备组成以及在硬件电路上的选择，同时阐述了PLC的输入输出分配，重点介绍了PLC外部硬件电路接线和软件编程设计，本文中软件编程语言用的是梯形图，直观易懂。
整个系统设计思路清晰，结构紧凑，各部分原理简明通俗，对停车场车位控制系统的设计具有一定的参考价值和实际意义。
关键词：
停车场可编程控制器车位引导
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftheautomobileindustry,China'sautomobileownershiphassoared.Manycitiesappeared"parking"problem,andparkingbecomeanimportantpartoftransportsystem.ParkinglotcontrolsystemisaparkingsystemwhichiscontrolledbycomputerorPLC（ProgrammableLogicController）torealizetheautomaticregistration,charges,count,andparkingguidance.
ThisarticleintroducesaparkinglocationsystembasedonPLCtosolvetheactualproblem.Thesystemcanbedividedintotwopartsbasedonfunction,onewhichisoutofthelotisdesignedtocontrolthecarsinandout,theotherwhichisinthelotisdesignedtoleadthecarparking.Accesscontrolsystemincludessenseorgan、countersystem,seven-segmentdisplay、green-redlightsystemandsoon;Parkingguidancesystemisresponsibleforwhenthecarintothecarintheparkinglotafterguidingtheoptimallocation,mainlyincludingsensors,PLCcontroller,computercontrolsystem,theLEDdisplayandsoon.
Thisarticlemainlyintroducedtheparkinglotcontrolsystempartsmainlyrealizesfunction,compositionofequipmentandthechoiceofhardwarecircuit,andexpatiatestheinputandoutputdistribution,thePLCismainlyintroducedPLCexternalhardwarecircuitwiringandsoftwareprogrammingdesign,thisarticlesoftwareprogramminglanguageusedistheladderdiagram,straightforward.Thewholesystemhasacompactframeandin-focusconsecution,itselementcanbeunderstoodeasily,inawordthesystemcanbereferencedbykindredsystem.
Keywords：
parkinglotprogrammablelogiccontroller（PLC）parkingguidance
目录
摘要 I
Abstract II
绪论 1
1可编程控制器（PLC）简介 2
1.1PLC定义与发展现状 2
1.2PLC工作原理 2
1.3PLC的优点 4
1.4PLC编程语言 5
1.5PLC发展趋势 5
2基于PLC的停车场车位系统总体设计 6
2.1系统所实现的功能 6
2.2系统设计方案 6
2.2.1系统总体设计方案 6
2.2.2各子系统实现功能 8
2.3系统设计方法 9
2.3.1入口控制系统设计方法 9
2.3.2出口系统设计方法 10
2.3.3车辆显示系统设计方法 11
2.3.4车位引导系统设计方法 12
2.4系统组成总体框图 12
3控制系统的硬件设计 14
3.1控制系统选取 14
3.2出入口系统硬件组成 14
3.2.1入口系统组成 15
3.2.2出口系统组成 15
3.2.3出入口系统硬件电路图 16
3.2.4出入口系统硬件配置 19
3.3停车场车位引导系统硬件组成 22
3.3.1信息采集系统 22
3.3.2信息处理模块 24
3.3.3信息发布模块 24
3.3.4信息传输模块 24
3.3.5车位引导系统硬件配置 24
4系统软件设计 26
4.1系统软件总体设计 26
4.1.1软件总体流程 26
4.2停车场车位控制程序设计 27
4.2.1PLC程序输入输出符号表 27
4.2.2系统子系统软件 27
结论 34
致谢 35
参考文献 36
绪论
近年来，我国的汽车产业飞速发展，汽车保有量持续攀升，而中国目前的停车场建设相对滞后，“停车难”问题凸显。
为了满足日益增长的停车需求，大型、超大型停车场不断涌现，由于停车场规模的增大，传统停车场管理系统已不能满足实际需求[1]。
另外，随着规模的不断扩大，停车场内部针对停车用户的泊车引导日显重要，用户置身于停车位多达数千甚至上万的停车场中，往往很难自主快速找到停车位。
因此，为用户设计一套行之有效的泊车引导系统，指引用户泊车，不但可以加快用户的泊车速度，而且可以提高停车场的整体运行效率。
目前我国的停车场管理系统大多存在智能化、集成度低的缺点，注重收费的自动化，而忽视了停车过程的自动化、安全监控的自动化。
各个管理子系统没有有效地综合集成起来，停车场安全性、管理智能化水平和整体运行效率低下。
而且大多数的大型停车场，都不具备智能型的泊车引导系统，一般都只停留在显示停车位已满和指示车位编号等简单泊车引导阶段[2]。
智能停车场是智能交通系统的重要组成部分，是目前世界交通运输领域研究的前沿课题，其核心是采用先进技术和高度自动化的机电设备、图像处理设备、数据处理设备并结合用户在停车场收费管理方面的需求，以及交通管理方面的经验而开发的系统。
停车场车位控制系统是在不直接进行人工参与指挥的情况下自动完成停车场空余车位数目统计、自动进出停车场的智能化收费以及自动车位引导的系统。
本设计主要研究停车场车位控制系统实现的功能和过程，通过PLC技术和计算机技术对停车场的出入库系统和泊车引导系统进行控制管理，实现自动进出口登记、收费、计数与车位引导，减少人工的参与，使车主准确、方便、迅速实现停车。
而且完成了停车场车位控制系统的硬件系统设计与选型，以及软件系统的设计。
1可编程控制器（PLC）简介
1.1PLC定义与发展现状
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[3]。
可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器。
经过30多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集、图形工作站等的综合控制系统。
我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。
我国90％的PLC市场由国外占领，中大型PLC中，几乎100％是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、西德SIEMENS，日本富士公司为主。
我国的停车场车位控制许多都采用了PLC，并取得了非常好的效果。
1.2PLC工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC方式开关置于RUN（运行）时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作，执行所有阶段；当PLC方式开关置于STOP（停止）时，只进行内部处理和通信操作服务等内容，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。
循环扫描过程如图1-1所示。
开始
内部处理
通信处理
输入扫描
执行用户程序
输出处理
RUN方式
N
Y
图1-1PLC工作原理图
PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
其输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图1-2所示。
输入端
输入状态寄存器
第一条指令
第二条指令
．．．
最
后
用户程序寄存器
输出状态寄存器
输出端
接触器
输入采样
程序执行
输出刷新
图1-2PLC程序执行原理
1.3PLC的优点
可编程逻辑控制器是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入输出控制各种类型的机械或生产过程，具有以下几个显著特点[4]。
（1）实时性好
由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。
基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护，更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。
（2）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。
（3）控制功能强
PLC除具有基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配上特殊功能模块还可实现位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能。
（4）配置灵活
控制器产品种类繁多，可根据控制工程实现功能要求不同，进行不同的配置。
控制器的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户需要自行组合。
（5）使用方便
PLC安装简单，维修方便，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
（6）设计、施工和高度周期短
PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线，用PLC构成的控制系统比较简单，编程容易，安装使用方便。
1.4PLC编程语言
PLC编程语言与计算机的工作原理一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的，表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。
但基本上可归纳为字符表达方式（即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式）和图形符号表达方式（即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式）这两大类。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素[5]。
1.5PLC发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展，具体表现为以下几个方面：
（1）向高速度、大容量的方向发展；
（2）可靠性进一步提高；
（3）增强外部故障的检测与处理能力；
（4）大力开发智能模块；
（5）提供更方便灵活的编程方法，让PLC的使用更加方便；
（6）向超大型和超小型两个方向发展；
（7）PLC更加规范化、标准化；
（8）PLC联网通信功能更加强大[6]。
2基于PLC的停车场车位系统总体设计
2.1系统所实现的功能
此系统大体要满足以下要求：
（1）假设停车场共有168个空位，停车场的每个十字路口设有车辆信息提示显示屏，用于显示空余的停车位。
（2）在入口处装设有一车辆传感器，用来检测车辆进入，能通过PLC进行计数，有车进入时，计数减1。
（3）在出口处装设有一车辆传感器，用来检测车辆出去，能通过PLC进行计数，有车开出时，计数加1。
（4）车位有空余时，入口闸栏可以开启让车辆进入停放，并通过一个显示屏显示“欢迎光临”，同时指示灯绿灯亮表示尚有车位，且通过七段数码管显示停车场内空余车位数；车位已经满时，显示屏显示“车位已满”，同时指示灯红灯亮表示车位已满，且入口闸栏关闭，车辆不能进入停放。
（5）三位七段数码管显示停车场内剩余车辆数，七段数码管要分别显示剩余车位数的个位、十位和百位数。
（6）当车进入停车场后，能够通过停车场引导屏引导车主向空位停放，而不是在停车场内盲目寻找车位。
2.2系统设计方案
2.2.1系统总体设计方案
本课题基于PLC的停车场车位控制系统设计的由入口系统、出口系统、泊车引导系统、车辆显示系统四个子系统组成。
首先，车辆入口管理中心系统记录车辆信息，同时，车场显示系统根据记录车辆数量信息决定是否开启道闸允许进入，车辆进入后车辆显示系统记录停车场车位数目，然后，车辆进入停车场后根据泊车引导系统停车，最后，车辆出库时由车辆出口管理系统核对车辆信息并收费，再开启道闸，车辆显示系统记录车辆出入情况并显示。
系统总体结构框图如图2-1所示。
车辆入口管理系统
道闸感应摄像发卡读卡
停车场泊车引导
车辆显示系统
车辆出口管理系统
道闸感应摄像收卡读卡
图2-1系统总体结构框图
从系统总体框图我们可以看出，系统由四个子系统：
入口控制系统、出口控制系统、车辆显示系统、车位引导系统组成。
进一步从总体上还可将停车场分成两大块，一是停车场外的车辆出入口控制系统与车辆显示系统，二是停车场内的车位引导系统。
车辆进入停车场停车的整个过程可由图2-2表示。
图2-2停车流程图
由停车流程可得到系统组成的功能模块，如图2-3所示。
显示模块
车位指示灯模块
传感器检测模块
车位引导模块
计数模块
传感器检测模块
图2-3系统功能模块图
从功能模块图我们可以看出，系统从总体上来说可以分成两大块：
一是停车场外围绕计数模块而组成的场外控制系统，二是当车进入停车场后的车位引导系统。
其中，场外控制系统包括传感检测模块、计数模块、车位指示灯模块、显示模块；场内车位引导系统包括传感器检测模块、车位引导模块。
传感器检测模块是利用传感器检测入口和出口处的车辆，以此使计数模块精确计数。
车位指示模块是在停车场还有位置时发出绿灯，位置饱和时则发出红灯警示。
显示模块则是以七段数码管为核心，显示停车场内已停车的数目。
场内车位引导系统刚是由传感器检测模块和车位引导模块组成。
传感器检测模块负责检测每个停车位状态，车位引导模块则负责第一时间引导汽车开向空余车位停放。
2.2.2各子系统实现功能
（1）停车场入口系统
车辆进入停车场时，设在车道下的车辆检测传感器检测到车辆，同时启动入口摄像系统摄录车辆图像和车牌号等信息，临时用户车主在入口控制机前按键取出临时卡，或是长期用户车主使用固定卡，通过远距离读卡器读卡身份识别后，道闸升起放行车辆，车辆通过后道闸自动放下。
（2）停车场出口系统
当车辆出库时，车辆检测器感应出库信号，同时启动出口摄像系统摄录车辆图像和车牌号等信息，车主将停车卡通过远距离读卡器读卡识别后，与进口时的信息核对，同时检测是否交费，最后道闸升起放行车辆，车辆通过后道闸自动放下。
（3）停车场显示系统
显示系统以七段数码管为核心，显示停车场剩余车位的数目。
当车辆进入车库时，车辆出入感应器感应出有车辆进入，剩余车位数量减1；同样当车辆出库时，剩余车位数加1。
当车库中无剩余空位时，红灯亮，道闸控制器不能开启，禁止车辆停车；当车库中有空位时，绿灯亮，道闸控制器开启，允许停车。
（4）停车场泊车引导系统
停车场车位引导系统能够检测停车场内的每个车位是否停车的状态，同时，将车位的状态通过PLC检测并传输到计算机中，再将车位空余的状态信息发布到路口的显示屏上，从而引导车主快速的找到空余车位停车。
2.3系统设计方法
停车场管理系统运行过程是以顾客停车取车的过程为基础的，停车场的工作流程也始终以用户车辆进出停车场的流程为中心。
停车场用户一般分为临时用户和固定用户两大类。
临时用户是指临时使用停车场停车的用户，这类用户的停车行为一般具有临时性，随机性，使用频次低的特征，临时用户潜在数量庞大且身份不确定。
固定用户是指长期固定使用停车场停车的用户，这类用户的停车行为一般具有长期性、规律性、使用频次高的特征，固定用户一般是停车场附近单位的工作人员或生活区的住户，数量在一定时间内是确定的。
2.3.1入口控制系统设计方法
针对停车场用户一般分为临时用户和固定用户的实际情况，系统出入场流程也分为临时用户和固定用户的两种情况。
（1）临时车辆入场工作流程
临时车辆进入停车场时，设在车道下的车辆感应线圈检测到车辆的到来，将有车信号传送给入口控制器，入口控制器获取车辆到来的信号后，向相关设备发出指令，启动摄像系统和车辆识别系统。
经计算机对图像进行处理后，记录车辆的牌照信息、颜色信息、车型信息等。
然后，语音提示设备提示用户按动取卡按钮，入口控制器检测到取卡信号后，通过串口给发卡机发送发卡命令。
发卡机接到命令后，发出一张临时用户卡，将刚才系统所获取的信息即与此卡的ID号对应起来，同时语音提示器提示用户取走临时卡。
如果用户在规定时间内不取卡，发卡机将自动吞回用户卡，入口控制器取消此次入场操作。
用户取走卡后，发卡机发出用户已取走卡的信号给入口控制器，入口控制器抬起栏杆，用户即可驾车驶入停车场[7]。
入口道闸后的车辆传感器检测到“有车——无车”信号变化后，通过PLC控制将栏杆自动放下，以杜绝砸车事件的发生。
PLC控制器接收到入口栏杆出现“升杆——降杆”的动作后，确认本次入场过程已经完成，同时PLC控制器控制三位数码管使剩余车辆显示数目减1。
（2）长期卡车辆入场工作流程
当持固定卡的用户车辆进入入口读卡器的感应范围时，远距离读卡器即与射频卡之间建立起信息交换系统，射频卡向读卡器发送卡信息，读卡器判断射频卡的合法性和时间有效性，如有效则获取射频卡的ID号，并将其上送至数据处理中心。
同时，摄像系统和车辆识别系统将启动，摄入车辆图像，经车辆识别系统分析后，获得牌照信息、颜色信息、车型信息等。
数据处理中心根据读卡器上传的ID号，查询数据库中与此ID号相关的车辆信息，并与刚才实时获取的信息进行比对，若不符合则拒绝放行，同时给出告警信息和出错提示信息。
另外，数据处理中心还会检查此固定卡是否过期，若符合条件，则给入口控制器一个有效信号，抬起栏杆，用户驾车驶入停车场。
入口道闸后的车辆检测器检测到“有车——无车”信号变化后，通过PLC控制器将栏杆放下。
PLC控制器接收到入口栏杆出现“抬杆——落杆”的动作后，确认本次入场过程已经完成，同时PLC控制器控制三位数码管使剩余车位显示数目减1。
由于长期卡与读卡器的信息交换距离在从十几米到数十米，并且都是在空间里完成的，时间花销短，所以当车辆到达口时，电动栏杆已经抬起，这样便实现了固定用户的不停车操作[7]。
2.3.2出口系统设计方法
（1）临时车辆出场工作流程
临时用户驾驶车辆进入停车场离场通道，停在出口处，车辆检测器检测到有车后，向PLC控制器发出有车信号。
摄像系统和车辆识别系统启动，摄入车辆图像，经车辆识别系统分析后，获得牌照信息、颜色信息、车型信息等。
用户将入场时取得的用户卡交给管理人员，管理人员通过出口读卡机读取用户卡ID信息，并将用户卡收回循环使用。
数据中心通过检索数据库中对应ID号，获得该用户卡的类型（临时卡）、入场时间，并查询数据库中与此ID号相关的车辆信息，与刚才实时获取的信息进行比对，若不符合则拒绝放行，并给出告警信息和出错提示信息；若符合，数据中心根据车辆在场内停留时间和计费费率，计算出用户应缴费额，同时显示在金额显示器屏幕上，待用户交纳相应费用后，管理人员打开道闸开关，通过PLC控制器使道闸栏杆升起，用户即可驾车驶出停车场。
出口车辆检测器到“有车——无车”变化信号后，通过PLC控制将栏杆自动放下。
PLC接收到出口栏杆出现“抬杆——落杆”动作后，确认本次出场过程
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