采用DS1302設計的智能停車收費系統(tǒng)

目前，在國內(nèi)很多大中型誠實，日益增多的汽車數(shù)量和停車場車位之間的矛盾越來越突出，在有些非主干道，占用公交車道和人行道違章停車的現(xiàn)象屢見不鮮;由于目前的房地產(chǎn)價格不斷攀升，在有的住宅小區(qū)，開發(fā)商為了節(jié)約面積，停車場的建設數(shù)量遠不能滿足業(yè)主汽車的停放，于是私家汽車就隨意停放在道路兩側(cè)，這不僅給行人進出帶來了不便，在管理上也比較混亂，帶來很大的安全隱患。因此本文介紹了使用實時時鐘芯片DS1302作為時間基準，利用RFIC卡技術，實現(xiàn)一個智能自助停車收費系統(tǒng)，對汽車的安全停放提供科學管理。

1.設計原理

本設計利用射頻IC卡讀寫方便，靈敏度高，保密性好，應用程序編寫簡單的51系列單片機和計時精準的時鐘芯片DS1302，在基本外圍接口（鍵盤、LCD、語音播報）的配合下，設計而成的新型、廉價、智能的自助停車收費系統(tǒng)，車主進出停車場時，只需將一種專用的IC卡在讀卡器上刷一下，集成在系統(tǒng)內(nèi)部的單片機在實時時鐘芯片DS1302的協(xié)助下，將該車在停車場的停留時間記錄下來，按照標準的收費價格，計算出所需要繳費的停車費用，并從車主持有的IC卡上扣除，這種方法屬于全自助停車收費管理，無需人工干預（出現(xiàn)故障現(xiàn)象除外），不僅節(jié)約了人力成本，節(jié)省了車輛進出停車場的時間，也給汽車的安全停放帶來了保障。

2.系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)各模塊功能介紹

圖1 智能停車收費系統(tǒng)框圖

如圖1所示，智能停車收費系統(tǒng)主控制部分由單片機、讀卡器、鍵盤、DS1302、LCD顯示、上位機通信接口和語音播報模塊組成，配合門閘驅(qū)動和電動門閘，對車輛進出停車場進行管理。

2.1.1 單片機

作為系統(tǒng)的調(diào)度中心，負責協(xié)調(diào)各個模塊之間有序工作，如：對IC卡片進行數(shù)據(jù)讀寫，向門閘驅(qū)動電路發(fā)出控制命令等。

2.1.2 讀卡器和用戶IC卡

圖2 IC卡讀卡器結(jié)構(gòu)圖

這一模塊與公交刷卡系統(tǒng)相同，如圖2所示，主要負責讀取用戶IC卡中的信息，并通過讀卡器內(nèi)部的I/O與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。讀卡器內(nèi)部集成有CPU、緩存器、射頻模塊、外部接口、天線和工作電源。CPU一般采用小型的微處理器，用于協(xié)調(diào)各子模塊有序運轉(zhuǎn)，如：通過天線和射頻模塊從RFIC卡中讀取卡片數(shù)據(jù)到緩存器，將緩存器中的新數(shù)據(jù)寫入到IC卡，以及通過I/O與外部單元完成雙向通信。在實際應用中，為了穩(wěn)定可靠，一般可以在市場上購買現(xiàn)成的讀卡器模塊，通過I/O完成與外部器件的通信和控制。

用戶持有的非接觸式IC卡（又稱射頻卡），它將射頻識別技術和大規(guī)模集成電路技術結(jié)合起來，通過無線方式傳輸能量和數(shù)據(jù)，解決了卡內(nèi)能量來源和不用接觸交易兩大難題。因此，非接觸式IC卡除了具有接觸式IC卡的存儲容量大、安全性高、應用范圍廣，對網(wǎng)絡要求低等特點外，還有其獨特的優(yōu)點：

（1）應用的可靠性高。非接觸式IC卡與讀卡器在通信時，以高頻電磁波為媒介進行數(shù)據(jù)的傳送，不需進行機械接觸，大大減少了隨使用時間的增加而導致的接觸不良，從而避免了由于接觸操作使系統(tǒng)產(chǎn)生的各種故障（如插拔卡、外物插入、灰塵等導致的應用終端故障），有效的保護卡片。

（2）操作速度快。因為是無接觸式通信，省去了插拔卡的時間，讀寫剁過程完成迅速，一張卡的操作時間在2秒內(nèi)，操作非常方便、快捷。

（3）使用方向性要求不高。讀寫距離在3cm左右（根據(jù)不同的讀卡設備可能有所不同）。

2.1.3 實時時鐘芯片DS1302

圖3 DS1302接口圖

在整個系統(tǒng)中，處了讀卡器外，精準、穩(wěn)定的計時也是非常必要的，否則，由于計時的不準給管理和監(jiān)控帶來不便。本設計中采用美國DALLAS公司推出的低功耗實時時鐘芯片DS1302，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。在測量控制系統(tǒng)中，特別是長時間無人職守的測控系統(tǒng)中，具有十分重要的意義。工作電壓寬達2.5～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，連接簡單，封裝尺寸小，具有主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力，在主電源突然斷電的情況下，可以由備用電源（一般為紐扣電池等）保持正常走時。如圖3所示，為DS1302與單片機的接口示意圖，使用32.768KHz的石英晶振，使用主供電源Vcc2和備用電源Vcc1。

圖4 DS1302命令字格式

如圖4所示，是DS1302的控制命令字結(jié)構(gòu)，Bit7必須為1，如果為0，不能對DS1302進行操作;Bit6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);Bit5至Bit1指示操作單元的地址;Bit0如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低為開始輸出。

圖5 DS1302讀寫時序圖

圖5表示了DS1302的讀寫時序，當RST為低電平時，禁止對DS1302進行任何操作;當RST為高電平時，在時鐘信號SCLK的上升沿，I/O首先接收自單片機的1Byte的控制命令，如果是寫操作，在時鐘SCLK下降沿完成數(shù)據(jù)的讀取;如果是寫操作，在時鐘的上升沿完成數(shù)據(jù)或命令的寫入。表1中列出了日立和時鐘各寄存器的控制命令和內(nèi)容。

2.1.4 液晶顯示和鍵盤

LCD顯示根據(jù)需要可以選擇字符型1602，也可以選擇漢子型12864等，主要用于在無人刷卡時顯示當前時間，有車主刷卡時，顯示卡片信息和刷卡狀態(tài)。鍵盤使用4×4行列式鍵盤或者簡易的按鍵式鍵盤，主要用于系統(tǒng)故障時復位和時間校準等情況。同時，也會預留一個求助呼叫按鍵，供車主在遇到刷卡故障時，呼叫停車場管理人員，以便及時來人對故障進行處理。

2.1.5 語音播放

該模塊由ISD系列語音芯片，通過單片機編程控制，用于播放禮貌用語和提示用戶 出錯信息。

2.1.6 單片機和上位機

單片機和上位機之間通過串口RS232進行通信，用于停車場值班人員監(jiān)控收費系統(tǒng)的運行情況，必要時通過上位機，直接控制電動門閘的開關和鎖定電動門閘。

2.1.7 門閘驅(qū)動和電動門閘

門閘驅(qū)動由繼電器組組成，當單片機發(fā)出開關門指令時，這些繼電器就相應的閉合和打開，用來控制電機的正反向運轉(zhuǎn)和停止，進而電動道閘的打開和關閉。

2.2 系統(tǒng)工作過程

2.2.1 進停車場

當汽車進停車場時，車主將IC卡對準讀卡器的讀卡區(qū)，IC卡通過電磁感應從讀卡器獲得瞬間能量，并將卡片信息反饋給讀卡器。系統(tǒng)自動記錄此時的時間T1，同時單片機對接收到的IC卡信息進行判斷，并進行相關操作：

（1）如果卡片正常（余額不為零，卡片無毀損），語音播放：“歡迎您的光臨！”，并在液晶屏上顯示IC卡余額和刷卡成功信息，同時自動打開門閘，延時一段時間后，再次關閉門閘;

（2）如果余額不足或卡片損毀，語音播放：“余額不足，請充值！”，并在液晶屏上卡內(nèi)顯示余額和刷卡失敗信息，保持門閘關閉。

2.2.2 出停車場

當該用戶出停車場時，再次刷卡，系統(tǒng)再次記錄時間T2，單片機計算出時間差?T=T2-T1和所需繳納的費用M，通過對讀卡器反饋回來的卡片數(shù)據(jù)判斷，進行相應操作：

（1）如果卡內(nèi)余額Balance≥M，從卡片扣除所需費用M，語音播放：“謝謝您的光臨！”，并顯示消費余額M和消費后IC卡的余額Balance，自動打開門閘，延時一段時間后，再次關閉門閘;

（2）如果余額Balance

3.系統(tǒng)軟件設計

（1）系統(tǒng)主程序流程

如圖6所示，系統(tǒng)主程序按照此圖依次進行，如遇特殊情況系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可由值班人員手動復位，系統(tǒng)重新啟動。如遇到車主IC卡片出現(xiàn)余額不足等情況，由值班人員協(xié)助解決。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

（2）DS1302控制流程

如圖7所示，實時時鐘芯片DS1302按照此圖進行讀寫日歷和時間數(shù)據(jù)，如遇特殊情況短時間掉電的情況下，由于有備用電源支持，因此，不會出現(xiàn)時間停止的情況;但如果長時間掉電，備用電源耗盡時，時間數(shù)據(jù)會丟失，此時重新上電或初次安裝使用時，需要重新設置時間，否則芯片不會走時。

圖7 DS1302程序流程圖

結(jié)束語

（1）本設計控制系統(tǒng)由51系列單片機，DS1302時鐘芯片，LCD顯示屏和語音播報芯片組成，讀卡器采用市場售賣的集成模塊，電動道閘部分采用電磁繼電器開關控制，這些均屬于常規(guī)低廉的集成器件，因此，總體價格低廉;

（2）控制系統(tǒng)體積小，所有器件均集成在一個安裝盒內(nèi)，只預留控制信號線和電動道閘之間用排線連接，和上位機通過串口相連，安裝比較簡單;

（3）使用界面友好，可以人性化的播報和顯示歡迎信息和報錯信息;

（4）可廣泛應用于商場、小區(qū)、企事業(yè)單位等公共場所的停車場，既節(jié)約人力資源，又提高了管理的高效性和安全性;

（5）目前樣機的試運行狀態(tài)穩(wěn)定，經(jīng)過完善后可以考慮量產(chǎn)。