目前，在國(guó)內(nèi)很多大中型誠(chéng)實(shí)，日益增多的汽車數(shù)量和停車場(chǎng)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(jià)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(chǎng)的建設(shè)數(shù)量遠(yuǎn)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(jìn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302作為時(shí)間基準(zhǔn)，利用RFIC卡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能自助停車收費(fèi)系統(tǒng)，對(duì)汽車的安全停放提供科學(xué)管理。

1.設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)利用射頻IC卡讀寫方便，靈敏度高，保密性好，應(yīng)用程序編寫簡(jiǎn)單的51系列單片機(jī)和計(jì)時(shí)精準(zhǔn)的時(shí)鐘芯片DS1302，在基本外圍接口（鍵盤、LCD、語音播報(bào)）的配合下，設(shè)計(jì)而成的新型、廉價(jià)、智能的自助停車收費(fèi)系統(tǒng)，車主進(jìn)出停車場(chǎng)時(shí)，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(jī)在實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的協(xié)助下，將該車在停車場(chǎng)的停留時(shí)間記錄下來，按照標(biāo)準(zhǔn)的收費(fèi)價(jià)格，計(jì)算出所需要繳費(fèi)的停車費(fèi)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(fèi)管理，無需人工干預(yù)（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(jìn)出停車場(chǎng)的時(shí)間，也給汽車的安全停放帶來了保障。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)各模塊功能介紹

圖1 智能停車收費(fèi)系統(tǒng)框圖

如圖1所示，智能停車收費(fèi)系統(tǒng)主控制部分由單片機(jī)、讀卡器、鍵盤、DS1302、LCD顯示、上位機(jī)通信接口和語音播報(bào)模塊組成，配合門閘驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)門閘，對(duì)車輛進(jìn)出停車場(chǎng)進(jìn)行管理。

2.1.1 單片機(jī)

作為系統(tǒng)的調(diào)度中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間有序工作，如：對(duì)IC卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，向門閘驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)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(jī)實(shí)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(yùn)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(shí)際應(yīng)用中，為了穩(wěn)定可靠，一般可以在市場(chǎng)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(shí)別技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)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(chǔ)容量大、安全性高、應(yīng)用范圍廣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求低等特點(diǎn)外，還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用的可靠性高。非接觸式IC卡與讀卡器在通信時(shí)，以高頻電磁波為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，不需進(jìn)行機(jī)械接觸，大大減少了隨使用時(shí)間的增加而導(dǎo)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(dǎo)致的應(yīng)用終端故障），有效的保護(hù)卡片。

（2）操作速度快。因?yàn)槭菬o接觸式通信，省去了插拔卡的時(shí)間，讀寫剁過程完成迅速，一張卡的操作時(shí)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(shè)備可能有所不同）。

2.1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302

圖3 DS1302接口圖

在整個(gè)系統(tǒng)中，處了讀卡器外，精準(zhǔn)、穩(wěn)定的計(jì)時(shí)也是非常必要的，否則，由于計(jì)時(shí)的不準(zhǔn)給管理和監(jiān)控帶來不便。本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)DALLAS公司推出的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，它可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。在測(cè)量控制系統(tǒng)中，特別是長(zhǎng)時(shí)間無人職守的測(cè)控系統(tǒng)中，具有十分重要的意義。工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，連接簡(jiǎn)單，封裝尺寸小，具有主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)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(shí)。如圖3所示，為DS1302與單片機(jī)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(duì)DS1302進(jìn)行操作;Bit6如果為0，則表示存取日歷時(shí)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(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)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(shí)序圖

圖5表示了DS1302的讀寫時(shí)序，當(dāng)RST為低電平時(shí)，禁止對(duì)DS1302進(jìn)行任何操作;當(dāng)RST為高電平時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿，I/O首先接收自單片機(jī)的1Byte的控制命令，如果是寫操作，在時(shí)鐘SCLK下降沿完成數(shù)據(jù)的讀取;如果是寫操作，在時(shí)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(shí)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(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間，有車主刷卡時(shí)，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(jiǎn)易的按鍵式鍵盤，主要用于系統(tǒng)故障時(shí)復(fù)位和時(shí)間校準(zhǔn)等情況。同時(shí)，也會(huì)預(yù)留一個(gè)求助呼叫按鍵，供車主在遇到刷卡故障時(shí)，呼叫停車場(chǎng)管理人員，以便及時(shí)來人對(duì)故障進(jìn)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(jī)編程控制，用于播放禮貌用語和提示用戶 出錯(cuò)信息。

2.1.6 單片機(jī)和上位機(jī)

單片機(jī)和上位機(jī)之間通過串口RS232進(jìn)行通信，用于停車場(chǎng)值班人員監(jiān)控收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，必要時(shí)通過上位機(jī)，直接控制電動(dòng)門閘的開關(guān)和鎖定電動(dòng)門閘。

2.1.7 門閘驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)門閘

門閘驅(qū)動(dòng)由繼電器組組成，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出開關(guān)門指令時(shí)，這些繼電器就相應(yīng)的閉合和打開，用來控制電機(jī)的正反向運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，進(jìn)而電動(dòng)道閘的打開和關(guān)閉。

2.2 系統(tǒng)工作過程

2.2.1 進(jìn)停車場(chǎng)

當(dāng)汽車進(jìn)停車場(chǎng)時(shí)，車主將IC卡對(duì)準(zhǔn)讀卡器的讀卡區(qū)，IC卡通過電磁感應(yīng)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(dòng)記錄此時(shí)的時(shí)間T1，同時(shí)單片機(jī)對(duì)接收到的IC卡信息進(jìn)行判斷，并進(jìn)行相關(guān)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(shí)自動(dòng)打開門閘，延時(shí)一段時(shí)間后，再次關(guān)閉門閘;

（2）如果余額不足或卡片損毀，語音播放：“余額不足，請(qǐng)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(guān)閉。

2.2.2 出停車場(chǎng)

當(dāng)該用戶出停車場(chǎng)時(shí)，再次刷卡，系統(tǒng)再次記錄時(shí)間T2，單片機(jī)計(jì)算出時(shí)間差?T=T2-T1和所需繳納的費(fèi)用M，通過對(duì)讀卡器反饋回來的卡片數(shù)據(jù)判斷，進(jìn)行相應(yīng)操作：

（1）如果卡內(nèi)余額Balance≥M，從卡片扣除所需費(fèi)用M，語音播放：“謝謝您的光臨！”，并顯示消費(fèi)余額M和消費(fèi)后IC卡的余額Balance，自動(dòng)打開門閘，延時(shí)一段時(shí)間后，再次關(guān)閉門閘;

（2）如果余額Balance

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（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(jìn)行，如遇特殊情況系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可由值班人員手動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)重新啟動(dòng)。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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302按照此圖進(jìn)行讀寫日歷和時(shí)間數(shù)據(jù)，如遇特殊情況短時(shí)間掉電的情況下，由于有備用電源支持，因此，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間停止的情況;但如果長(zhǎng)時(shí)間掉電，備用電源耗盡時(shí)，時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)丟失，此時(shí)重新上電或初次安裝使用時(shí)，需要重新設(shè)置時(shí)間，否則芯片不會(huì)走時(shí)。

圖7 DS1302程序流程圖

結(jié)束語

（1）本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)由51系列單片機(jī)，DS1302時(shí)鐘芯片，LCD顯示屏和語音播報(bào)芯片組成，讀卡器采用市場(chǎng)售賣的集成模塊，電動(dòng)道閘部分采用電磁繼電器開關(guān)控制，這些均屬于常規(guī)低廉的集成器件，因此，總體價(jià)格低廉;

（2）控制系統(tǒng)體積小，所有器件均集成在一個(gè)安裝盒內(nèi)，只預(yù)留控制信號(hào)線和電動(dòng)道閘之間用排線連接，和上位機(jī)通過串口相連，安裝比較簡(jiǎn)單;

（3）使用界面友好，可以人性化的播報(bào)和顯示歡迎信息和報(bào)錯(cuò)信息;

（4）可廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、小區(qū)、企事業(yè)單位等公共場(chǎng)所的停車場(chǎng)，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(jī)的試運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，經(jīng)過完善后可以考慮量產(chǎn)。