使用DS1302实现智能自助停车收费系统的设计
目前，在国内很多大中型诚实，日益增多的汽车数量和停车场车位之间的矛盾越来越突出，在有些非主干道，占用公交车道和人行道违章停车的现象屡见不鲜;由于目前的房地产价格不断攀升，在有的住宅小区，开发商为了节约面积，停车场的建设数量远不能满足业主汽车的停放，于是私家汽车就随意停放在道路两侧，这不仅给行人进出带来了不便，在管理上也比较混乱，带来很大的安全隐患。因此本文介绍了使用实时时钟芯片DS1302作为时间基准，利用RFIC卡技术，实现一个智能自助停车收费系统，对汽车的安全停放提供科学管理。
1.设计原理
本设计利用射频IC卡读写方便，灵敏度高，保密性好，应用程序编写简单的51系列单片机和计时精准的时钟芯片DS1302，在基本外围接口（键盘、LCD、语音播报）的配合下，设计而成的新型、廉价、智能的自助停车收费系统，车主进出停车场时，只需将一种专用的IC卡在读卡器上刷一下，集成在系统内部的单片机在实时时钟芯片DS1302的协助下，将该车在停车场的停留时间记录下来，按照标准的收费价格，计算出所需要缴费的停车费用，并从车主持有的IC卡上扣除，这种方法属于全自助停车收费管理，无需人工干预（出现故障现象除外），不仅节约了人力成本，节省了车辆进出停车场的时间，也给汽车的安全停放带来了保障。
2.系统硬件设计
2.1系统各模块功能介绍
图1 智能停车收费系统框图
如图1所示，智能停车收费系统主控制部分由单片机、读卡器、键盘、DS1302、LCD显示、上位机通信接口和语音播报模块组成，配合门闸驱动和电动门闸，对车辆进出停车场进行管理。
2.1.1单片机
作为系统的调度中心，负责协调各个模块之间有序工作，如：对IC卡片进行数据读写，向门闸驱动电路发出控制命令等。
2.1.2读卡器和用户IC卡
图2 IC卡读卡器结构图
这一模块与公交刷卡系统相同，如图2所示，主要负责读取用户IC卡中的信息，并通过读卡器内部的I/O与单片机实现数据双向传输。读卡器内部集成有CPU、缓存器、射频模块、外部接口、天线和工作电源。CPU一般采用小型的微处理器，用于协调各子模块有序运转，如：通过天线和射频模块从RFIC卡中读取卡片数据到缓存器，将缓存器中的新数据写入到IC卡，以及通过I/O与外部单元完成双向通信。在实际应用中，为了稳定可靠，一般可以在市场上购买现成的读卡器模块，通过I/O完成与外部器件的通信和控制。
用户持有的非接触式IC卡（又称射频卡），它将射频识别技术和大规模集成电路技术结合起来，通过无线方式传输能量和数据，解决了卡内能量来源和不用接触交易两大难题。因此，非接触式IC卡除了具有接触式IC卡的存储容量大、安全性高、应用范围广，对网络要求低等特点外，还有其独特的优点：
（1）应用的可靠性高。非接触式IC卡与读卡器在通信时，以高频电磁波为媒介进行数据的传送，不需进行机械接触，大大减少了随使用时间的增加而导致的接触不良，从而避免了由于接触操作使系统产生的各种故障（如插拔卡、外物插入、灰尘等导致的应用终端故障），有效的保护卡片。
（2）操作速度快。因为是无接触式通信，省去了插拔卡的时间，读写剁过程完成迅速，一张卡的操作时间在2秒内，操作非常方便、快捷。
（3）使用方向性要求不高。读写距离在3cm左右（根据不同的读卡设备可能有所不同）。
2.1.3实时时钟芯片DS1302
图3 DS1302接口图
在整个系统中，处了读卡器外，精准、稳定的计时也是非常必要的，否则，由于计时的不准给管理和监控带来不便。本设计中采用美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片DS1302，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，具有十分重要的意义。工作电压宽达2.5～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，连接简单，封装尺寸小，具有主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力，在主电源突然断电的情况下，可以由备用电源（一般为纽扣电池等）保持正常走时。如图3所示，为DS1302与单片机的接口示意图，使用32.768KHz的石英晶振，使用主供电源Vcc2和备用电源Vcc1。
图4 DS1302命令字格式
如图4所示，是DS1302的控制命令字结构，Bit7必须为1，如果为0，不能对DS1302进行操作;Bit6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;Bit5至Bit1指示操作单元的地址;Bit0如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低为开始输出。
图5 DS1302读写时序图
图5表示了DS1302的读写时序，当RST为低电平时，禁止对DS1302进行任何操作;当RST为高电平时，在时钟信号SCLK的上升沿，I/O首先接收自单片机的1Byte的控制命令，如果是写操作，在时钟SCLK下降沿完成数据的读取;如果是写操作，在时钟的上升沿完成数据或命令的写入。表1中列出了日立和时钟各寄存器的控制命令和内容。
2.1.4液晶显示和键盘
LCD显示根据需要可以选择字符型1602，也可以选择汉子型12864等，主要用于在无人刷卡时显示当前时间，有车主刷卡时，显示卡片信息和刷卡状态。键盘使用4×4行列式键盘或者简易的按键式键盘，主要用于系统故障时复位和时间校准等情况。同时，也会预留一个求助呼叫按键，供车主在遇到刷卡故障时，呼叫停车场管理人员，以便及时来人对故障进行处理。
2.1.5语音播放
该模块由ISD系列语音芯片，通过单片机编程控制，用于播放礼貌用语和提示用户 出错信息。
2.1.6单片机和上位机
单片机和上位机之间通过串口RS232进行通信，用于停车场值班人员监控收费系统的运行情况，必要时通过上位机，直接控制电动门闸的开关和锁定电动门闸。
2.1.7门闸驱动和电动门闸
门闸驱动由继电器组组成，当单片机发出开关门指令时，这些继电器就相应的闭合和打开，用来控制电机的正反向运转和停止，进而电动道闸的打开和关闭。
2.2系统工作过程
2.2.1进停车场
当汽车进停车场时，车主将IC卡对准读卡器的读卡区，IC卡通过电磁感应从读卡器获得瞬间能量，并将卡片信息反馈给读卡器。系统自动记录此时的时间T1，同时单片机对接收到的IC卡信息进行判断，并进行相关操作：
（1）如果卡片正常（余额不为零，卡片无毁损），语音播放：“欢迎您的光临！”，并在液晶屏上显示IC卡余额和刷卡成功信息，同时自动打开门闸，延时一段时间后，再次关闭门闸;
（2）如果余额不足或卡片损毁，语音播放：“余额不足，请充值！”，并在液晶屏上卡内显示余额和刷卡失败信息，保持门闸关闭。
2.2.2出停车场
当该用户出停车场时，再次刷卡，系统再次记录时间T2，单片机计算出时间差∆T=T2-T1和所需缴纳的费用M，通过对读卡器反馈回来的卡片数据判断，进行相应操作：
（1）如果卡内余额Balance≥M，从卡片扣除所需费用M，语音播放：“谢谢您的光临！”，并显示消费余额M和消费后IC卡的余额Balance，自动打开门闸，延时一段时间后，再次关闭门闸;
（2）如果余额Balance
3.系统软件设计
3.1系统主程序流程
如图6所示，系统主程序按照此图依次进行，如遇特殊情况系统出现故障，可由值班人员手动复位，系统重新启动。如遇到车主IC卡片出现余额不足等情况，由值班人员协助解决。
图6 系统主程序流程
3.2DS1302控制流程
如图7所示，实时时钟芯片DS1302按照此图进行读写日历和时间数据，如遇特殊情况短时间掉电的情况下，由于有备用电源支持，因此，不会出现时间停止的情况;但如果长时间掉电，备用电源耗尽时，时间数据会丢失，此时重新上电或初次安装使用时，需要重新设置时间，否则芯片不会走时。
图7 DS1302程序流程图
结束语
（1）本设计控制系统由51系列单片机，DS1302时钟芯片，LCD显示屏和语音播报芯片组成，读卡器采用市场售卖的集成模块，电动道闸部分采用电磁继电器开关控制，这些均属于常规低廉的集成器件，因此，总体价格低廉;
（2）控制系统体积小，所有器件均集成在一个安装盒内，只预留控制信号线和电动道闸之间用排线连接，和上位机通过串口相连，安装比较简单;
（3）使用界面友好，可以人性化的播报和显示欢迎信息和报错信息;
（4）可广泛应用于商场、小区、企事业单位等公共场所的停车场，既节约人力资源，又提高了管理的高效性和安全性;
（5）目前样机的试运行状态稳定，经过完善后可以考虑量产。
责任编辑人：CC
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