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班 姓 名：
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2011年X月 基于PLC的停车场车位控制 系统设计 Design of Control System for Parking Spaces Based on PLC 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 With the rapid development of the automobile industry, China＇s automobile ownership has soared. Many cities appeared “parking“ problem, and parking become an important part of transport system. Parking lot control system is a parking system which is controlled by computer or PLC (Programmable Logic Controller) to realize the automatic registration, charges, count, and parking guidance. This article introduces a parking location system based on PLC to solve the actual problem. The system can be divided into two parts based on function, one which is out of the lot is designed to control the cars in and out, the other which is in the lot is designed to lead the car parking. Access control system includes sense organ、counter system, seven-segment display、green-red light system and so on; Parking guidance system is responsible for when the car into the car in the parking lot after guiding the optimal location, mainly including sensors, PLC controller, computer control system, the LED display and so on. This article mainly introduced the parking lot control system parts mainly realizes function, composition of equipment and the choice of hardware circuit, and expatiates the input and output distribution, the PLC is mainly introduced PLC external hardware circuit wiring and software programming design, this article software programming language used is the ladder diagram, straightforward. The whole system has a compact frame and in-focus consecution, its element can be understood easily, in a word the system can be referenced by kindred system. Key words：
parking lot programmable logic controller (PLC) parking guidance 目 录 摘要 I Abstract II 绪论 1 1 可编程控制器（PLC）简介 2 1.1 PLC定义与发展现状 2 1.2 PLC工作原理 2 1.3 PLC的优点 4 1.4 PLC编程语言 5 1.5 PLC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 4.2.1 PLC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 1.1 PLC定义与发展现状 可编程控制器（Programmable Logic Controller）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。
1.2 PLC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1-1 PLC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1-2 PLC程序执行原理 1.3 PLC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。
1.4 PLC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]。
1.5 PLC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，确认本次出场过程已经完成，将先前获得的用户卡号、入场时间、出场时间保存到相应数据库中备查，完成一次出场过程。同时，PLC控制器控制三位数码管使剩余车位显示数目加1。
（2）
长期卡车辆出场工作流程 持长期卡用户的车辆到达停车场出口时，读卡器获取该卡的信息，将信息上送到数据处理中心，启动车辆图像识别系统，判断用户卡的有效性，并将数据中心查询到的信息与此ID号相关的车辆信息与车辆识别系统获取的信息进行比对，如果符合，则给出口控制器一个有效信号，由出口控制器控制抬起出口电动栏杆，用户驾车离开停车场，完成一次出场过程。同时，PLC控制器控制三位数码管使剩余车位显示数目加1。
2.3.3 车辆显示系统设计方法 道闸前后各设有一个车辆感应线圈，道闸前后的感应线圈开关接PLC输入端，三位数码管与红绿指示灯接PLC的输出端。当道闸前感应线圈感应到有车辆时，显示系统进入准备计数状态，道闸后感应线圈感应到车辆后即开始计数。入口处车辆进入停车场，数码管显示系统通过道闸前后两个车辆感应线圈开关的变化后，通过PLC输出，使三位数码管表示的剩余车位数减1；
出口处车辆出库时，显示系统通过PLC输出使三位数码管表示的剩余车位数加1。同时，当车辆进入停车场后，如果剩余车位数为0，则指示灯的红灯亮，表示停车场内无空位，同时驱动入口的LED显示屏显示“车位已满”字样；
如果剩余车位数大于1，则指示灯显示绿色，同时驱动入口的LED显示屏显示“欢迎您光临”字样。
2.3.4 车位引导系统设计方法 停车场内分布图如下图2-4所示，停车场的每个车位中装有车位检测传感器，负责检测每个停车位的停车状态和空闲状态。当车辆停进车位时，车辆感应开关能监测到车位停车，当车位空闲时，车辆感应开关同样能检测到车位空余。停车场的这些车位状态可以通过开关元件输入到PLC控制器的输入端，然后再将PLC与计算机通信将停车场的每个车位状态传输到计算机中，计算机再讲停车场的空余车位反映到各路口的显示屏上，从而可以第一时间引导车主开向空闲车位停放。
图2-4 停车场分布图 2.4 系统组成总体框图 停车场车位控制系统主要由入口控制系统，出口控制系统，车辆识别系统，车位引导系统，用户管理系统组成。入口控制系统由入口控制、车辆检测、发卡读系统组成，出口控制系统由出口控制、车辆检测、收卡读卡系统组成，车辆识别系统由车位检测和信息提示组成，车位引导系统由车位检测与信息发布组成，各系统之间通过计算机中心联为一体[8]。
因此，系统组成结构图如图2-5所示。
计算机控制系统 入口控制系统 车辆识别系统 车位引导系统 用户管理系统 出口控制系统 入口控制 车辆检测系统 发卡读卡系统 车位检测 信息提示 车位检测 信息发布 用户管理 计费收费 出口控制 车辆检测系统 收卡读卡系统 图2-5 系统组成结构图 3 控制系统的硬件设计 3.1 控制系统选取 停车场控制系统的硬件组成可由如图3-1所示。
PLC 计算机管理中心 场外传感器 出入口道闸控制器 自动发卡读卡收卡器 数码管显示管 入口红绿指示灯 场内传感器 LED显示屏 计费收费系统 摄像机 图3-1 控制系统硬件组成 由控制系统硬件组成可以看出：系统以PLC为控制中心，停车场外的入口控制系统、出口控制系统、车辆显示系统都通过PLC输入输出实现控制，停车场内的车位状态也通过PLC实现车位检测，PLC将检测到的数据串口传输到计算机中，计算机系统主要实现停车场计费收费管理，车辆信息检测以及停车场内的空余车位信息发布[9]。
与PLC实现输入输出控制的硬件设备主要有停车场外车辆感应线圈传感器、出入口道闸控制器、自动发卡收卡机、远距离读卡器、数码显示管、入口红绿指示灯，停车场内车位传感器。
3.2 出入口系统硬件组成 停车场出入口及显示系统的组成有：PLC控制器、车辆检测装置、道闸控制器、数码显示管、LED显示屏、指示灯、出入口摄像机、出入口发卡收卡机以及远距离读卡器。
3.2.1 入口系统组成 入口系统硬件组成框图如图3-2所示。
发卡读卡器 道 闸 前 检 测 器 道 闸 后 检 测 器 道闸 显示器 指示灯 入口摄像机 PLC 图3-2 入口系统硬件组成 停车场入口系统装有PLC、身份识别的IC读卡器、用于临时停车的自动发卡机、道闸、车辆检测器、红绿指示灯、数码显示管、LED显示屏。
3.2.2 出口系统组成 出口系统组成框图如图3-3所示。
计费收费 道 闸 前 检 测 器 道 闸 后 检 测 器 道闸 显示器 出口摄像 PLC 图3-3 出口系统组成 停车场出口控制系统装有收费计算机、出口摄像机、道闸前后车辆检测器、PLC、LED显示屏，道闸控制器等。
3.2.3 出入口系统硬件电路图 基于PLC的停车场车位控制系统组成如图3-4所示。
图3-4 出入口系统硬件电路图 其中，开关SB1为系统动作总开关，只有当开关SB1闭合时系统才能正常工作，SB1打开时系统不动作，开关SB2为系统复位开关，SB3表示入口身份识别开关，SB4表示入口道闸前车辆检测开关，SB5表示入口道闸后车辆检测，SB6表示入口道闸电机正转限位开关，SB7表示入口道闸电机反转限位开关，SB8表示出口身份识别开关，SB9表示出口道闸前车辆检测开关，SB10表示出口道闸后车辆检测开关，SB11表示出口道闸正转限制位开关，SB12表示出口道闸反转限位开关，开关FR1为入口热继电器，FR2为出口热继电器。
输出端的继电器线圈KM1表示入口道闸电机正转，线圈KM2表示入口道闸电机反转，线圈KM3表示出口道闸电机正转，线圈KM4表示出口道闸电机反转，线圈KM5表示入口显示屏输出，KM6表示出口显示屏输出，红灯表示车位已满，绿灯表示停车场中有剩余车位。三个数码管分别显示停车场剩余车位的个、十、百位。
入口系统的输入/输出点的I/O地址分配表如表3-1所示。
表3-1 进库时的输入输出点的I/0地址分配 输入地址 输入器件 X2 入口热继电器 X3 入口身份识别 X4 入口道闸前车辆检测器 X5 入口道闸后车辆检测器 X6 入口道闸正转上限位开关 X7 入口道闸反转下限位开关 输出地址 输出器件 Y0 入口道闸电机正转 Y1 入口道闸电机反转 Y4 车位满指示灯 Y5 车位有空余指示灯 Y6 入口显示屏输出 Y10—Y17 剩余车位数个位 Y20—Y27 剩余车位数十位 Y30—Y37 剩余车位数百位 C220 增减计数器 出口系统的输入/输出点的I/O地址分配表如表3-2所示。
表3-2 出库时的输入输出点的I/0地址分配 输入地址 输出器件 X10 出口身份识别 X11 出口热继电器 X12 出口道闸前车辆检测器 X13 出口道闸后车辆检测器 X14 出口道闸正转上限位开关 X15 出口道闸反转下限位开关 输出地址 输出器件 Y2 出口道闸电机正转 Y3 出口道闸电机反转 Y4 车位满指示灯 Y5 车位有空余指示灯 Y7 出口显示屏输出 Y10—Y17 剩余车位数个位 Y20—Y27 剩余车位数十位 Y30—Y37 剩余车位数百位 C220 增减计数器 当车辆停在车库门口，道闸前检测器检测到车辆，则X4接通，随之使入口显示屏输出“欢迎光临”，若入口处的识别身份的读卡器通过身份验证则X3接通，随之辅助继电器M1线圈得电，接通触点M1，然后辅助继电器M2线圈得电，触点M2闭合，使得Y0置位，即道闸电机正转，正转到正转上限位开关时X6闭合，道闸栏开启。同时，Y1复位，保证道闸电机没有反转信号。车辆进入，通过道闸后面的车辆检测器时，触点X5闭合，使Y0复位，即道闸电机停止正转，同时Y1置位，即道闸电机反转，反转到道闸反转下限位开关时X5闭合，使得Y1复位，即道闸电机停止反转。入口道闸后的车辆检测器每检测到车辆一次，即X2闭合一次，PLC内置计数器C220就减l，当C220等于0时，表示停车场车位已满，停车场门口红灯亮。
车辆出库的过程与入库的过程基本相同，不同的是出口道闸后的车辆检测器每检测到车辆一次，即X13闭合一次，PLC内置计数器C220就加1。
3.2.4 出入口系统硬件配置 （1）
PLC选择 通过上面PLC与外部硬件连接图以及输入输出I/O点分配的分析，可选择PLC的型号为FX2N—64MR—001，共有32输入点和32个输出点，能够满足系统所要的点数，其输入电源为DC24V电压输入，输出方式为继电器输出[8]。
（2）
传感器选择 要实现系统的功能，必须选择一个恰当的传感器，力求准确可行，最好经济上也价格也不贵，下面是对传感器的深入分析和选择。
适用于车辆检测的常用传感器有如下几种：
①感应线圈检测器 感应线圈检测器是交通中应用最广泛的检测传感器。其主要构成包括：埋于路面以下较浅处的绝缘线圈、路边拉紧盒到控制箱的数据输入线以及装于控制箱内的电子元件。其中，绝缘线圈是感应线圈检测器中振荡电路的电磁感应部分。其工作原理是：当汽车停在或驶过绝缘线圈，车辆的金属部分产生涡流电流，且电流方向与线圈电流的方向相反，因此引起涡流电流产生的磁场与线圈电流产生的磁场方向相反，使得线圈磁场场强减小，而线圈磁场场强的减小使得振荡电路的振荡频率增加，从而引发电子元件向控制箱发出脉冲，以表征车辆的出现和经过[10]。
感应线圈检测器能提供车辆经过、车辆出现、车辆计数及车道占有率等交通流信息，但单个的感应线圈不能直接测量车速。感应线圈检测器是一种非常容易设置和安装的检测装置，主要应用在道口收费、交通控制、停车场及车辆计数等方面。
②超声波检测传感器 超声波检测器是波束检测装置的一种。其工作原理是：利用超声波传感器发射脉冲波，通过测量由路面或车辆表面发射的脉冲超声波的波形，即可确定从传感器到路面或车辆表面的距离，同时，因路上有车和路上无车时的传感器所测信号有差别，可借此确定车辆的出现，传感器再利用接收的声信号转换为电信号，通过信号处理模块进行分析和处理，就可以得出车辆数量、车速以及车道占有率等信息。
③微波检测传感器 微波车辆检测传感器的工作原理是：通过对路面发射微波，同时接收物体反射回来的信号，经过相应的预处理，即放大、滤波后得到含有交通流信息频率段的信息，由A/D转换器进行模数转换，相应的单片机或DSP处理器对转换后的数字信息进行相关的分析处理运算，处理后的结果再通过内部的通信接口发回系统终端，通过分析微波车辆检测传感器接收的波形，可获得车辆出现、车辆经过、流量、占有率、车速等信息。
④红外线检测传感器 红外线检测传感器是波束检测装置的一种，有主动式和被动式，都可以用于交通管理。主动式红外检测器利用在红外线波长范围附近工作的激光二极管，发射低能红外线照射检测区域，并经过车辆的反射或散射返回传感器。被动式红外线检测器能提供车辆通过和存在的数据，但没有速度数据，其实质为使用探测器来测量物体发出的红外线能量，当车辆进入它的检测范围，它测量的地表能量就发生变化。使用这种检测器的交通监管应用的典型距离大约是6.1 m，在这个距离内大气的组成要素不会造成检测器明显的性能下降。
⑤视频检测传感器 视频检测传感器通过分析交通场景的图像来确定连续画面之间的变化，以达到检测车辆的目的。黑白图像的图像处理算法主要是检测画面像素的灰度变化，目前这些图像处理算法已经可以去除由天气条件等造成的图像背景的灰度变化，从而由连续画面过滤而得的信息可计算出交通流参数[11]。
对几种传感器的比较选择，由于这里传感器输出信号是作为计数器计数来用的，因此需要传感器输出脉冲信号，感应线圈检测器正好满足了这一点。环形线圈的前端电路原理图如下图3-5所示，其原理是采用电磁感应检测技术，即根据车辆通过埋设于道路下的环形感应线圈时，引起其电感量不同的变化来检测车辆的到达和离开。多匝数专用环形线圈线埋设于路面，它等效为一个传感器件，从耦合振荡电路采集到的正弦振荡信号，经过比较器LM339初步整形后进入信号整形电路，把初步整形的信号变成比较标准的方波信号。
图3-5 感应线圈检测器原理图 （3）
数码管与红绿灯 显示部分用到的是三个七段数码管分别显示计数值的个位、十位和百位。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。本系统设计中选择共阴式七段数码管。即把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光，当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻[12]。
（4）
计数器 FX2N系列可编程控制器内部计数器可分为16位加计数器（共200点）和32位加/减计数器（共35点），如表3-1所示[13]。
表3-1 内部信号计数器 设 定 值 通 用 型 断电保持型 16位加计数器（共200点）
设定值0～32767 C0～C99（共100点）
C100～C199（共100点）
32位加/减计数器（共35点）
设定值-2147483648～+2147483647 C200～C219（共20点）
加控制器（M8200～M8219）
C220～C234（共15点）
加减控制器（M8200～M8219）
本系统中，要求计数器具有双向计数功能，能完成加计数和减计数，具有断电保持功能，由此在软件设计中选择计数器C220来完成软件设计要求。
3.3 停车场车位引导系统硬件组成 停车场内部诱导系统的直接功能就是给停车场管理人员及有停车需求的司机提供停车信息。这就说明系统必须从停车场获得信息，然后通过显示装置发布出去，供需求者使用。因此，系统必须具备信息采集和信息发布的功能，采集设备得到的信息必须经过处理转换成有用的信息，并经过合理的控制发布出去，所以，系统应具备信息处理功能；
从采集设备得到信息到信息发布出去，必须要经过一定的传播方式使信息到达目的地，由此系统还应具备信息传输（通讯）的功能。由此可以看出，停车场内部诱导系统的组成一般包括信息采集、信息处理、信息传输和信息发布等。系统的四个模块相互依赖、共同作用，实现停车诱导功能[13]。
停车场车位引导系统结构框图如图3-6所示。
停车场诱导 管理中心 停车场采集信息系统（PLC）
图3-6 车位引导结构框图 3.3.1 信息采集模块 停车场信息采集功能主要实现是准确可靠的车位采集、停车场进出口管理和收费的计算机化。下面为比较常见的三种车位信息采集方式[14]。
（1）
电磁感应线圈 电磁感应线圈是基于电磁感应原理而设计的实时交通流检测器，具有全天候、全天时、准确度高、造价低廉等特点，是一种目前使用较为广泛的成熟产品。根据检测原理和用户需求，电磁感应线圈检测器一般主要有通过型和存在型两大类，都是由环型线圈和检测器两部分组成。基本原理就是由具有一定（根据实际要求确定）电感的环型线圈及电容器组成谐振电路，当有车辆通过/驻留环型线圈电磁场范围时，环型线圈磁通量发生变化，进而产生振荡电压频移，通过对振荡电压信号频移量的分析，确定车辆通过/存在状态。
停车场信息采集主要采用通过型线圈检测停车场进出口的数量和存在型线圈检测场内车位占有状况。
（2）
视频检测器 交通视频技术是指使用计算机视频技术检测交通信息，通过视频摄象机和计算机模仿人眼的功能，在视频范围内划定虚拟线圈，车辆进入检测区域使背景灰度发生变化，从而感知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。与传统的交通信息采集技术相比，交通视频技术有着直观可靠，安装、维护方便，检测范围广等优点，随着计算机技术、数字图象处理和模式识别技术的发展，计算机视频技术必将在交通信息检测中占据越来越重要的地位。
通常，视频检测器既可作为停车诱导系统的采集器，又可自成系统。视频检测系统一般包括视频图象处理、视频图象压缩、远程通讯传输和中心控制软件等组成部分，根据不同用户的需求和系统应用方式，可采集不同的组合模式。视频检测器和号牌识别系统联合使用，可以实现停车场的不停车进出。
（3）
IC卡读写器 IC卡读写器是通过外界物实行车辆通过式的采集方式，当车辆在进出停车场时，通过IC卡可以采集车辆的进出时间等信息。IC卡读写器分为接触式和非接触式两种形式。
停车场采集方式的优缺点见表3-2所示。
表3-2 几种常见停车场车位信息采集方式的优缺点比较 采集方式 优点 缺点 感应线圈检测 线圈电子放大器已标准化，技术成熟、易于掌握；
计数精确；
抗干扰性强 安装时要破坏路面；
安装质量对其可靠性和寿命影响很大；
修理或安装时需中断交通；
影响路面使用寿命 视频检测 施工安装简单，系统安装不破坏路面，不干扰交通，维护费用低；
可靠性高；
系统兼容性能好，预留通用通信接口，扩展、升级非常方便 成本较高，车牌号识别系统的识别率还存在一定误差 非接触式IC卡读卡器 技术成熟、易于掌握；
计数精确；
成本低 刷卡机易损坏，自动性较差 由此表比较，可以选择感应线圈检测车位信息。
3.3.2 信息处理模块 停车诱导系统信息处理不仅提供车位使用状况信息，还担负着存储停车场或路边车位信息、加工处理车位使用情况的变化模式等任务，这些功能将为未来提供停车需求状况预报、停车位预约等服务奠定基础[15]。
停车诱导系统的车位信息处理通过管理软件分两步来实现，即前端处理系统和管理中心系统。
3.3.3 信息发布模块 停车诱导管理系统信息发布模块的主要功能是实时监测数据库中的待发送的数据库存储表。以循环发送的方式，将信息处理模块得到的数据发送到各发布点的显示屏上。该模块具有与通讯子系统的接口，数据的传递由通讯子系统完成。信息发布模块只需完成发端和收端的处理工作。
停车信息发布是停车场诱导信息系统的主要部分。按诱导信息是否可变可分为固定诱导信息和可变诱导信息，固定诱导信息主要以停车标志牌为主，由于这种信息发布方式成本低廉，可作为停车场诱导系统信息发布的有益补充，可变诱导信息发布牌能够提供变化的车位或车场信息，在可变信息发布牌上附带一些固定的诱导信息，可以节约成本或提高发布系统的稳定性。本论文主要以可变诱导为主[16]。
3.3.4 信息传输模块 停车诱导系统的工作流程可概述为：停车诱导系统首先利用检测和监视系统采集各种停车信息，然后经通讯系统送至计算机中心集中处理，在利用通讯系统和信息发布系统将这些信息传输到停车诱导系统的显示屏，为用户提供有效的车位引导信息[17]。
因此，各种信息的传输是停车诱导系统的运行基础，而以传输信息为目的的通讯系统就像人体内的神经系统一样在停车诱导系统中起着至关重要的作用。
3.3.5 车位引导系统硬件配置 车位引导系统只有一些输入端元件X20、X21、X22、X23 ……，还有输出端元件Y40、Y41、Y42、Y43 ……，通过感应线圈开关检测装置，对车位有无车辆状态进行检测。当车位无车辆时，相应输入继电器不通电，常闭接点处于闭合状态；
而车位中有车辆时，常闭接点断开。这些车位的信息可以反映到PLC中。
车位引导系统的硬件配置如下：
（1）
PLC 车位引导系统的输入点有168个，则考虑选择输入输出点数为512的256点输入，256点输出规格的PLC基本单元，因此其型号可以为FX2N-512MR-001，此时这种型号PLC对其他性能指标也能满足[18]。
（2）
车位感应开关 由表3-2比较分析，感应线圈检测器计数精确，抗干扰性强，检测方便，可以满足车位对状态车位状态的检测，由此传感器开关选择感应线圈检测器。
（3）
LED显示屏 LED显示屏选择可以由计算机控制并能通过计算机发布信息的显示屏都能满足，这里选择2×8（2行8字）的全阵列屏幕，显示内容直观方便。
4 系统软件设计 4.1 系统软件总体设计 4.1.1 软件总体流程 系统软件总体流程图如图4-1所示。
图4-1 系统总体流程图 4.2 停车场车位控制程序设计 4.2.1 PLC程序输入输出符号表 PLC硬件系统输入输出量符号表参见表3-1与表3-2所示。
4.2.2 系统子系统软件 （1）
入口系统程序 车辆进入停车场工作流程如图4-2所示。
图4-2 车辆入场工作流程 （2）
出口系统程序 车辆出停车场工作流程如图4-3所示。
图4-3 车辆出场工作流程 （3）
车位显示系统程序 车位显示系统流程图如图4-4所示。
图4-4 车位显示系统流程图 数码管显示程序的过程如图4-5所示。
计数器C220中数送寄存器D0 D0中的数转化为BCD数存到D1 D1中低四位七段译码后通过Y线圈与七段数码管相连，显示个位 D1中的数循环右移四位后将低四位七段译码，再通过Y线圈与七段数码管相连，显示十位 启动数据显示开关 开始 结束 D1中的数再循环右移四位后将低四位七段译码，再通过Y线圈与七段数码管相连，显示百位 图4-5 显示程序流程图 （4）
车位引导系统流程 停车场内车位通过车位检测器检测后将车位状态输入到PLC中，PLC将输入的车位转台传输到计算机中心，计算机中心通过一定的程序软件处理，在不同的路口发布相应的空位信息。
（5）
停车场外出入口系统梯形图如下图4-6所示。
图4-6 停车场出入口控制梯形图 结 论 本停车场车位控制系统基于PLC设计控制，较好的实现了中小型停车场的车位管理问题，实现了车辆进出停车场的管理，车辆流量显示，车位引导等功能，为中小型停车场的停车问题设计出了较符合实际的系统。本系统设计简单易懂，易于实现，具有较强的实用意义。
本系统很好的实现了功能的分块，以模块化的思想将系统分成相对独立的两大块，分块设计，较好的实现了硬件电路的分配与软件的设计，设计出了较理想的程序使PLC执行达到系统设计要求。本文的主要工作成果：
（1）
整体设计中将系统分成两大块，即停车场外部的出入控制系统，控制车辆的出入，停车场内部的车位引导系统引导车辆在第一时间停在适当的位置上。整体设计结构清晰且模块化。
（2）
停车场外部的出入控制系统完成了各个硬件部分的设计选择，最后分配好PLC的I/O点，基于此用梯形图完成了该部分的软件设计，实现了系统要求的车辆出入停车场计数控制的功能。
（3）
停车场内部的车位引导系统完成了各个硬件部分的设计选择，最后分配好PLC的I/O点，基于此用梯形图完成了该部分的软件设计，完成了系统要求的在第一时间内引导车主将车停在最优位置的功能。
通过此次毕业设计，加深了我对PLC的设计应用，尤其是在PLC梯形图软件设计这一块得到了巨大的进步。但是限于知识所限，设计的系统仍有一些缺点，比如车位引导时没加入语音功能，这是本系统设计较大的缺陷之一，同时当停车场内部无车辆进入时，车位引导系统也一直都处于工作状态，不利于环保节能，还望老师同学提出指导意见，在今后的学习中更上一层楼。
致 谢 首先感谢导师XX副教授给予我的指导和帮助，本人在完成该毕业程中，自始至终得到了谭老师无微不至的关怀和耐心的指导。整篇论文的撰写、修改是在谭老师的精心指导下完成的，从一开始的选题、结构组织、程序设计，到最后的定稿，无不包含着他的心血。同时，在导师的耐心指导下，让我在完成本次毕业设计过程中受到了很多启发。他严谨的治学态度，精深的学术造诣和忘我的工作作风，将使我终身受益，难以忘怀，这将是我今生一笔宝贵的财富。在此表示我最诚挚的敬意和衷心的感谢。
同时，我还要感谢帮助过我的同学们，感谢他们给我支持和鼓励，他们为我论文的完成提出了许多宝贵的意见。在此也要感谢自动化系的各位领导和老师，感谢他们给我提供难得的学习机会和创造良好的学习环境。感谢母校华中科技大学武昌分校多年来对我的教育培养！ 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。
感谢我的亲人们多年来对我无私的支持和帮助，是他们无私的爱给了我信心和力量，让我顺利的完成学业。
最后，还要衷心感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出的辛勤劳动！ 参考文献 [1] 马小军．可编程程控制器及其应用．南京：东南大学出版社，2007：44-62． [2] 刘华波．西门子S7-200 PLC编程及其应用案例精选．北京：机械工业出版社，2009：220-236． [3] 高春甫．三菱可编程序控制器应用技术．北京：机械工业出版社，2010：58-69． [4] 王再英，韩养社等．楼宇自动化系统原理与应用．北京：电子工业出版社，2005：62-68． [5] 郑晟，巩建平．现代可编程序控制器原理与应用．北京：科学出版社，2004：23-28． [6] 范永胜．电气控制与PLC应用．北京：电子工业出版社，2007：39-58． [7] 胡学林．可编程控制器原理及应用．北京：电子工业出版社，2005：136-152． [8] 吴中俊．可编程控制器原理及应用．北京：机械工业出版社，2007：118-130． [9] 周美兰，周封等．PLC电气控制与组态设计．北京：科学出版社，2003：177-198． [10] 陈金华．可编程控制器应用技术．北京：电子工业出版社，1995：221-240． [11] 廖常初．PLC编程及应用．北京：机械工业出版社，2002：256-259． [12] 陈立定．电器控制与可编程控制器．广州：华南理工大学出版社，2001：87-96． [13] 林明星．电气控制及可编程序控制器．北京：机械工业出版社，2004：96-122． [14] 孙平．可编程序控制器原理及应用．北京：高等教育出版社，2003：87-95． [15] 江秀汉，汤楠．可编程序控制器原理及应用．西安：西安电子科技大学出版社，2003：82-90． [16] Davis，B.F.CONTROL SYSTEMS IN PARKING STATIONS-PAST，PRESENT AND FUTURE．National Conference Publication-Institution of Engineers, Australia，n 81/1，1981：46-48． [17] Martin，Vaughn D．Programmable logic controllers．Electronics Now，1996，67：37-38． [18] D．K．Merchant，G．L．Nemhauser．A Model and a Algorithms for the Dynamic Traffic Assignment Problems．Transportation Science，2006．12：183-199．