智能立體車庫模擬系統設計與實現

鄭州外國語新楓楊學校 李昶亮 謝樂天

1 課題背景及意義

經濟的發展必將使人民的物質文化水平得到提高。當今社會私家車已不再是奢侈品，隨著私家車數目的劇增，車輛無處停放已成為大中型城市最為突出的問題。普通的單層停車場不僅占地面積大而且操作不方便，而現代化的智能立體車庫是一種多層的空間結構，使車庫由平面結構轉換為空間結構，大大提高土地資源的利用率。本文所設計的智能立體車庫系統具有操作方便，簡單可靠，便于設計安裝，人性化程度高等優點，適合用于醫院，大型商場，金融中心等人口密集的場所。將傳統單層的停車位規劃成現代化智能化的立體車庫，方便有效的解決停車難的問題，給人們的出行帶來巨大的便利。

2 智能立體車庫模擬系統的工作原理

本文所設計的智能立體車庫選用STM32F407芯片為微控制單元（MCU），通過控制電容觸摸屏模塊實現人機交互，控制聲光報警模塊實現安防報警，控制RTC時鐘模塊實現存車計時，控制語音提示模塊實現語音提醒，控制FLASH存儲模塊實現數據存儲，控制A4988電機驅動模塊實現步進電機的驅動（如圖1所示），進而實現車輛的自動存取及其附屬功能。

圖1 智能立體車庫模擬系統框架圖

3 智能立體車庫模擬系統主要硬件模塊設計

3.1 主控芯片的選型

主控芯片的選型對智能立體車庫的控制系統是十分重要的，本系統選用STM32F407為控制核心（如圖2所示），采用Cortex?-M4架構，利用MDK5進行編程開發。

圖2 STM32F407實物圖

3.2 電源管理模塊設計

本設計選用具有雙路輸出的開關電源（如圖3所示），利用其輸出的穩定雙路電壓來保證操作系統及A4988電機驅動模塊的平穩運行。

圖3 雙路輸出開關電源實物圖

3.3 機械傳送裝置設計

機械傳送裝置的主體是三個步進電機獨立控制的垂直提升裝置（如圖4a所示），三個步進電機分別控制垂直提升裝置的轉向軸（X軸）、伸縮軸（Y軸）和垂直提升軸（Z軸）來完成指定車輛的存取操作，為了使系統設計的更加合理化、人性化，我們在此的基礎上，加入了回轉臺裝置（如圖4b所示），用于確保車輛取出時車頭朝外，方便車主直接開出車庫。

圖4 垂直提升裝置(a)和回轉臺(b)

3.4 電機及電機驅動設計

本設計選用42兩相步進電機（如圖5a所示）和A4988微型步進電機驅動器（如圖5b所示）來完成垂直提升裝置和回轉臺的指定操作。

圖5 42步進電機(a)和A4988步進電機驅動器(b)

3.5 人機交互界面設計

本系統選用4.3寸的GT9147電容屏傳感器作為人機交互的媒介（如圖6所示），能夠顯示車庫位置余量，存車費用，取車密碼等關鍵信息。

圖6 電容屏實物圖

3.6 隨機數發生器(RNG)模塊及數據存儲模塊（FLASH）設計

本設計中，利用RNG隨機數發生器產生六位取車密碼，并將此密碼與車輛的存車時間等相關信息存儲到數據存儲模塊（FLASH）中，用于后續的取車密碼校對及存車計費等操作。

3.7 語音提示模塊設計

語音提示模塊用于提示用戶相關操作及播報系統相關進程，本設計選用支持TF卡驅動和音頻格式硬解碼的YX5200-24SS語音芯片，YX5200-24SS語音提示模塊的連接圖如圖7所示。

圖7 YX5200-24SS語音提示模塊連接圖

3.8 聲光報警模塊設計

當用戶輸入密碼錯誤達三次以上時，系統將開啟聲光報警，防止有非法人員入侵車庫系統。聲光報警模塊硬件連接圖如圖8所示。

圖8 聲光報警模塊硬件連接圖

4 智能立體車庫模擬系統設計方案流程圖

圖9 智能立體車庫模擬系統設計方案流程圖

智能立體車庫模擬系統的流程如圖 9所示。首先進行初始化操作，當按下校準鍵時進行校準操作，當按下介紹鍵時進行語音介紹。然后進行觸摸屏檢測，當按下存車鍵，且檢測到此時車庫有車位時，系統自動將車輛存入設定位置并生成一個六位的取車密碼，同時將對應車輛相關信息存入FLASH模塊中，如果此時車庫沒有車位，系統將提示車位不足。當按下取車鍵時，用戶需要輸入六位密碼，驗證通過后系統將顯示本次停車的費用，并將對應車輛取出。如果密碼連續輸錯3次，將觸發聲光報警模塊。

5 車輛存取測試

5.1 存車操作測試

當用戶查看交互界面確認有空余車位，按下存車鍵時，語音提示將會播報“存車操作正在進行中......”。系統開始存車操作，回轉臺旋轉180度將車輛掉頭，伸縮軸Y軸將車載板插入車輛底盤，小幅度提升Z軸確保車輛置于車載板上，完成回轉臺取車操作；然后，車輛和車載板在Y軸驅動下收回到原點，并將X軸的旋轉到達設定角度，將車載板沿Z軸大幅度提升至設定樓層，完成傳送車輛操作；最后，將車載板伸出至車位正上方，沿Z軸小幅度下降放下車輛，實現車輛存放操作。具體的操作過程如圖10所示。

圖10 回轉臺取車、傳送車輛、存放車輛

5.2 取車操作測試

當用戶進行取車操作時，首先輸入六位密碼按確認鍵（E），密碼驗證成功后系統將自動計算存車時間和費用，并顯示在觸摸屏上。密碼輸入錯誤3次，將觸發聲光報警模塊。與存車的原理相似，取車操作依次實現車輛的取出、傳送和放置，具體的操作過程如圖11所示。

圖11 車輛取出、傳送車輛、回轉臺放車

6 結論

本文設計的智能立體車庫以STM32芯片作為主控芯片，通過綜合控制人機交互界面模塊，電源管理模塊、電機驅動模塊、語音提示模塊、FLASH數據存儲模塊、聲光報警模塊來實現車輛的自動存取，計費、密碼校對與聲光報警等功能。通過實際操作驗證該系統操作便捷，安全可靠。隨著我國城市化的迅速發展，車輛數目的迅速增多，必然帶來對停車位的大量需求，本文所設計的智能立體車庫必將憑借車輛容納率高，占地面積少，自動化程度高等優點成為未來智能車庫的發展方向。

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