基于PLC和GD32單片機的立體車庫控制系統設計

安國慶 齊玉 張春平

摘要：如今在中國，私家車的總數量在逐年遞增，那么停車難的問題也隨之而來，為了緩解這種情況，立體車庫成為了緩解這種狀況的選擇之一。本設計依據升降平移等立體車庫運行原理，以西門子為控制核心，搭配單片機設計一套立體車庫控制系統，并且搭載了模塊使通信距離更廣，控制系統設計靈活。同時用戶使用手機完成入庫以及取車等操作，并有云端物聯網系統負責向發送命令，真正的實現停車自動化、智能化。

關鍵詞：單片機;;立體車庫;

一、引言

隨著當今時代的經濟飛速發展，人們物質生活水平不斷提高，私家車不再是奢侈品，伴隨車輛增多并且土地資源緊張這一社會現狀，老式的地下停車場以及戶外的露天停車場已經飽和，我國汽車保有量仍然連年增長，許多城市的繁華地區，醫院乃至小區都面臨著停車難這種情況，停車難也已然成為阻礙我國經濟發展的重要問題。

目前國內傳統的停車方式依然占據主導地位，但是面對城市人口居住面積增大，必須提高土地利用率，新興的立體車庫可以有效地解決這一問題。立體車庫相對于傳統的停車場設有垂直升降，水平平移等功能有占地面積小，停車效率高等優勢，但依然有需要解決的維護費用高，人機交互困難等一系列問題[1]。本文利用PLC技術控制系統，提高車庫的穩定性，降低維護成本，更容易實現自動化，使人機交互順利進行，另外還應用到傳感器，圖像識別，云平臺等技術。

二、系統工作原理

本車庫八排六列三層高，采用西門子為核心的控制系統，選用滿足脈沖輸出和高速計數器輸入[2]， 模塊本體集成個以太網接口和個 接口，其結構大致包括升降系統、平移系統、控制系統以及機架系統，升降系統是用來使單個板子完成升降，實現車的存取，而平移系統是利用傳送帶帶動板子完成車輛的平移。當汽車駛入車庫到板子上，車主須掃碼登陸的同時，超聲探測器輔助壓力傳感器確認車上人是否離開此區域，數據上傳至云端后，云端將信號編譯反饋至控制系統，與此同時，壓力傳感器和超聲模塊發出信號到單片機，接收到信號后，單片機將信號傳輸給模塊[3]，通過網絡作用與端的接收模塊，將收到的信號通過電平信號控制步進電動機的驅動器進而控制步進電機。傳送帶帶動板子移動到指定位置，再次給信號給，在通過繼電器交流控制步進電動機完成對應指令，車主取車時只需用手機將取車信號傳遞給云端，系統根據停車時長計算費用，付款后控制系統會驅動將板子放上傳送帶，將車送至門口，門口處有圓盤可以利用掉轉車頭即完成取車過程。過程如圖1：

考慮到車輛停放版的穩定性以及停車的準確性，板子上需設置矩形壓力傳感器，并且表面設置凹槽增大摩擦防止車輛滑行，可以有效保證人和車的安全，另外車輛停放板的中心裝有水平傳感器，可以及時發現板子傾斜等情況，另外在運送車輛過程中也可以保證板子和車輛發生碰撞等危險情況，更好的保證了車庫的安全性。機架結構均由鋼架焊接與鉚接制成，車庫的每個車位之間均采用可移動的連接形式，使的維護簡單，安裝成本低，另外在升降系統中裝設抖動檢測裝置，保證車輛升降過程的安全穩定。

三、控制系統方案

本設計將采用三臺三相交流電機作為主要動力輸出，將用于實現車輛停放板塊的水平方向和層數的移動，同時安放小型步進電機進行被控制交流電機對于車輛停放板塊的定位。一層設置轉臺，用于車輛在進入車庫和離開車庫的轉向，轉向臺下方設置步進電機。其所有電機的控制由西門子進行控制，電機布置位置如圖2：

圖中是橫軸方向的電機，用于控制車輛停放板的橫方向移動，其控制橫的標號由輔助步進電機決定;圖中電機是縱軸方向電機，用于控制車輛停放板的縱方向移動，其控制縱坐標的標號同樣由輔助電機決定;是層數曳引電機，用于將車輛停放板拖到目標層數;是步進電機，用于控制車輛停靠方向的轉向。電機旁設計動力配電箱，動力配電箱旁設置控制柜，控制柜內安裝和無線通訊裝置。輔助步進電機用于選擇控制軸，在選擇控制軸時必須在同一層的電機停轉的時刻進行切換，中央控制器將會對步進電機發送固定數量的脈沖信號，進而控制步進電機的精準切換。

每塊停放板的下方都有壓力傳感器和單片機系統，壓力傳感器會記錄各個時刻停放板上方是否受力，如有受力則代表此停放板有停放車，同時會記錄時間，檢修人員可以通過這個時間來判斷停放板的壽命。為了防止是否誤判，停放板的中心位置安裝超聲模塊;超聲會檢測車輛底盤與停放板的距離，如果檢測距離過大或過小，則系統也會判定為空車或者與其他停放板堆疊。

四、控制系統設計

控制系統分為區域單片機電路和接線電路，首先區域單片機電路由單片機作為控制芯片，車輛停放版的四周設置四個壓電式壓力傳感器。壓力傳感器會在停放板上承受以上并且均勻分布的重量時，同時觸發，此時超聲定位系統會檢測此時是否為誤觸發。同時單片機上連接無線模塊，主控制器會通過無線模塊實現與單片機之間的通訊[4]，用于接收車輛停放版是否有車，或者是否有人沒下車。其次是接線圖，其電機控制的端口分配如表3，軟繼電器輸出對應交流電機、、;輸出端、、對應步進電機驅動器的脈沖輸入端。的控制箱內設置無線傳輸裝置，用于發送至物聯網管理平臺以及聯系各個車輛停放板上單片機的收發裝置，它會接收單片機發送來的車輛停放信號以及在立體車庫的位置信息，并且會把這些信號發送至物聯網管理平臺

在交流電機上分別裝有換向器，由小型步進電機進行驅動，以便交流電機對其指定編號位置的車輛停放板定位，并且能夠曳引號板，在換向器出設有一塊單片機，用于識別上接收到傳來的信號。步進電機選用型步進電機，步進電機驅動器由與單片機之間采用光電耦合元件進行光電隔離，以達到延長電路壽命的目的。在收到切換信號時，單片機會向步進電機驅動器發送一定數量的脈沖，步進電機在接收到脈沖時會旋轉一定的角度，所以可以利用內部的機械結構進行切換的操作。

在系統中如何對車輛停放板的精準控制是一個問題，該問題可以用的比例積分微分控制來解決。控制因為數學模型簡單、穩定性和可靠性高而廣泛應用于自動控制領域，并且西門子中包含了指令，這樣可以簡化編程的難度。在車輛停放板的移動以及在進行樓層之間的移動時引入控制，可以將減小穩態誤差降到很低，并且能夠精準的停放在指定位置，避免車輛停放板或者車輛損壞。

五、總結

如今是一個每家都有車的時代，在一些公關場合停車難是一個大問題，本文描述了利用和單片機設計的立體車庫設計方案，由模塊進行通訊以及組網并發送至云平臺，搭建了一套能夠實現車輛停放板在規定的范圍進行移動的系統。本設計利用作為中心控制器，用于接收及發送的信號，并且將指定信號進行編碼發送至云平臺;單片機作為車輛停放板定位以及檢測車輛有無的功能。本系統也設計了交流電機的換向控制系統，并且利用控制進行車輛停放板的精準位置控制。由于本設計主要以和單片機為主，云平臺部分不會詳細說明。

參考文獻：

[1]張玉， 宋華成， 肖偉. 江蘇某人防機械立體車庫設計要點探析[J]. 安徽建筑， 2022， 第29卷（1）：81-82.

[2]廖常初. PLC編程及應用[M]. 機械工業出版社， 2014.

[3]鐘永鋒， 劉永俊. ZigBee無線傳感器網絡[M]. 北京郵電大學出版社， 2011.

[4]董海濤， 屈玉貴， 趙保華. Zigbee無線傳感器網絡平臺的設計與實現[J]. 電子技術應用， 2007， 33（12）：3.

作者簡介：

安國慶（1999-），男，漢族，山東日照人，吉林建筑大學本科在讀，電氣方向。