智能立体车库模拟系统设计与实现

郑州外国语新枫杨学校 李昶亮 谢乐天

1 课题背景及意义

经济的发展必将使人民的物质文化水平得到提高。当今社会私家车已不再是奢侈品，随着私家车数目的剧增，车辆无处停放已成为大中型城市最为突出的问题。普通的单层停车场不仅占地面积大而且操作不方便，而现代化的智能立体车库是一种多层的空间结构，使车库由平面结构转换为空间结构，大大提高土地资源的利用率。本文所设计的智能立体车库系统具有操作方便，简单可靠，便于设计安装，人性化程度高等优点，适合用于医院，大型商场，金融中心等人口密集的场所。将传统单层的停车位规划成现代化智能化的立体车库，方便有效的解决停车难的问题，给人们的出行带来巨大的便利。

2 智能立体车库模拟系统的工作原理

本文所设计的智能立体车库选用STM32F407芯片为微控制单元（MCU），通过控制电容触摸屏模块实现人机交互，控制声光报警模块实现安防报警，控制RTC时钟模块实现存车计时，控制语音提示模块实现语音提醒，控制FLASH存储模块实现数据存储，控制A4988电机驱动模块实现步进电机的驱动（如图1所示），进而实现车辆的自动存取及其附属功能。

图1 智能立体车库模拟系统框架图

3 智能立体车库模拟系统主要硬件模块设计

3.1 主控芯片的选型

主控芯片的选型对智能立体车库的控制系统是十分重要的，本系统选用STM32F407为控制核心（如图2所示），采用Cortex™-M4架构，利用MDK5进行编程开发。

图2 STM32F407实物图

3.2 电源管理模块设计

本设计选用具有双路输出的开关电源（如图3所示），利用其输出的稳定双路电压来保证操作系统及A4988电机驱动模块的平稳运行。

图3 双路输出开关电源实物图

3.3 机械传送装置设计

机械传送装置的主体是三个步进电机独立控制的垂直提升装置（如图4a所示），三个步进电机分别控制垂直提升装置的转向轴（X轴）、伸缩轴（Y轴）和垂直提升轴（Z轴）来完成指定车辆的存取操作，为了使系统设计的更加合理化、人性化，我们在此的基础上，加入了回转台装置（如图4b所示），用于确保车辆取出时车头朝外，方便车主直接开出车库。

图4 垂直提升装置(a)和回转台(b)

3.4 电机及电机驱动设计

本设计选用42两相步进电机（如图5a所示）和A4988微型步进电机驱动器（如图5b所示）来完成垂直提升装置和回转台的指定操作。

图5 42步进电机(a)和A4988步进电机驱动器(b)

3.5 人机交互界面设计

本系统选用4.3寸的GT9147电容屏传感器作为人机交互的媒介（如图6所示），能够显示车库位置余量，存车费用，取车密码等关键信息。

图6 电容屏实物图

3.6 随机数发生器(RNG)模块及数据存储模块（FLASH）设计

本设计中，利用RNG随机数发生器产生六位取车密码，并将此密码与车辆的存车时间等相关信息存储到数据存储模块（FLASH）中，用于后续的取车密码校对及存车计费等操作。

3.7 语音提示模块设计

语音提示模块用于提示用户相关操作及播报系统相关进程，本设计选用支持TF卡驱动和音频格式硬解码的YX5200-24SS语音芯片，YX5200-24SS语音提示模块的连接图如图7所示。

图7 YX5200-24SS语音提示模块连接图

3.8 声光报警模块设计

当用户输入密码错误达三次以上时，系统将开启声光报警，防止有非法人员入侵车库系统。声光报警模块硬件连接图如图8所示。

图8 声光报警模块硬件连接图

4 智能立体车库模拟系统设计方案流程图

图9 智能立体车库模拟系统设计方案流程图

智能立体车库模拟系统的流程如图 9所示。首先进行初始化操作，当按下校准键时进行校准操作，当按下介绍键时进行语音介绍。然后进行触摸屏检测，当按下存车键，且检测到此时车库有车位时，系统自动将车辆存入设定位置并生成一个六位的取车密码，同时将对应车辆相关信息存入FLASH模块中，如果此时车库没有车位，系统将提示车位不足。当按下取车键时，用户需要输入六位密码，验证通过后系统将显示本次停车的费用，并将对应车辆取出。如果密码连续输错3次，将触发声光报警模块。

5 车辆存取测试

5.1 存车操作测试

当用户查看交互界面确认有空余车位，按下存车键时，语音提示将会播报“存车操作正在进行中......”。系统开始存车操作，回转台旋转180度将车辆掉头，伸缩轴Y轴将车载板插入车辆底盘，小幅度提升Z轴确保车辆置于车载板上，完成回转台取车操作；然后，车辆和车载板在Y轴驱动下收回到原点，并将X轴的旋转到达设定角度，将车载板沿Z轴大幅度提升至设定楼层，完成传送车辆操作；最后，将车载板伸出至车位正上方，沿Z轴小幅度下降放下车辆，实现车辆存放操作。具体的操作过程如图10所示。

图10 回转台取车、传送车辆、存放车辆

5.2 取车操作测试

当用户进行取车操作时，首先输入六位密码按确认键（E），密码验证成功后系统将自动计算存车时间和费用，并显示在触摸屏上。密码输入错误3次，将触发声光报警模块。与存车的原理相似，取车操作依次实现车辆的取出、传送和放置，具体的操作过程如图11所示。

图11 车辆取出、传送车辆、回转台放车

6 结论

本文设计的智能立体车库以STM32芯片作为主控芯片，通过综合控制人机交互界面模块，电源管理模块、电机驱动模块、语音提示模块、FLASH数据存储模块、声光报警模块来实现车辆的自动存取，计费、密码校对与声光报警等功能。通过实际操作验证该系统操作便捷，安全可靠。随着我国城市化的迅速发展，车辆数目的迅速增多，必然带来对停车位的大量需求，本文所设计的智能立体车库必将凭借车辆容纳率高，占地面积少，自动化程度高等优点成为未来智能车库的发展方向。

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