基于PLC和GD32单片机的立体车库控制系统设计

安国庆 齐玉 张春平

摘要：如今在中国，私家车的总数量在逐年递增，那么停车难的问题也随之而来，为了缓解这种情况，立体车库成为了缓解这种状况的选择之一。本设计依据升降平移等立体车库运行原理，以西门子为控制核心，搭配单片机设计一套立体车库控制系统，并且搭载了模块使通信距离更广，控制系统设计灵活。同时用户使用手机完成入库以及取车等操作，并有云端物联网系统负责向发送命令，真正的实现停车自动化、智能化。

关键词：单片机;;立体车库;

一、引言

随着当今时代的经济飞速发展，人们物质生活水平不断提高，私家车不再是奢侈品，伴随车辆增多并且土地资源紧张这一社会现状，老式的地下停车场以及户外的露天停车场已经饱和，我国汽车保有量仍然连年增长，许多城市的繁华地区，医院乃至小区都面临着停车难这种情况，停车难也已然成为阻碍我国经济发展的重要问题。

目前国内传统的停车方式依然占据主导地位，但是面对城市人口居住面积增大，必须提高土地利用率，新兴的立体车库可以有效地解决这一问题。立体车库相对于传统的停车场设有垂直升降，水平平移等功能有占地面积小，停车效率高等优势，但依然有需要解决的维护费用高，人机交互困难等一系列问题[1]。本文利用PLC技术控制系统，提高车库的稳定性，降低维护成本，更容易实现自动化，使人机交互顺利进行，另外还应用到传感器，图像识别，云平台等技术。

二、系统工作原理

本车库八排六列三层高，采用西门子为核心的控制系统，选用满足脉冲输出和高速计数器输入[2]， 模块本体集成个以太网接口和个 接口，其结构大致包括升降系统、平移系统、控制系统以及机架系统，升降系统是用来使单个板子完成升降，实现车的存取，而平移系统是利用传送带带动板子完成车辆的平移。当汽车驶入车库到板子上，车主须扫码登陆的同时，超声探测器辅助压力传感器确认车上人是否离开此区域，数据上传至云端后，云端将信号编译反馈至控制系统，与此同时，压力传感器和超声模块发出信号到单片机，接收到信号后，单片机将信号传输给模块[3]，通过网络作用与端的接收模块，将收到的信号通过电平信号控制步进电动机的驱动器进而控制步进电机。传送带带动板子移动到指定位置，再次给信号给，在通过继电器交流控制步进电动机完成对应指令，车主取车时只需用手机将取车信号传递给云端，系统根据停车时长计算费用，付款后控制系统会驱动将板子放上传送带，将车送至门口，门口处有圆盘可以利用掉转车头即完成取车过程。过程如图1：

考虑到车辆停放版的稳定性以及停车的准确性，板子上需设置矩形压力传感器，并且表面设置凹槽增大摩擦防止车辆滑行，可以有效保证人和车的安全，另外车辆停放板的中心装有水平传感器，可以及时发现板子倾斜等情况，另外在运送车辆过程中也可以保证板子和车辆发生碰撞等危险情况，更好的保证了车库的安全性。机架结构均由钢架焊接与铆接制成，车库的每个车位之间均采用可移动的连接形式，使的维护简单，安装成本低，另外在升降系统中装设抖动检测装置，保证车辆升降过程的安全稳定。

三、控制系统方案

本设计将采用三台三相交流电机作为主要动力输出，将用于实现车辆停放板块的水平方向和层数的移动，同时安放小型步进电机进行被控制交流电机对于车辆停放板块的定位。一层设置转台，用于车辆在进入车库和离开车库的转向，转向台下方设置步进电机。其所有电机的控制由西门子进行控制，电机布置位置如图2：

图中是横轴方向的电机，用于控制车辆停放板的横方向移动，其控制横的标号由辅助步进电机决定;图中电机是纵轴方向电机，用于控制车辆停放板的纵方向移动，其控制纵坐标的标号同样由辅助电机决定;是层数曳引电机，用于将车辆停放板拖到目标层数;是步进电机，用于控制车辆停靠方向的转向。电机旁设计动力配电箱，动力配电箱旁设置控制柜，控制柜内安装和无线通讯装置。辅助步进电机用于选择控制轴，在选择控制轴时必须在同一层的电机停转的时刻进行切换，中央控制器将会对步进电机发送固定数量的脉冲信号，进而控制步进电机的精准切换。

每块停放板的下方都有压力传感器和单片机系统，压力传感器会记录各个时刻停放板上方是否受力，如有受力则代表此停放板有停放车，同时会记录时间，检修人员可以通过这个时间来判断停放板的寿命。为了防止是否误判，停放板的中心位置安装超声模块;超声会检测车辆底盘与停放板的距离，如果检测距离过大或过小，则系统也会判定为空车或者与其他停放板堆叠。

四、控制系统设计

控制系统分为区域单片机电路和接线电路，首先区域单片机电路由单片机作为控制芯片，车辆停放版的四周设置四个压电式压力传感器。压力传感器会在停放板上承受以上并且均匀分布的重量时，同时触发，此时超声定位系统会检测此时是否为误触发。同时单片机上连接无线模块，主控制器会通过无线模塊实现与单片机之间的通讯[4]，用于接收车辆停放版是否有车，或者是否有人没下车。其次是接线图，其电机控制的端口分配如表3，软继电器输出对应交流电机、、;输出端、、对应步进电机驱动器的脉冲输入端。的控制箱内设置无线传输装置，用于发送至物联网管理平台以及联系各个车辆停放板上单片机的收发装置，它会接收单片机发送来的车辆停放信号以及在立体车库的位置信息，并且会把这些信号发送至物联网管理平台

在交流电机上分别装有换向器，由小型步进电机进行驱动，以便交流电机对其指定编号位置的车辆停放板定位，并且能够曳引号板，在换向器出设有一块单片机，用于识别上接收到传来的信号。步进电机选用型步进电机，步进电机驱动器由与单片机之间采用光电耦合元件进行光电隔离，以达到延长电路寿命的目的。在收到切换信号时，单片机会向步进电机驱动器发送一定数量的脉冲，步进电机在接收到脉冲时会旋转一定的角度，所以可以利用内部的机械结构进行切换的操作。

在系统中如何对车辆停放板的精准控制是一个问题，该问题可以用的比例积分微分控制来解决。控制因为数学模型简单、稳定性和可靠性高而广泛应用于自动控制领域，并且西门子中包含了指令，这样可以简化编程的难度。在车辆停放板的移动以及在进行楼层之间的移动时引入控制，可以将减小稳态误差降到很低，并且能够精准的停放在指定位置，避免车辆停放板或者车辆损坏。

五、总结

如今是一个每家都有车的时代，在一些公关场合停车难是一个大问题，本文描述了利用和单片机设计的立体车库设计方案，由模块进行通讯以及组网并发送至云平台，搭建了一套能够实现车辆停放板在规定的范围进行移动的系统。本设计利用作为中心控制器，用于接收及发送的信号，并且将指定信号进行编码发送至云平台;单片机作为车辆停放板定位以及检测车辆有无的功能。本系统也设计了交流电机的换向控制系统，并且利用控制进行车辆停放板的精准位置控制。由于本设计主要以和单片机为主，云平台部分不会详细说明。

参考文献：

[1]张玉， 宋华成， 肖伟. 江苏某人防机械立体车库设计要点探析[J]. 安徽建筑， 2022， 第29卷（1）：81-82.

[2]廖常初. PLC编程及应用[M]. 机械工业出版社， 2014.

[3]钟永锋， 刘永俊. ZigBee无线传感器网络[M]. 北京邮电大学出版社， 2011.

[4]董海涛， 屈玉贵， 赵保华. Zigbee无线传感器网络平台的设计与实现[J]. 电子技术应用， 2007， 33（12）：3.

作者简介：

安国庆（1999-），男，汉族，山东日照人，吉林建筑大学本科在读，电气方向。