以STM32为主控的智能立体车库开发

　　摘要：在国民经济快速发展的今天, 人均汽车占有率迅速上升, 停车难问题日渐凸显。其根本原因是传统单层的车库导致土地使用效率低。针对此类问题, 本文设计了一种新型的以STM32为主控的智能立体车库, 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、声光报警模块等来实现车辆的自动存取、计费、密码校对与声光报警等功能。同时为了提高土地的使用效率和存取车效率, 本文将智能立体车库设计为多层圆形建筑, 将车辆垂直提升装置设计在圆心附近, 使智能立体车库具有车辆容纳率高。整个智能立体车库具有自动化程度高, 方便组装拆卸等优点。通过实际模拟, 该智能立体车库能够准确的完成存取车操作以及我们预先设定的一系列功能, 工作稳定有序, 整体测试效果良好。

　　关键词：垂直提升式; Cortex-M4; FLASH; 人机交互;

　　Abstract：With the rapid development of the national economy, the per capita car share has risen rapidly, and the parking problem has become increasingly prominent.The most essential reason is the low efficiency of land use in the traditional single-storey garage.Aiming at such problems, a new intelligent three-dimensional garage with STM32 as the main control was designed in this paper.This system realizes many functions, such as automatic vehicle storage and fetch, billing, verify the password and sound-light alarm and so on, through the comprehensive control of human-computer interaction interface module, power management module, motor drive module, voice prompt module, FLASH data storage module and sound-light alarm module, etc.Meanwhile, in order to improve the efficiency of land use and vehicle storage and fetch, many novel measures were taken in our design.A circular multi-storey building was designed as intelligent three-dimensional garage, and the vehicle vertical lifting device was installed at the center of the center to improve vehicle capacity.The intelligent three-dimensional garage has the advantages of high automation, easy assembly and disassembly.The good test results of actual simulation indicate that the intelligent 3d garage can complete the operations of vehicle storage and fetch accurately and a series of functions we set up in advance.

　　Keyword：Vertical lifting; Cortex-M4; FLASH; Human-computer interaction;

　　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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