基于51单片机的立体车库存取车控制器的设计

摘 要

　　随着汽车的数量以可观的速度在增加，城市范围虽然也在向外延伸，但是在生活的 主城区，人口密集的地方，停车已经成为现在社会中的一大难题。面对价格不断上涨的 车位，往往是一位难求，而随意的将车停在路边，也会带来很大的安全隐患和价格不菲 的罚款。如何能科学的、合理的解决这个停车难题，设计更多高容量的停车场，不仅能 满足人民的需求，从节约能源的角度考虑还可以提高土地使用率，在成本和利用率上也 可以有很客观的改善。

　　针对上述问题，本文设计了一套立体车库存取车控制器系统。该控制器系统使用射 频卡记录车辆的信息，通过读卡器实现对车辆进行身份识别，认证成功后，用户通过显 示屏选择相应的存取车操作。然后单片机通过 CAN 通信协议控制伺服电机，实现车库 门的开启和关闭，同时播放相应的提示语和欢迎语，使用光电传感器以及超声波雷达对 车身有无越界进行精确定位和报警。最后通过 CAN 通信将车辆的状态传输到上位机中 进行实时监控和显示，在上位机中可以进行计时收费或者报警提醒等操作，作为一种有 效的延伸，使得设计可以更加的实用。

　　本文对立体车库存取车的使用流程多个方面进行了优化。以低功耗、低成本的 STC89051 单片机为硬件核心设计的模块化立体车库，立足于当今社会问题，通过多次 实验仿真达到了预期的设计目标，能够给用户一个简单方便的操作环境，替代人工值守 模式，具有一定的推广和应用价值。

　　关键词： 51 单片机； 立体车库； 存取车控制器系统

Abstract

　　As the number of cars is increasing at a considerable speed, although the scope of the city is also extending outward, parking has become a major problem in today's society in the main urban area and densely populated areas. In the face of rising prices, it is often difficult to find a parking space, and arbitrarily parking the car on the roadside will also bring great potential safety hazards and expensive fines. How to scientifically and reasonably solve this parking problem and design more high-capacity parking lots can not only meet the needs of the people, but also improve the land use rate from the perspective of energy conservation, and objectively improve the cost and utilization rate.

　　To solve the above problems, a set of access vehicle controller system for three-dimensional garage is designed in this paper. The controller system uses the RF card to record the vehicle information, and realizes the identification of the vehicle through the card reader. After successful authentication, the user selects the corresponding access operation through the display screen. Then the single chip microcomputer controls the servo motor through the can communication protocol to open and close the garage door, plays the corresponding prompt and welcome words, and uses photoelectric sensors and ultrasonic radar to accurately locate and alarm whether the vehicle body crosses the boundary. Finally, the status of the vehicle is transmitted to the upper computer through can communication for real-time monitoring and display. In the upper computer, operations such as timing and charging or alarm reminder can be carried out. As an effective extension, the design can be more practical.

　　This paper optimizes the use process of access car in three-dimensional garage in many aspects. Based on the current social problems, the modular three-dimensional garage designed with the low-power and low-cost stc89051 single chip microcomputer as the hardware core has achieved the expected design goal through many experiments and simulations. It can give users a simple and convenient operating environment and replace the manual duty mode. It has certain popularization and application value.

　　Key words: 51 single chip microcomputer; Stereo garage; Access vehicle controller system

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究背景

　　步入新的时代，科技的发展有目共睹。从神舟系列升空，到探月计划，再到新四大 发明，科技带来的诸多便利，充实了人民的生活，也一步一步的提高了生活水平和生活 质量。作为衣食住行中很重要的一环，出行方式中的主要交通工具之一的汽车，也在飞 速的发展着。各种型号和功能的汽车，满足了不同的需求，也给生活带来了极大的便利。 汽车可以说是生活中必不可少的工具[1]. 我国已经开始进入汽车社会，汽车保有量正在大幅增加，不过与其他发达国家不同 的是，我国汽车相关的配套产业的发展还没有及时跟进，发展还是远远滞后[2].就拿停 车行业来说，目前还是处于初级阶段。从改革开放到现在，城市的发展并没有给这个行 业预留多少的发展空间，远远无法满足现阶段的停车需求，由此而引发的交通拥堵也表 现的很严重[3].目前在发展比较迅速的城市，人口迅速增加的同时，停车场地严重不足 的问题也已经明显的表现出来。停车位紧缺已经成为很多大中型城市目前最需要迫切解 决的大问题[4].

　　针对这个问题，政府部门做了很多的努力，比如在路边规划了很多的停车位，改建 新的停车场等，投入很大的人力和物力，不过见效甚微。随处停车、路边停车、绿化带 停车等现象屡禁不止，交通堵塞也迟迟不见效果。究其原因[5],传统的停车场就是车辆 的简单排列，车辆的占地面积一定的情况下，单纯的通过扩大面积来停放更多的车，很 显然是杯水车薪。在城市高速的扩展下，城市可用的土地资源被用在新建住宅和商用等， 在已经成熟的片区，很难会有面积合适的地段被用来建设停车场[6].随着城市建设的不 断细化和深化，人口只会越来越多。在这些寸土寸金的地方，车辆的保有量也是不断刷 新记录。如同交通堵塞一般，由于前期规划不合理，在一些城市的中心，老旧的小区里 面，并没有考虑到现在的发展情况，业主们每天都在上演抢车位[7].停车难不仅是政府 部门亟待解决的大难题，由此引发的家庭和社会的矛盾，不可小觑。

　　在无法新建更多的停车场时，立体车库的出现很巧妙的解决了这个问题，利用空间 上的优势，不仅满足了车主对停车位的需求，也使得更多的土地资源可以有效的被开发 商加以利用和改善，不失为一条招商引资的锦囊妙计。立体车库[8]抛开人工值守，全面 实现智能化的操作不仅可以有效的改善城市的交通状况，同时也能够带来非常可观的社 会效益。不需要占用过多的土地，就可以实现车辆大规模的停放。为解决停车难的问题， 提供了一个全新的解决思路，其优势不言而喻。不过由于我国汽车配套产业的发展比较 晚，造成了立体车库的推广和应用起步也都比较晚，在生活中，立体车库并不常见。而大的差距。因此更是需要我们进一步研究开发一套完整的集自动化控制、IC 卡识别、 传感器检测、存取车状态显示于一体的立体车库存取车控制器系统[11].这样的控制器可 让存取车变得更加便捷和数字化，对于推动我国立体停车设备的工业发展具有一定的积 极作用。

　　综上，本文主要研究了一种基于 51 单片机的立体车库存取车控制器，该控制器系 统使用射频卡记录车辆的信息，通过读卡器实现对车辆进行身份识别，认证成功后，用 户通过显示屏选择相应的存取车操作。然后单片机通过 CAN 通信协议控制伺服电机， 实现车库门的开启和关闭，同时播放相应的提示语和欢迎语，使用光电传感器以及超声 波雷达对车身有无越界进行精确定位和报警。最后通过 CAN 通信将车辆的状态传输到 上位机中进行实时监控和显示，在上位机中可以进行计时收费或者报警提醒等操作，作 为一种有效的延伸，使得设计可以更加的实用。采用升降横移式立体车库，优点主要表 现在制造方便，并且控制简单，在存取车方面整个过程耗费时间比较短，由于操作界面 友好，可以适应不同的人群，所以能够很好的满足不同层次的存取车要求，在解决停车 难问题方面可以提供一定帮助，具有一定的应用和推广价值。

　　1.2 研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　1.2.2 国内研究现状

　　1.3 研究内容及论文结构

　　1.3.1 研究内容

　　1.3.2 论文结构

　　第 2 章 立体车库的总体设计

　　2.1 立体车库的分类

　　2.2 立体车库的选型

　　2.3 立体车库的结构

　　2.4 控制器的功能设计要求

　　2.5 本章小结

　　第 3 章 立体车库控制器的硬件设计

　　3.1 单片机控制模块

　　3.1.1 单片机的功能

　　3.1.2 单片机最小系统

　　3.2 身份识别模块

　　3.3 显示模块

　　3.4 报警模块

　　3.5 电机控制模块

　　3.5.1 单片机 CAN 通信电路

　　3.5.2 CAN 总线 OSI 模型

　　3.5.3 CAN 总线报文

　　3.5.4 CAN 数据错误检测

　　3.5.5 CAN 通信协议

　　3.6 上位机模块

　　3.6.1 RS485 总线

　　3.6.2 MODBUS 通信协议

　　3.7 本章小结

　　第 4 章 立体车库系统程序设计

　　4.1 软件开发环境

　　4.1.1 单片机开发环境

　　4.1.2 串口屏开发环境

　　4.2 单片机程序设计

　　4.2.1 单片机控制程序设计

　　4.2.2 显示屏的程序设计

　　4.3 上位机开发环境

　　4.4 上位机程序设计

　　4.4.1 上位机的主要功能

　　4.4.2 登录功能模块

　　4.4.3 串口功能模块

　　4.4.4 车库状态功能模块

　　4.4.5 报警信息功能模块

　　4.4.6 计时收费功能模块

　　4.4.7 数据库功能模块

　　4.5 上位机通信协议

　　4.4 本章小结

　　第 5 章 立体车库系统仿真分析

　　5.1 硬件电路仿真软件

　　5.2 仿真结果分析

　　5.3 本章小结

　　第 6 章 总结与展望

　　6.1 总结

　　本文采用模块化设计，以 51 单片机为硬件基础，使用 KEIL 和 QT 作为编译器，进 行程序设计和上位机软件的设计，最后进行立体车库的仿真测试。结果表明，本文设计 的立体车库控制器达到了预期的设计目标，能够给用户一个简单方便的操作环境，替代 人工值守模式，具有一定的推广和应用的价值。简而言之控制器分为以下几大部分：

　　第一部分是选用外围读卡器进行身份识别，选择使用非接触式的通信方式，有利于 用户方便的存取车操作。等到身份识别成功后，就可以成功的唤醒单片机，单片机处于 正常运行的状态，等待用户进行下一步操作。

　　第二部分是用户选择操作后，单片机控制电机进行相应的存取车的操作，并且在此 过程中把传感器的数据实时的发送到上位机中进行检测和管理。单片机通过电动机控制 电路 AB 两点的高低电平来控制车库门电机的正反转动，并且光电传感器作为车身越界 传感器，提高了存取车过程中的安全性。使用 LCD 液晶显示器来实现监控，通过显示 器上显示信息，可以更直接观察到是在进行存车还是取车步骤。设计完成的存取车控制 器可以为用户提供一个安全、简易的使用环境，取代效率低下的人值守存取的模式，提 高立体车库的自动化以及智能化程度。

　　第三部分是上位机监控系统，可以实现实时监控和计时收费等功能，是对单片机控 制器的一种有效的扩展，方便管理员对立体车库中数量可观的车库进行有效的管理，增 加了整个系统的有效性和便捷性，减少了人为操作出现失误的可能性。 第四部分就是对上述的系统通过仿真软件进行了验证。通过实验结果可以得出，本 文设计的基于 51 单片机的立体车库存取车控制器的设计是满足设计要求的，基本上达 到了设计的要求。

　　6.2 展望

　　当然由于时间的关系，论文还有很多的不足之处。针对收费系统，只是提供了最后 的计算出来的收费金额，并没有提供收费的接口，希望能在以后的设计中，可以设计实 现这个功能，通过使用二维码等接口，远程调用支付宝或者微信的支付方式，在手机上 就能够实现支付，这对于立体车库的普及是具有积极意义的。

　　当然由于立体车库的特殊性，只是在软件上进行了仿真，其真正的实用性还是需要 进一步的去验证和优化。从单片机的选型到上位机的设计和实现，这些过程中有很多需 要优化的地方，希望以后能够有时间对上述的不足之处进行升级和优化，同时也希望在立体车库研究方面能够有更多的人去推动这个行业在中国生根发芽，发扬光大，解决现 在停车难的问题。

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致 谢

　　本文是在导师王佐勋老师和校外导师元伟利老师的指导下完成的。过去的几年里， 不管是选择论文题目还是项目研究过程中，都无处不在的留有导师的身影，悉心关怀着 课题研究的发展。面对一个新的研究领域，每当出现困难时，两位导师都会给我足够的 信心和详细的指导，以鼓励我努力向前迈进，并激励我积极参与科研探索。在研究生的 学习过程中，我不仅学习到了理论知识，提升了自身的技能，更重要的是更加深入的了 解了学习的重要性。导师的专业精神将在我一生中成为宝贵的精神财富，我愿致以最崇 高的敬意和感激之情，希望在科研的道路上越走越精彩。

　　最后我要感谢在硕士研究生学习阶段给予过我帮助的朋友和同事，他们不仅给予我 知识上的指导也给予了我极大的精神支持。

　　在本文的最后，我衷心的感谢我的家人的理解和支持，他们的无私奉献以及他们的 精神一直鼓舞着我，一直是我奋发向上的动力源泉。在这里，我再次真心地向所有关心、 支持和帮助我的老师、同事、朋友和家人们表示最真挚的感谢，谢谢大家！

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