基于单片机的垂直循环式立体车库的研究与设计*

樊国秋，黄 晨，罗琴娟

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

0 引 言

随着中国经济社会持续快速发展，机动车保有量保持快速增长态势，而停车位缺少，停车费用高等问题随之而来，进而导致城市交通拥堵，秩序混乱，给人民的生活带来极大的不便，停车难成为城市发展的一大痛点[1]。立体车库作为一种新型的停车形式，具有节省占地面积、节约投资、出入库管理方便、省时省力、能有效保障车辆安全以及配置灵活的特点，成为有效改善城市静态交通的必然选择[2-3]。笔者以STC12C5A60S2单片机为控制核心，运用霍尔式接近开关、光电开关对停车位的序号及状态进行检测，设计了一种集六个停车位于一体的立体车库模型。通过按键输入用户指令，由单片机控制直流减速电机的转向和转速，从而使目标车位在最短时间内旋转至车辆出入口[4]，实现了车辆自动存取的功能。

1 系统结构设计

1.1 立体车库系统整体结构

垂直循环式立体车库系统以模块化的设计思路为主导，主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统模块、供电电源模块、电机驱动模块、传感器检测模块、按键模块、显示模块等[5]，系统结构框图如图1所示。

图1 垂直循环式立体车库结构框图

用户通过按键输入存取车指令信息[6]，单片机控制系统获取该信息，并根据安装于车辆进出口的3个霍尔式接近开关检测到由永久磁铁编码的车位序号，通过当前车位序号得到目标车位所在位置[7]，判断得出目标车位旋转至车辆出入口的最佳转动路径并控制电机运转，由LCD显示存取车动态信息，由状态指示灯显示设备的运行与停止，当霍尔式接近开关检测到目标车位序号时，表示目标车位已运转至车辆出入口，单片机控制电机停转，从而完成存取车操作。

垂直循环式立体车库的模型结构[8]如图2所示。

图2 垂直循环式立体车库模型结构

1.2 立体车库工作原理

STC12C5A60S2单片机上电之后系统运行情况如图3。系统上电初始化完成后，进入等待按键状态，此时立体车库状态指示灯红灯亮，警示用户勿近，单片机通过LCD显示时间和操作信息，指导用户使用设备。

图3 垂直循环式立体车库工作原理图

当用户按下存车键时，单片机调用存车控制处理函数，自动为用户寻找最近空车位，并通过LCD显示“车位寻找中，请稍候…”，待空车位运转至车辆出入口后，光电开关再次对目标车位的无车状态进行确认，确认为空车位后，由LCD显示信息“已找到空车位，车位序号为X(X对应6个车位序号1～6)，请记住您的车位号”，状态指示灯绿灯亮，示意用户可进行停车操作，之后，单片机将此车位标记为“1”，并记录停车时间，开始停车计费，LCD显示屏返回主界面。若系统已无空车位，则通过LCD显示“车位已满”。

当用户按下1～6任意数字键时，表示用户要进行取车操作，取车的车位号即对应用户按下按键的数字序号，单片机通过LCD向用户显示停车时长及停车费用等信息，并驱动电机将目标车位旋转至车辆出入口，到位后通过LCD显示信息“已取到X号车位汽车，欢迎下次使用”，状态指示灯绿灯亮，示意用户可进行取车操作，之后，单片机将该车位序号状态置为“0”，LCD显示屏返回主界面。若按下数字键为空车位，则通过LCD显示“该车位为空，请重新输入！”。

2 硬件电路设计

单片机硬件电路如图4所示。

图4 STC12C5A60S2单片机硬件电路

2.1 STC12C5A60S2单片机最小系统模块

垂直循环式立体车库采用STC12C5A60S2单片机来控制各个系统的运转。立体车库有存取车功能、车位检测功能、控制电机转向及转速功能、显示停车时长及立体车库运行状态功能等[9]，利用STC12C5A60S2单片机高密度非易失性存储器技术，高速、低功耗、超强抗干扰，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC12C5A60S2为众多嵌入式控制应用系统提供灵活有效的解决方案[10]。STC12C5A60S2单片机最小系统原理图如图5所示。

2.2 供电电源模块

垂直循环式立体车库模型由两路电源供电：一是供给直流减速电机，二是供给STC12C5A60S2单片机。直流减速电机工作电压为24 V，采用型号为QZ-120-24的开关电源，该设备可将交流输入110/220 V转换为直流电压输出24 V,电流输出5 A，在本设计中，开关电源用于对直流减速电机供电。单片机工作电压为3.5～5.5 V，采用USB接口的外接电源。此外，为保证液晶显示屏时钟的准确性，使用3 V的纽扣电池单独为时钟供电。

图5 STC12C5A60S2单片机最小系统原理图

2.3 电机驱动模块

本设计中直流减速电机基于LMD18200芯片进行驱动，LMD18200芯片原理图如图6所示。电机驱动使用了1路PWM，即采用双极性驱动方式，该PWM信号中既包含方向信息又包含幅值信息，将该信号加于方向输入端(脚3)，同时将PWM信号输入端置逻辑高电平[11]。使用时，根据PWM控制信号的占空比来决定直流减速电机的转速和转向，当占空比为50%时，输出平均电压为0，电动机不转；大于50%时，输出平均电压大于0，电动机正转；小于50%时，输出平均电压小于0，电动机反转[12]。输出电流通过8脚与地之间的电阻转换为电压信号。

图6 LMD18200原理图

2.4 传感器检测模块

车位检测器由3个霍尔式接近开关和1个光电开关组成。霍尔式接近开关为LJ12A3-4-Z/BX的电感式接近开关，输出方式直流三线常开NPN，工作电压为直流6～36 V，根据霍尔效应，当有磁铁接近并达到感应距离时，振荡器产生的交变磁场在磁铁内产生涡流，从而导致震荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的[13]。光电开关的型号为E3F-R2NK，输出形式为直流三线常开NPN，工作电压为直流10～36 V，检测方式为镜面反射型。首先将被测量的变化转换成光信号，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号[14]。

2.5 按键模块

按键模块原理图如图7。行线KEYLINE1和KEYLINE2为输出线，列线KEYCOL1～KEYCOL4为输入线，一开始单片机将行线全部输出低电平，此时读入列线数据，若列线全为高电平则没有按键按下，当列线出现低电平时调用延时程序去除按键抖动，延时后再判断是否有低电平，如果此时读入列线数据还是有低电平，则说明有键按下。判断列线有键按下后，行线轮流输出低电平，根据读入列线的数据可以确定键值。确定好键值后，即可调用对应的键处理程序。在立体车库模型中，将KEY11置为存车键，KEY12～KEY17对应取车车位编号1～6，KEY18预留备用。

图7 按键模块原理图

2.6 显示模块

显示模块由发光二极管和液晶显示屏组成，液晶显示屏原理图如图8。发光二极管有红、绿两个，用于显示设备运行状态。液晶显示屏有时间显示、用户操作指导、设备运行流程互动、停车时长及停车费用显示等功能。利用STC12C5A60S2系列单片机的I/O口可设置成弱上拉，强推挽输出，仅为输入，开漏四种模式的特性，当驱动发光二极管时，将该I/O口可设置成强推挽输出，输出高即可点亮发光二极管；当检测按键时，将该I/O口可设置成弱上拉输入，即可检测按键。而要利用STC12C5A60S2系列单片机的I/O口直接驱动LCD，还需要液晶显示底层函数加以辅助[15]。

图8 液晶显示屏原理图

3 软件设计

程序流程图如图9所示。上电后初始化，配置好相关寄存器，进入等待按键状态，当有按键按下时，依据不同键值调用不同的键处理函数，从而实现存取车的功能。

4 测试结果

系统上电后程序运行灯亮，程序运行正常，LCD显示时间与信息准确；按下任意存车键或取车键，传感器检测车位序号与状态功能正常，单片机能正确控制直流减速电机的平稳运行与停止，LCD与状态灯提示信息正确；停车时长及费用计算准确，系统运行良好，设备安全可靠，操作简单，运转快捷高效，能够满足用户实际的存取车需求。

5 结 语

本系统利用模块化的设计思路，实现了垂直循环式立体车库存取车功能，具有安全可靠，快捷简便，经济适用等特点，解决了在土地资源紧张的情况下停车难的问题，对舒缓交通压力，改善城市宜居性等具有重要的现实意义。立体车库作为崭新的停车方式，前景广阔，其结构设计和制作安装技术亟待出台相关规范进一步完善，使其得以推广与发展。