基于PLC和GD32單片機(jī)的立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計

安國慶 齊玉 張春平

摘要：如今在中國，私家車的總數(shù)量在逐年遞增，那么停車難的問題也隨之而來，為了緩解這種情況，立體車庫成為了緩解這種狀況的選擇之一。本設(shè)計依據(jù)升降平移等立體車庫運行原理，以西門子為控制核心，搭配單片機(jī)設(shè)計一套立體車庫控制系統(tǒng)，并且搭載了模塊使通信距離更廣，控制系統(tǒng)設(shè)計靈活。同時用戶使用手機(jī)完成入庫以及取車等操作，并有云端物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向發(fā)送命令，真正的實現(xiàn)停車自動化、智能化。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);;立體車庫;

一、引言

隨著當(dāng)今時代的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平不斷提高，私家車不再是奢侈品，伴隨車輛增多并且土地資源緊張這一社會現(xiàn)狀，老式的地下停車場以及戶外的露天停車場已經(jīng)飽和，我國汽車保有量仍然連年增長，許多城市的繁華地區(qū)，醫(yī)院乃至小區(qū)都面臨著停車難這種情況，停車難也已然成為阻礙我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的停車方式依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但是面對城市人口居住面積增大，必須提高土地利用率，新興的立體車庫可以有效地解決這一問題。立體車庫相對于傳統(tǒng)的停車場設(shè)有垂直升降，水平平移等功能有占地面積小，停車效率高等優(yōu)勢，但依然有需要解決的維護(hù)費用高，人機(jī)交互困難等一系列問題[1]。本文利用PLC技術(shù)控制系統(tǒng)，提高車庫的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，更容易實現(xiàn)自動化，使人機(jī)交互順利進(jìn)行，另外還應(yīng)用到傳感器，圖像識別，云平臺等技術(shù)。

二、系統(tǒng)工作原理

本車庫八排六列三層高，采用西門子為核心的控制系統(tǒng)，選用滿足脈沖輸出和高速計數(shù)器輸入[2]， 模塊本體集成個以太網(wǎng)接口和個 接口，其結(jié)構(gòu)大致包括升降系統(tǒng)、平移系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機(jī)架系統(tǒng)，升降系統(tǒng)是用來使單個板子完成升降，實現(xiàn)車的存取，而平移系統(tǒng)是利用傳送帶帶動板子完成車輛的平移。當(dāng)汽車駛?cè)胲噹斓桨遄由?，車主須掃碼登陸的同時，超聲探測器輔助壓力傳感器確認(rèn)車上人是否離開此區(qū)域，數(shù)據(jù)上傳至云端后，云端將信號編譯反饋至控制系統(tǒng)，與此同時，壓力傳感器和超聲模塊發(fā)出信號到單片機(jī)，接收到信號后，單片機(jī)將信號傳輸給模塊[3]，通過網(wǎng)絡(luò)作用與端的接收模塊，將收到的信號通過電平信號控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)。傳送帶帶動板子移動到指定位置，再次給信號給，在通過繼電器交流控制步進(jìn)電動機(jī)完成對應(yīng)指令，車主取車時只需用手機(jī)將取車信號傳遞給云端，系統(tǒng)根據(jù)停車時長計算費用，付款后控制系統(tǒng)會驅(qū)動將板子放上傳送帶，將車送至門口，門口處有圓盤可以利用掉轉(zhuǎn)車頭即完成取車過程。過程如圖1：

考慮到車輛停放版的穩(wěn)定性以及停車的準(zhǔn)確性，板子上需設(shè)置矩形壓力傳感器，并且表面設(shè)置凹槽增大摩擦防止車輛滑行，可以有效保證人和車的安全，另外車輛停放板的中心裝有水平傳感器，可以及時發(fā)現(xiàn)板子傾斜等情況，另外在運送車輛過程中也可以保證板子和車輛發(fā)生碰撞等危險情況，更好的保證了車庫的安全性。機(jī)架結(jié)構(gòu)均由鋼架焊接與鉚接制成，車庫的每個車位之間均采用可移動的連接形式，使的維護(hù)簡單，安裝成本低，另外在升降系統(tǒng)中裝設(shè)抖動檢測裝置，保證車輛升降過程的安全穩(wěn)定。

三、控制系統(tǒng)方案

本設(shè)計將采用三臺三相交流電機(jī)作為主要動力輸出，將用于實現(xiàn)車輛停放板塊的水平方向和層數(shù)的移動，同時安放小型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行被控制交流電機(jī)對于車輛停放板塊的定位。一層設(shè)置轉(zhuǎn)臺，用于車輛在進(jìn)入車庫和離開車庫的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向臺下方設(shè)置步進(jìn)電機(jī)。其所有電機(jī)的控制由西門子進(jìn)行控制，電機(jī)布置位置如圖2：

圖中是橫軸方向的電機(jī)，用于控制車輛停放板的橫方向移動，其控制橫的標(biāo)號由輔助步進(jìn)電機(jī)決定;圖中電機(jī)是縱軸方向電機(jī)，用于控制車輛停放板的縱方向移動，其控制縱坐標(biāo)的標(biāo)號同樣由輔助電機(jī)決定;是層數(shù)曳引電機(jī)，用于將車輛停放板拖到目標(biāo)層數(shù);是步進(jìn)電機(jī)，用于控制車輛?？糠较虻霓D(zhuǎn)向。電機(jī)旁設(shè)計動力配電箱，動力配電箱旁設(shè)置控制柜，控制柜內(nèi)安裝和無線通訊裝置。輔助步進(jìn)電機(jī)用于選擇控制軸，在選擇控制軸時必須在同一層的電機(jī)停轉(zhuǎn)的時刻進(jìn)行切換，中央控制器將會對步進(jìn)電機(jī)發(fā)送固定數(shù)量的脈沖信號，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)切換。

每塊停放板的下方都有壓力傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)，壓力傳感器會記錄各個時刻停放板上方是否受力，如有受力則代表此停放板有停放車，同時會記錄時間，檢修人員可以通過這個時間來判斷停放板的壽命。為了防止是否誤判，停放板的中心位置安裝超聲模塊;超聲會檢測車輛底盤與停放板的距離，如果檢測距離過大或過小，則系統(tǒng)也會判定為空車或者與其他停放板堆疊。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)分為區(qū)域單片機(jī)電路和接線電路，首先區(qū)域單片機(jī)電路由單片機(jī)作為控制芯片，車輛停放版的四周設(shè)置四個壓電式壓力傳感器。壓力傳感器會在停放板上承受以上并且均勻分布的重量時，同時觸發(fā)，此時超聲定位系統(tǒng)會檢測此時是否為誤觸發(fā)。同時單片機(jī)上連接無線模塊，主控制器會通過無線模塊實現(xiàn)與單片機(jī)之間的通訊[4]，用于接收車輛停放版是否有車，或者是否有人沒下車。其次是接線圖，其電機(jī)控制的端口分配如表3，軟繼電器輸出對應(yīng)交流電機(jī)、、;輸出端、、對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖輸入端。的控制箱內(nèi)設(shè)置無線傳輸裝置，用于發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)管理平臺以及聯(lián)系各個車輛停放板上單片機(jī)的收發(fā)裝置，它會接收單片機(jī)發(fā)送來的車輛停放信號以及在立體車庫的位置信息，并且會把這些信號發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)管理平臺

在交流電機(jī)上分別裝有換向器，由小型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，以便交流電機(jī)對其指定編號位置的車輛停放板定位，并且能夠曳引號板，在換向器出設(shè)有一塊單片機(jī)，用于識別上接收到傳來的信號。步進(jìn)電機(jī)選用型步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器由與單片機(jī)之間采用光電耦合元件進(jìn)行光電隔離，以達(dá)到延長電路壽命的目的。在收到切換信號時，單片機(jī)會向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖，步進(jìn)電機(jī)在接收到脈沖時會旋轉(zhuǎn)一定的角度，所以可以利用內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換的操作。

在系統(tǒng)中如何對車輛停放板的精準(zhǔn)控制是一個問題，該問題可以用的比例積分微分控制來解決?？刂埔驗閿?shù)學(xué)模型簡單、穩(wěn)定性和可靠性高而廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，并且西門子中包含了指令，這樣可以簡化編程的難度。在車輛停放板的移動以及在進(jìn)行樓層之間的移動時引入控制，可以將減小穩(wěn)態(tài)誤差降到很低，并且能夠精準(zhǔn)的停放在指定位置，避免車輛停放板或者車輛損壞。

五、總結(jié)

如今是一個每家都有車的時代，在一些公關(guān)場合停車難是一個大問題，本文描述了利用和單片機(jī)設(shè)計的立體車庫設(shè)計方案，由模塊進(jìn)行通訊以及組網(wǎng)并發(fā)送至云平臺，搭建了一套能夠?qū)崿F(xiàn)車輛停放板在規(guī)定的范圍進(jìn)行移動的系統(tǒng)。本設(shè)計利用作為中心控制器，用于接收及發(fā)送的信號，并且將指定信號進(jìn)行編碼發(fā)送至云平臺;單片機(jī)作為車輛停放板定位以及檢測車輛有無的功能。本系統(tǒng)也設(shè)計了交流電機(jī)的換向控制系統(tǒng)，并且利用控制進(jìn)行車輛停放板的精準(zhǔn)位置控制。由于本設(shè)計主要以和單片機(jī)為主，云平臺部分不會詳細(xì)說明。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉， 宋華成， 肖偉. 江蘇某人防機(jī)械立體車庫設(shè)計要點探析[J]. 安徽建筑， 2022， 第29卷（1）：81-82.

[2]廖常初. PLC編程及應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.

[3]鐘永鋒， 劉永俊. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京郵電大學(xué)出版社， 2011.

[4]董海濤， 屈玉貴， 趙保華. Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2007， 33（12）：3.

作者簡介：

安國慶（1999-），男，漢族，山東日照人，吉林建筑大學(xué)本科在讀，電氣方向。