代码收藏家 STM32单片机控制的智能停车场车位管理系统设计
通过调查发现，现有的许多公共场所的停车位管理落后，智能化程度不高。为顺应现代自动化狂潮的发展趋势，本项目以STM32单片机为主控芯片，基于RFID智能识别技术，设计了一个具有IC识别的智能停车场。该停车场包含功能有：IC卡身份识别；门闸控制；TFT彩屏显示；车位检测。其具体工作流程为：首先，使用IC识别装置识别车主的IC身份牌，并将识别到的数据与数据库进行比对，确认是目标用户，则根据车主需求引导车主到空闲车位停车或到车位取走车辆；当车主开始停车，则计费开始，当车主取走车辆，则计费结束，并从车主的账户扣除停车费用，过程中的操作数据都将上传云端数据库，并显示于TFT彩屏上。在以上所描述的过程中，系统通过红外测距传感器检测用户停车完成或取车完成，通过控制舵机来模拟闸门的开关，整个过程全由系统自动操作，不需要任何人为操作。由于采用数字化管理，系统工作过程严谨，并且节省了大量人力、物力。待本系统投入使用，可以帮助车主快速找到车位，并完成停车、取车操作，节省人力成本，促进停车场管理的现代化，提高停车场的效率，并间接缓解城市的交通压力。
关键词：STM32；智能停车场；车位；现代化
Through the investigation, it is found that the management of parking spaces in many existing public places is backward and the degree of intelligence is not high. In order to comply with the development trend of modern automation, this project uses STM32 as the main control chip, and designs an intelligent parking lot with IC identification based on RFID intelligent identification technology. The parking lot includes the following functions: IC card identification; Gate control; TFT color display; Parking space detection. The specific work process is as follows: firstly, the IC identification device is used to identify the owner's IC ID card, and the identified data is compared with the database to confirm that it is the target user, and then the owner is guided to park or pick up the vehicle in the free parking space according to the needs of the owner; When the owner starts parking, the charging starts. When the owner takes away the vehicle, the charging ends and the parking fee is deducted from the owner's account. The operation data in the process will be uploaded to the cloud database and displayed on the TFT color screen. In the process described above, the system detects whether the user stops or picks up the car through the infrared distance sensor, and simulates the opening and closing of the gate by controlling the steering gear. The whole process is automatically operated by the system without any manual operation. Due to the use of digital management, the working process of the system is rigorous, and a lot of manpower and material resources are saved. When the system is put into use, it can help car owners quickly find parking spaces, complete parking and pick-up operations, save labor costs, promote the modernization of parking management, improve the efficiency of parking, and indirectly alleviate the traffic pressure of the city.
Keywords: STM32;Intelligent parking lot;parking stall;Modernization
1.1 课题背景
停车场的意义是给人类提供便利条件的设施场所。停车场的工作内容主要是供人们提供停放车辆，收取停车费用等。是构成我国城市交通基础设施的重要组成部分。停车场的分类用很多种，最普遍的按照停车位置可以分为公共停车场、道路停车场和专用停车场；按按停车车辆性质分为机动车停车场和非机动车停车场；按建筑类型分为地面停车场、地下停车库和地上停车楼。
现如今，随着我国经济和科技的快速发展，随着中国近年来城市化进程的加快，汽车工业的迅猛发展，人民生活水平不断提高，城镇居民的汽车保有数量正在保持高速地增长，“停车难” 早已成为城市发展途中要迎接的新挑战。要旨在解决停车位短缺的问题，要加强公共停车设施建设只是一方面，另一方面更重要的是要提高停车效率，而要使停车效率进一步提高，就要进一步发展停车管理系统，对其提出了更高、更精确的要求。因此，智能停车管理系统应运而生。它的出现改变了停车管理系统的运行模式，减少人力需求，降低了人为操作失误的概率，为解决“停车难”问题提供了新思路。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国内停车现状
中国的汽车保有量正在迅速增长。自2017年底起，截至到2018年底，只短短一年的时间，全国汽车保有量便增加了2285万辆，达到了2.4亿辆，增长幅度在10%左右。
停车设施需求也随着汽车保有量不断的增长而扩大。根据相关预测，我国停车位在2018年的需求量达到了将近3亿个。按照目前这个趋势，汽车保有量进一步提高将会是一个不争的事实，而到2019年，我国停车位需求量达到3.3亿个也是必然的。与汽车保有量愈来愈快的增长相比，中国停车位的建设进展却显得十分缓慢，汽车保有量的不断增长也给中国停车场的建设提出了更多要求。
1.2.2 国外发展现状
目前，国外停车场智能收费系统经过半个多世纪的发展，已经基本进入了智能化收费的阶段。其使用的收费介质己由传统接触读写类型收费介质转变为非接触类型的新型收费介质。国外停车场智能收费系统一般采用高度智能化的专用设备，可以实现收费系统的无人化操作。设备制造工艺精良，系统稳定性和产品技术水平达到较高水平。国外停车场智能收费系统的一个显著特点是停车交易支付手段的电子化程度非常高，基本上不存在现金交易的现象。而且许多国外停车场暂能收费系统还配备了停车车位引导系统、停车车位查询系统等智能化设备，使停车场智能收费系统的功能更加完善和丰富。
目前，一些国外停车设备厂商正在研究能够实现“网络化存车”的停车场智能收费系统。该管理系统能统—调度车位资源，统一进行交易结算。停车用户在家中通过网络就可以预定停车车位，交纳停车费用，查询出行目的地的各类停车信息。这种新型停车场管理方式适应了INTERNET网络在人们日常生活中越来越普及的现状，使停车场智能收费系统的作用范围和功能得到了极大的扩展和延伸。当然停车场智能收费系统在采用大星先进技术的同时，其系统的造价非常高昂，技术实现难度增大，系统维护成本高[1，2]。
1.2.3 国内外现状对比
与发达国家相比，我国智能停车管理系统的现状仍然相对落后，技术水平有明显差距。总的来说，中国的大多数停车场智能系统的智能性和运行效率仍然很低，这不能完全满足社会的需要。虽然中国已经研究了很多功能，比如计费功能和车辆识别，并取得了一定的效果，但是目前就人性化而言，停车位信息向社会“透明化”和监督车辆安全还是欠缺考虑。未来，我国的智能停车管理系统的发展方向应该向着智能化、网络化、人性化方向发展。
1.2.4发展前景预测
根据有关预测，截止到至2020年为止，我国的停车位需求将会增长至3.3亿个左右，而截止到2027年为止我国的停车位将增长至5亿个左右。通过以上数据不难看出，现如今停车位缺口与日俱增的情况，必将会刺激我国的智能停车服务行业快速发展、高速成长。经预估，在今后的几年中，我国智慧停车市场的规模将会持续不断地以20%左右的速度保持增涨，按照这个速度，在2020年增长至154亿元似乎指日可待。而随着互联网5G大数据的时代到来，以及不断更新换代、与日成熟的物联网与人工智能技术等利好因素的叠加，我国智能停车服务行业未来的市场空间是十分巨大且值得期待的。
当今这个时代，越来越多的私家车司机选择了智慧停车，这将会使我国2021年停车市场的整体规模从原本的5000亿元达到万亿元。这个数字的增长令人心惊，也让人们意识到目前智能停车场的发展形势是十分迅猛的。由现实中的种种案例不难看出，智慧停车所提供的便利性是非常明显的，若将此系统投入到乡下老旧小区等，便可以让智慧停车在发展ETC的浪潮中步入正轨。其可以补掉如今繁忙城市停车场的短板。这样也可以轻松解决各方人士对此智慧停车的诉求都不相同这一问题。
1.3 研究意义
停车场作为交通设施的组成部分，随着交通运输的繁忙和不断发展，人们对其管理的要求也不断提高，都希望管理能够达到方便、快捷以及安全的效果。由于停车场的收费管理是一项内容简单却费时费力的工作，因此，越来越多的物业公司需要有一种智能化的停车场能够代替人力，对业主的车辆进行管理和收费。因此，为顺应时代的发展，人民的需求，节省人力，提高社会生产力，该项目所研究的智能停车场系统就拥有了重要的意义，将会是人民的福音。
1.4 本文主要研究内容和组织结构
本文先介绍了智能停车场建设的背景和建设的意义。然后介绍了该智能停车场开发初期的方案选择。接着分别从硬件和软件的方面解析了系统的构成内容，采用各个模块优缺点鉴别的方式介绍的硬件的内容，采用软件流程图和子程序剖析的方式介绍软件的内容。最后对系统的测试运行效果作了简要的介绍。
该论文运用文献研究法、信息研究方法、文本细读法、描述性研究法、综合分析法、经验总结法等方法进行研究。
文章的组织结构为：
第一部分主要介绍了智能停车场建设的研究背景、现状和意义，并说明了文章的内容及结构。
第二部分主要介绍了该智能停车场系统的方案选择，通过分析不同方案的优缺点，统筹兼顾，来敲定最终的实施方案。
第三部分主要剖析了该智能停车场的硬件部分和软件部分的内容与特点。
第四部分主要展示实物的运行效果，验证方案的可行性。
2.1 智能停车场
智能停车场工作内容一般主要有两部分，一是接待车主，二是计费。其具体的工作流程为：首先，需要验证访客（想要停车的车主）的身份信息，确认该访客是否为目标客户；然后，若是验证通过，则为车主挑选空闲车位，并打开闸门，为车主放行，并开始为车主的车辆计时；待得车主再次回来取走车辆，则为车主计算停车费用，然后为车主打开闸门，让车主取走车辆。与传统的由人工看护的停车场相比，该智能化的停车场有以下几个优越的特点：
1、具有严格规范的收费管理系统。一旦车主开始停车，则系统会自动启动计费模式，并严格按照计费规则进行计费和收费，避免了传统停车场计费、收费过程中的人为失误或人情因素的影响。
2、具有较高的防伪性能。本系统停车收费采用专用的是IC卡或其他可作为身份凭证的设施，按照一人一码制度，根据配套身份验证码来验证身份信息。可以避免传统停车场接待车主的过程中对车主身份误确认的事情发生。
3、具有高度安全、稳定、健全的管理系统。智能化停车场带有严格、健全的数字化管理系统，工作过程井井有条，避免了传统停车场工作过程中由于停车位过多导致数据内容紊乱的现象发生。
2.2 射频识别技术（RFID）
自20世纪80年代起，RFID自动射频识别技术开始逐渐走向成熟化。它的目的是利用射频的方式来实现非接触式双向通信交换数据，用以自动识别。与传统的磁卡、IC卡相比较，非接触是射频卡片存在的最大的优势，同时也是因为它是非接触卡，读写冲突、RFID安全、隐私保护、天线和RFID定位也成为了RFID技术在应用中的重点、难点和特点。
技术的原理为：车主将RFID卡安装在车内，当车快行驶到停车场时，车速减慢，在有效的读卡范围内，卡/读卡器自动发送信号，待读卡器/卡接收到信息并作判别是否有效后，控制道闸升杆，从而实现不停车通行。
值得注意的是，现如今车辆所使用的RFID卡一般分为有源卡和无源卡两种类型。这两种RFID卡之间最显著的区别如下：
（1）有源RFID卡内置电池，工作频率为2.4GHz，其作用原理是要通过RFID卡主动向外发射无线电信号，并借由该信号将卡片内置的信息传输给读卡器。现如今市面上所使用的大多数有源RFID卡的有效穿透距离一般为5-10m，在该距离内无线电信号具有极其强悍的穿透性，无论面对是水泥墙亦或是贴有车膜保护的玻璃都可以有效的进行穿透。
（2）无源RFID卡内部不装配有电池，工作频率为900MHz。因其内部未装配电池，无源RFID卡的供电依赖于读卡器发送的电磁波工作，电磁波传递到无源卡内部后，可以振荡无源卡内部的线圈使其产生电压与电流。在电路接通后，无源卡可以将卡片内部存储的信息传递回读卡器，并借由读卡器对信息作出合理判断。由于其工作特性的限制，无源卡的有效读卡距离来说较有源卡短很多，一般为1-2m左右。且该距离的长短还取决于无源RFID卡身处的环境是否有其他的影响、读卡器的性能好坏、卡自身的性能好坏。相较于有源RFID卡而言，无源卡制作的成本更为低廉，但是其本身的穿透性不强[3]。
RFID技术同其它技术比较而言具有以下优势：
（1）具有成本上的优势；
（2）相对来说RFID 定位技术对环境的要求并不是很高，并且很少会受到周围的环境影响，其定位精度相对较高，传输范围较大；
（3）RFID技术在不仅能够精确地定位物体，而且还能够读取定位目标中有关该对象的大量信息。
鉴于以上提到的RFID具有的一些优势，基于射频识别技术设计本系统，利用计算机管理系统获取停放在停车场的车辆的个人信息，包括停车场车位的数量和分布情况，这样便于车主顺利找到停车位置；在停车场入口位置，车主可以通过场内显示屏幕轻松地找到自己的车辆的所在位置；在出口处，根据车主刷卡进入停车场时记录的初始停车时间，可以方便地获取车辆的停车时间和应付费用。该系统具有复杂度低、易于实现和电子系统成本低等特点。定位精度高，抗干扰能力强。
2.3 射频识别系统的构成
（1）标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；
（2）阅读器(Reader)：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
（3）天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。
2.4 本章小结
本章主要介绍了智能停车场的主要功能和与传统停车场比起来的优势，射频识别技术的发展、原理和优势，以及射频识别系统的构成。
第3章 设计要求及方案选择
3.1 设计要求
本项目的目标是设计一个基于STM32F103系列单片机的智能停车场系统。工作过程中，首先，在停车位有剩余的情况下，需要对想要停车的车主进行身份验证，确认身份后打开闸门引导车主前往空闲车位停车；传感器检测确认车主停车完成后对车辆开始计费；当车主想要取车时，首先对车主进行身份验证，验证完成后，打开闸门，引导车主前往车位取车，然后收取停车费用。
具体要求如下：
（1）使用显示屏显示用户数据；
（2）对停车位是否停有车辆作出准确判断；
（3）对空余车位做出标识，引导车主快速寻找车位；
（4）对停车场已停车辆进行计费、收费操作。
3.2 方案选择
3.2.1 显示方案选择
对于该智能停车系统的用户数据显示方案现有以下两种。
方案一：采用OLED液晶屏显示用户数据。由于OLED功耗低，具有绿色、节能的优点。而且，OLED的点阵可以显示的内容丰富，能够满足系统的需求。OLED液晶屏相较于其它屏幕能做到更轻更薄，可视角度更大，同时耗电相对较少。但是其使用寿命较短、屏幕尺寸相对较小，不适于用作大型的屏幕显示。
方案二：采用TFT彩色显示屏显示用户数据。由于TFT彩色显示屏能够显示的颜色更丰富，能够提供给用户更好的体验。TFT彩色显示屏的反应时间约80毫秒，反应时间短、速度快，而且可视角度较大，一般都能达到130度左右，同时色彩饱和度性能也很高，基于TFT液晶屏的排列方式具有记忆性，即在电流消失后，画面不会马上恢复原状的原理，TFT彩色显示屏播放动态画面的能力是十分出色的。缺点则是与其它屏幕比较起来是相对更加耗电的。
方案敲定：为提供给用户更好的体验，同时，由于TFT彩色显示屏的功耗在可接受范围内，且在相同尺寸的情况下，TFT彩色显示屏要比OLED彩色显示屏的采购单价便宜上23%左右，TFT彩色显示屏成本更低，故选择使用方案二的TFT彩色显示屏。
3.2.2 门闸方案选择
对于该智能停车系统的门闸方案现有以下两种。
方案一：采用步进电机带动门闸打开/关闭。步进电机的转轴连接门闸的栏杆，需要采用驱动器驱动步进电机旋转，带动门闸打开/关闭。步进电机一个脉冲对应一个步距角，导致没有反馈信号，电机无法准确地了解具体位置，所以位置精度不是很高。步进电机适合低转速场合，转速调整范围较小的场合。
方案二：采用舵机带动门闸打开/关闭。舵机不需要外置驱动器，只需要单片机在其信号线上发送脉冲信号，舵机接收到信号后，即可根据信号旋转，带动门闸打开/关闭。舵机靠伺服控制电路来控制电机的转速，通过传感器来控制转动位置。所以位置控制十分精确。而转速也是可变的[4，5]。
方案敲定：为简化设施数量，且保证转动位置更精确，控制转速，采用不需要外置驱动器的舵机作为门闸的动力装置。
3.2.3 身份验证方案选择
对于该智能停车系统的身份验证方案现有以下两种。
方案一：采用摄像头获取车辆牌照图像进行识别。根据处理信息，确定车主身份信息，然后进行后续操作。车牌识别技术通常都会结合电子不停车收费系统（ETC）识别车辆，保证停车场过往车辆实现不停车通行，即能够实现自动识别车辆身份、无人工收费等。要提高停车场出入口车辆通行的效率，那么在停车场的管理过程中，就要建设对于无需收取停车费用的车辆（如月卡车、内部免费通行车辆）的非人工管理的快速通道，使车主出入时免取卡、不停车，改变出入停车场的管理模式[6]。
方案二：采用IC卡识别车主身份信息。IC卡停车场软件操作界面高度集成，操作简单方便，能快速读卡。道闸杆可以根据车辆的通行情况自动升起和降落，并且具有防砸车功能。
方案敲定：由于方案一中摄像头的成本相对较高，而且汽车牌照在沙尘较多的天气情况下可能会蒙上灰尘从而导致识别受到影响，可能影响识别的准确性，而与之比较起来，方案二中的IC卡成本低，并且准确率近乎于100%，故选用方案二的IC卡方案。
3.2.4 车位检测方案选择
对于该智能停车系统的车位检测方案现有以下三种。
方案一：采用红外测距传感器检测车位中是否存在障碍物，若有，说明车位中存在车辆。红外传感器利用红外线的反射性能够检测一定距离内是否有物体，当有物体遮挡时，IO输出的电平就会由原来的高电平变为低电平，并且能够将数据反馈给单片机。
方案二：采用超声波测距传感器检测车位中是否存在障碍物，若有，说明车位中存在车辆。超声波测距传感器则需要两根线与单片机进行通讯，四个超声波传感器非常占用系统的资源，并且影响程序的运行速度。
方案三：采用地感线圈检测车位中是否存在障碍物，若有，说明车位中存在车辆。利用了磁场的变化，就是当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈回路电感量的变化，检测器通过检测该电感量就可以检测出车辆的存在[7]。一般地感线圈都会要求长2米宽1.5米，埋线一般是5圈，如果车辆底盘较高可相应考虑加大线圈来增加灵敏度。
方案敲定：由于红外传感器的成本比起超声波传感器的成本更加的低廉、便宜，设计、操作方面比起地感线圈更加的方便、更加的简易，而且使用到的引脚比之另外两个更加少，也不会影响程序的运行速度，因此选用方案一利用红外测距传感器来进行停车场车位状态的检测。
3.3 本章小结
本章主要介绍了本项目的设计要求，列举了一些设计可行的方案，加以对比后选择更合适本项目的方案。
第4章 系统硬件设计
4.1 系统硬件设计框图
该系统的硬件主要包含五大部分：单片机最小系统、门闸、IC卡识别模块、TFT彩色显示屏、红外检测模块。系统的硬件设计框图如图4-1所示。
图4-1 系统硬件设计框图
通过USB给单片机系统供电，IC卡识别模块会识别车主的IC卡信息，并且在单片机的数据库内进行核对，判断出车主是出库还是入库，记录车主出入库时间，并且由单片机控制舵机开启和关闭，用来模拟停车场门闸的抬起和放下。红外传感器能够检测车位上的车辆信息，并且将车位当前的状态反馈给单片机，单片机会处理传感器采集的数据，将数据显示在1.8寸的TFT屏幕上。
4.2 硬件模块
4.2.1 电源模块
使用mini接口USB供电，可以给系统提供5V-1A的电源，保证系统的正常运行。通过AMS1117-3.3V降压芯片，得到了3.3V的直流电压。AMS1117的最大输出电流为200MA，足够芯片正常运行，是5V转3.3V非常好的选择。当电源正常工作时，电源指示灯就会点亮。如图4-2和4-3所示。
图4-2 USB电源 图4-3 线性稳压电源
4.2.2 单片机最小系统
该最小系统包含了晶振、复位电路、STM32单片机[8]，作为核心部分，控制整个系统工作。其中的STM32F1主控芯片工作频率达72MHz，有着SPI、IIC、AD、DA等功能，且内置Flash。烧写接口用的是SW的烧写方式，使用的是J-link烧写器来烧写程序。最小系统电路如图4-4所示。
图4-4 最小系统电路
4.2.3 复位电路
在stm32上，复位电路包括按键复位、上电复位还有备份区域复位三种。这里用到的是上电复位，就是在MCU电源没有供电的情况下，给MCU上电，上电后MCU就会复位相关寄存器，指针就会从程序最初开始执行。按键复位是通过一个外围电路，来主动复位的一种复位方式。STM32采用的是NRST引脚低电平复位的方式，在原理图上可以看到，NRST引脚的电平在正常情况下是处于高电平，当按键按下后，GND就会被接入NRST引脚，导致NRST引脚电平变为低电平。此时单片机就会进行一次复位。当手松开时，按键就会回到断开的状态，芯片是正常工作的。复位就是通过检测NRST引脚的下降沿来实现的[9-11]。如图4-5所示。
图4-5 复位电路
4.2.4 晶振电路
系统运行是需要有时钟，如果没有时间的概念，程序就无法正常运行，所以需要给单片机加上外部时钟源，这样系统跑起来会更加稳定有序。STM32内部自身就有三个时钟源，可是单片机的内部时钟并不是非常的精准，这个看过32手册时钟树的都会有一定的了解，在32芯片的时钟树中需要有五个时钟源，需要布置的便是外部高速时钟和外部低速时钟。知道时钟源给的大小，就可以直接布置电路了，晶振加两个电容接地就可以完成时钟输入。电容的要求也比较严格，需要在15pf-30pf之间。STM32的内部是提供了内部时钟，当没有外部晶振的时候，程序也能正常运行，不过一般都需要在外部添加一个外部晶振，来代替内部的晶振。因为内部晶振的误差比较大，可能会导致程序出现错误等情况。外部晶振的稳定性、精准性都要比内部时钟高，所以本设计使用了外部晶振[12-15]。
图4-6 晶振电路
4.2.5 门闸
门闸采用舵机模拟，其信号线采用单向传输策略，单片机只需要向该信号线发送对应PWM的信号，即可控制舵机旋转相应角度，从而控制门闸打开或关闭[16]。舵机控制是由单片机产生一个20ms为周期的PWM波形，通过控制PWM波的占空比来改变舵机的角度[17]，门闸接线电路如图4-7所示，舵机实物如图4-8所示。
图4-7 门闸舵机接线图 图4-8 舵机实物图
4.2.6 屏幕显示
显示电路控制TFT彩色显示屏显示用户数据，通信方式采用SPI方式通讯。单片机只要连接到TFT彩色显示屏的接口，向TFT彩色显示屏发送相应控制命令和显示数据，即可让TFT彩色显示屏显示对应内容给用户[18]。显示控制电路如图4-9所示，TFT屏幕实物如图4-10所示。
图4-9 屏幕接线图 图4-10 TFT屏幕实物图
该屏幕采用的通讯方式SPI具有支持全双工通信、通信简单、数据传输速率块等优点。在屏幕上还能改变字体的颜色和大小，1.8寸的屏幕让系统可以显示大量信息，不用切换界面也能达到系统需求。
4.2.7 车位检测
车位的检测采用如图4-12所示这款红外避障模块实现，该模块在市场上广泛流通，容易购买，若后期设备损坏也容易找到可替换的模块。红外检测接线图如图4-11所示。
图4-11 车位红外检测接线图
图4-12红外检测传感器实物
传感器可以识别2~30cm内障碍物的数据，检测角度为35°，测量的距离可以通过调节传感器上面的蓝色电位器旋钮来完成，顺时针调节电位器检测距离就会增加，逆时针调节电位器，检测距离就会减少[19]。
传感器上有三个引脚，分别是VCC、GND和OUT，内部是一个LM393的比较器，在3.3V~5V内都可以正常工作。其OUT接口在没有检测到障碍物时输出为高电平，PCB板上的LED指示灯灭，当检测到障碍物时输出为低电平，PCB板上的LED亮。红外传感器内部电路图如图4-13所示。
图4-13 红外传感器内部电路图
4.2.8 身份识别
该智能停车场采用如所示的IC识别模块（MFRC-522 RFID射频RC522模块）进行身份识别。
读卡原理：首先RFID通过发射器发射无线电波，其发射方式为先通过振荡器产生高频的交变电流，再经过天线调制后产生一组固定频率的高频电磁场（高频电磁波不容易被地表吸收），因为经过调制，电波中带有原信号[20]。发射的电波根据传输特性，被驱动器（电子标签）接受到后，因驱动器内部有一个串联协振电路，同频率的发射电波使其共振产生电能。驱动器中的电容充满后将驱动器中的数据（卡号）发射出去由RFID中的接收器接收，或根据原信号改变驱动器中的可改变数据，从而达到识别目标和双向数据交换的目的。MFRC522功能框图和非接触式IC卡功能框图分别如图4-14和4-15所示。
图4-14 MFRC522功能框图
图4-15 非接触式IC卡功能框图
通过读卡器可以给IC卡内的固定地址烧录信息，比如1号卡片的特定地址可以烧录A字符，2号卡片的特点位置烧录B字符。将读卡器修改为读取模式，就可以读取到1号卡片的特定地址为A，2号卡片的特定地址为B。从而实现车主身份的确认[21]。接线图和实物图分别由图4-16和4-17所示。
图4-16 读卡器接线图 图4-17 读卡器实物图
该模块的工作特性如表4-1所示。
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名称 |
标准 |
|
工作电流 空闲电流 休眠电流 峰值电流 工作频率 |
13—26mA/直流3.3V 10-13mA/直流3.3V <80uA <30mA 13.56MHz |
模块的通信方式与TFT彩色显示屏一样，都采用SPI通信方式。单片机根据IC识别模块上传的数据确定用户的身份信息。经过测试，该识别模块可以准确的识别卡内信息，基本上不会出错。
4.3 硬件成本
各硬件模块购置成本见表4-2。
表4-2 硬件成本
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名称 |
单价/元 |
数量/个 |
金额/元 |
|
STM32F103C8T6最小系统板 万能板万用板电路板洞洞板9*15cm DS1302实时时钟模块 IC卡感应模块+4张卡片 TFT液晶显示模块 180度舵机 |
47.72 3.32 3.02 15.07 33 10.41 |
1 1 1 1 1 1 |
47.72 3.32 3.02 15.07 33 10.41 |
（续表4-2）
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名称 |
单价/元 |
数量/个 |
金额/元 |
|
红外传感器模块 |
3.23 |
4 |
12.92 |
|
合计 |
125.46 |
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4.4 本章小结
本章主要介绍了一下设计所使用的各个硬件模块和其原理、特性等。
第5章 系统软件设计
5.1 主程序流程图
主程序流程图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
在系统上电工作后，程序会初始化所有硬件设备，并且读取单片机内的内部flash，将停车场内的车辆信息读取出来。等待上电稳定后，系统会进入等待刷卡模式。当有车主刷卡后，系统就会将车主信息存入数据库，如果是系统的目标用户，系统还会核对该车主是出库还是入库，如果车主在之前刷卡进入过车库，既车主现在是要离开车库，系统将打开闸门放行，车库内的车位剩余数量就会加一，并且在屏幕上显示调车所产生的费用，等待汽车出库后，闸门会自动关闭。如果车主没有停车记录，既表明车主是要入库，系统将打开闸门放行，车库内的车位剩余数量减一，等待汽车出库后，闸门会自动关闭。车库内每个车位还安装了红外检测装置，当有车辆停放在对应车位时，红外传感器就会检测到车位有车，就会立即上报系统，系统就会将对应车位的停车情况反映到FTF屏幕上供客户作为停车参考[22]。
5.2 程序分析
5.2.1 舵机控制
舵机引出线总共三根，其中两根分别为电源线和地线，一般分别为红色和棕色，还有一根为信号线，一般为黄色。单片机需要通过该条信号线向舵机发送周期为20ms，脉冲宽度在0.5ms~2.5ms范围内变化的脉冲信号。以转动角度为0°~180°的舵机为例，脉冲宽度与舵机转动角度的关系如下表5-1所示。
表5-1 脉冲角度关系表
|
脉冲宽度（ms） |
转动角度（°） |
|
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 |
0 45 90 135 180 |
为了产生这样的脉冲，设定了100us的时间，并在定时器中断里给一个静态变量count计数。比如要使舵机转动90°，先输出高电平，每次进入定时器，count加1，等count从0加到15，便输出低电平，直到count加到200，再给count清零，开始新的一个周期。如此，便可以实现舵机转动到90°。
此外，由于舵机一旦接受到了信号，便会以一个固定的速度将转轴转动到预定角度，速度无法改变，为了控制舵机转速，即门闸开关的快慢，选择将输出信号的占空比慢慢加或减到预定值。比如当前角度为0°（脉冲宽度为0.5ms），要保证5s后角度刚好转到90°（脉冲宽度为1.5ms），会通过定时器，每0.2s给脉冲宽度增加40us，这样，到了5s，脉冲宽度也刚好达到1.5ms，转轴也几乎刚好达到90°了[23]。
位于CH1那一行的GPIO口使用TIM_SetCompare1这个函数，位于CH2那一行的GPIO口使用TIM_SetCompare2这个函数。本设计需要单片机通道PB8输出PWM，所以控制舵机使用命令TIM_SetCompare3(TIM4,Compare)。定时器通道引脚分布如图5-2所示。
图5-2 定时器通道引脚分布
5.2.2 彩屏显示
该TFT彩色显示屏的控制流程图如图5-3所示。
图5-3 屏幕控制流程图
单片机采用SPI通信方式向TFT屏幕写入坐标数据、颜色数据，其颜色由红、绿、蓝三原色构成，通过向屏幕写入目标像素点的三种颜色的值（0~255）来生成该像素点的颜色。如（R:G:B = 255:0:255则为紫色），该三个数据存在三个字节数据中，发送给TFT屏幕。其中，需要注意的一点是：屏幕刷新不能过于频繁，否则会出现频闪的现象，影响用户体验。在这里，本设计选择每100ms刷新一次。
同时，由于并不是屏幕上所有内容都需要刷新，其中一些图案不需要改变，因此，本设计选择记录一些需要刷新数据的字符在屏幕上的坐标，当数据改变时，则只在相应坐标上刷新该部分数据。
5.2.3 红外传感器
图5-4 车位状态检测程序
在定时器二内识别红外传感器的信息，通过STM32单片机自带的12路ADC采集接口，去获取传感器的OUT口输出电压，其实这里使用IO口也能完成对应的工作。不过考虑到市面上部分红外传感器也有AD输出的，这样写程序就能兼容其他红外传感器，更加的实用。在定时器的中断服务函数内执行，每1s读取一下车位的信息。
5.2.4 IC账户识别
将IC卡录入信息，读卡只需将IC卡接近读卡器，就能读卡成功。在单片机的Flash中已经存储好了已注册用户的身份信息，若IC卡读回的数据与Flash中存储的用户数据保持一致，则认为该用户是目标用户，并对其提供停车或取车服务。
识别流程可分为四步：寻卡、防冲突、选卡、操作卡。
（1）寻卡有两条命令，分别为
PcdRequest( REQ_LDL , TagType ) //寻天线区内未进入休眠状态
PcdRequest( REQ_ALL , TagType ) //寻天线区内全部卡
第一条命令是读取完卡后还会再次读取。（除非在某次读取完成后系统进入休眠（Halt））。第二条命令是读取完卡后会等待卡离开开线作用范围，直到再次进入。
本设计使用的是第二条命令。
（2）如果寻卡成功后，程序将进入防冲突操作。PcdAnticoll（）这个函数用于防冲突操作。防冲突操作就是将防冲突命令通过PcdComMF522函数与PICC卡进行交互。
（3）接下来是进行选卡操作。选卡操作执行的函数为PcdSelect（）。
（4）接下来就是进行操作卡了，操作卡分为两个环节：
①密码验证。对要进行操作的扇区进行验证，即使用PcdAuthState（）函数验证对应扇区与对应扇区的尾块中的KEYA是否是相同的。
②认证通过后即可进行读写操作。
PICC的识别过程如图5-5所示。
图5-5 PICC识别流程图
这也是IC卡读取一般不会出错的原因。程序会先验证A密钥，如果密码错误，是无法获取IC卡内的内容的。密码正确之后，就可以获取卡的序列号以及扇区内的数据。
IC卡识别模块的通信方式是SPI方式，由于不需要过于频繁地通信，对于通信速度的要求不高，这里选择使用模拟SPI通信方式，即利用定时器和IO的推挽输出电平来模拟SPI方式向IC卡识别模块接受识别到的数据或发送控制命令。IC卡读取程序如图5-6所示。
图5-6 IC卡读取程序
5.2.5 车费计收
本系统基于停车场停车计费系统中的数据信息，能够实现无人自动计费，只需要驾驶者在停车场进出口停车计费系统中拥有一定量的资金，在驾驶者使用服务后，根据驾驶者的使用时间长短来计算。可以达到规范停车场停车状况，改善停车场安全交通。
从对使用该系统的用户的体验性出发，更加保证用户使用的方便性，提升整体性能，让用户满意，且大大降低了管理运营成本的限制，短时间之内就能完成工作任务，使整个系统达到电子化的目的，满足市场的经济需求。
在用户车主刷卡进入停车场后，系统自动开始记录停车时间，直至车主取车再次刷卡驶离停车场，记录取车时间，然后根据设置好的单价计算并收取车主停车费用，减少人为损失。计费、收费程序分别如图5-7和5-8所示。
图5-7 停车计费
图5-8 取车收费
5.3 本章小结
本章主要介绍了一下设计各功能模块的程序原理。
第6章 实物演示
6.1 实物图
实物整体展示：
图6-1 停车系统正面
图6-2 停车系统反面
6.2 实物演示过程
（1）读卡系统进入等待读卡状态，显示屏幕初始化，剩余车位4量，各停车位停车状态显示为空。系统初始化状态图如图6-3所示。
图6-3 停车系统初始化
（2）起始，1号车停车入库，停入1号车位，TFT彩屏显示1号车位满，剩余车位为3，如图6-4所示。
图6-4 1号车停入1号车位
（3）1号车结束停车，刷卡取车，收费出库。如6-5所示。
图6-5 1号车取车出库
（4）在1号车停入1号车位的时候，2号车刷卡，道闸杆开启，车辆进入停车场。如6-6所示。
图6-6 2号车刷卡
（5）2号车进入停车场，停入2号车位，剩余车位显示为2，1号车位和2号车位状态显示为满。如图6-7所示。
图6-7 2号车停入2号车位
（6）四辆车同时停入停车场，剩余车位为0。如图6-8所示。
图6-8 全车入库
6.3 本章小结
本章主要介绍了项目实际演示时的各种情景下的结果。
本系统是以STM32单片机为核心的硬件设计系统，利用IC卡、舵机、红外传感器和TFT彩屏实现了读卡停车、出库、车位检测和计费等功能，实现系统的基本功能。
首先对本次毕业设计进行全方案的构思，具体需要哪些硬件，怎样进行连接。有了总体框架然后进行设计工作。选择合适的电机模拟道闸杆的起落，选择合适的传感器进行对车位的检测，选择合适的屏幕显示用户数据。先对传感器进行调试，调试之后直接进行工作。各个传感器进行调试完成后，焊接所有的硬件部分，包括传感器、读卡模块、屏幕、舵机和单片机，所有的硬件部分完成进行停车模拟。该系统可以实现模拟车主停车入库时刷卡后，闸门开启，停入车位，计费；出库时刷卡后，闸门开启，驶出车位，收费。
通过这次的毕业设计，我也熟悉了舵机、TFT屏幕等设备的使用，同时，也发现了这些设备操作的共通之处。这些设备归根结底还是应用单片机最基本的一些功能，通过例如PWM、定时器等功能来实现对其的控制。
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