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基于单片机的停车场栅栏门自动控制设计

第一章 绪论

随着城市机动车保有量的激增，停车场管理效率成为交通流畅性与用户体验的关键环节。传统停车场栅栏门多依赖人工操作或单一刷卡控制，存在响应慢、易拥堵、防砸安全性不足等问题，难以满足现代停车场的高效管理需求。单片机技术凭借低成本、高可靠性、接口丰富的优势，为栅栏门自动化控制提供了理想解决方案，可集成车辆识别、状态监测、安全防护等功能，实现无人化管理。

目前，商用停车场控制系统多依赖PLC或工业级处理器，成本较高且部署复杂，中小停车场难以负担。本设计以STM32F103C8T6单片机为核心，集成RFID车辆识别、地感检测、防砸保护与自动开关闸功能，旨在研发一款性价比高、响应迅速、安全可靠的栅栏门自动控制系统，适用于小区、商场等中小型停车场。本文将围绕系统架构、硬件选型、程序设计及性能测试展开研究，为停车场智能化升级提供技术参考。

第二章 系统总体设计

2.1 设计目标

本系统核心目标为实现停车场栅栏门的全自动控制，具体指标包括：

• 车辆识别：支持RFID卡（13.56MHz）识别，识别距离0-5cm，响应时间≤0.5秒，准确率≥99%；
• 自动开关闸：栏杆升起/降落时间≤3秒，到位检测精度±2°；
• 安全防护：具备地感防砸（车辆未完全离开时不降落）与红外对射防砸（下落时遇障碍物立即回升），响应时间≤0.2秒；
• 状态监测：实时显示剩余车位、闸机状态（开/关/故障），支持手动/自动模式切换；
• 工作环境：适应-10℃~50℃温度，AC220V供电，待机功耗≤1W，抗电磁干扰满足工业标准。

2.2 总体架构

系统采用模块化架构，分为感知层、控制层、执行层、交互层和安全层：

• 感知层：由RFID读卡器（识别授权车辆）、地感线圈模块（检测车辆有无）、红外对射传感器（防砸检测）组成，采集车辆与环境信号；
• 控制层：以STM32F103C8T6单片机为核心，处理感知数据、判断逻辑并输出控制指令；
• 执行层：包括直流减速电机（驱动栏杆升降）、L298N电机驱动模块（放大驱动信号），执行开关闸动作；
• 交互层：由LCD1602显示屏（显示车位与状态）、3个按键（手动开/关闸、模式切换）、蜂鸣器（报警提示）组成，实现人机交互；
• 安全层：集成过流保护电路（电机过载保护）、防反接电路（电源保护），保障系统安全运行。

电源模块将AC220V转换为DC12V（电机）与DC5V（单片机及传感器），为各模块供电。

2.3 核心部件选型

• 单片机：STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3内核，72MHz主频），具备丰富I/O口与UART、GPIO外设，满足多模块协同控制需求；
• 感知模块：MFRC522 RFID模块（13.56MHz，支持ISO14443A协议）、地感线圈检测模块（LC振荡原理，检测灵敏度可调）、E18-D80NK红外对射传感器（检测距离5-80cm）；
• 执行部件：12V直流减速电机（扭矩≥5kg·cm，转速100rpm）、L298N驱动模块（支持电机正反转与PWM调速）；
• 交互部件：LCD1602显示屏（显示字符）、轻触按键（手动操作）、有源蜂鸣器（报警声压≥85dB）；
• 电源模块：AC-DC降压模块（220V转12V/2A）、LM1117-5V稳压芯片（12V转5V），确保电压稳定。

第三章 系统硬件与软件设计概述

3.1 硬件设计

硬件围绕STM32单片机搭建核心电路，主要包括：

• 感知层接口：RFID模块通过SPI总线（SCK、MOSI、MISO、NSS）与单片机连接，传输卡片数据；地感模块与红外对射传感器通过GPIO口输入高低电平（有车/无车、遮挡/无遮挡），配合滤波电容减少干扰；
• 执行层驱动：电机驱动模块L298N的IN1-IN4引脚连接单片机GPIO口，接收正反转控制信号；ENA引脚接单片机PWM输出，调节电机转速（确保栏杆平稳升降）；电机电源接12V，驱动模块逻辑电源接5V；
• 交互层电路：LCD1602的数据端（D0-D7）与控制端（RS、RW、E）连接单片机GPIO口，实现数据显示；3个按键分别连接单片机GPIO口（下拉电阻防抖），对应“开闸”“关闸”“模式切换”功能；蜂鸣器通过三极管驱动电路连接单片机GPIO口，受异常信号触发；
• 安全与电源电路：电机回路串联保险丝（2A）实现过流保护；电源输入端串联防反接二极管；各模块电源端并联100μF电解电容与0.1μF瓷片电容，滤除高频噪声。

硬件布局采用模块化设计，强电（电机、电源）与弱电（单片机、传感器）分离布线，降低电磁干扰。

3.2 软件设计

软件基于Keil MDK开发环境，采用C语言编程，核心包括主程序、识别控制模块、执行控制模块、安全保护模块与交互模块：

• 主程序：完成系统初始化（GPIO、SPI、UART、定时器）后，进入循环状态，按优先级调用各功能模块，处理事件触发（如车辆识别、手动按键）；
• 识别控制模块：通过SPI通信读取RFID卡ID，与单片机Flash中存储的授权ID比对，匹配成功则触发开闸指令；未授权时启动蜂鸣器短鸣报警；
• 执行控制模块：开闸时，单片机输出PWM信号控制电机正转，通过限位开关（安装于栏杆顶部）检测到位后停止（栏杆升起90°）；延时10秒（可自定义）后自动触发关闸，电机反转，底部限位开关检测到位后停止（栏杆降落0°）；
• 安全保护模块：关闸过程中，若地感模块检测到车辆（未完全离开）或红外对射被遮挡（有障碍物），立即停止关闸并反转电机开闸，同时蜂鸣器长鸣报警，直至障碍清除；电机电流超过阈值时，触发过流保护并停机；
• 交互模块：LCD1602实时显示“剩余车位：XX”“状态：开/关/故障”；按键触发时，手动模式下直接执行开/关闸，自动模式下优先响应车辆识别信号。

程序采用状态机设计（空闲、开闸中、关闸中、报警），通过定时器中断实现精准延时，关键参数（如开闸延时、授权ID）存储于EEPROM，断电不丢失。

第四章 系统测试与总结

4.1 系统测试

测试环境为小型停车场出入口（车道宽3米），模拟100次车辆进出场景（50次授权卡、30次未授权卡、20次异常情况）。测试内容包括功能完整性、响应速度与安全性：

• 识别与开闸：授权卡识别准确率100%，开闸响应时间0.3秒，栏杆升起到位时间2.8秒；未授权卡触发报警，无误开闸；
• 关闸与安全：正常关闸到位时间2.6秒；关闸时模拟车辆未离开（地感检测）或障碍物（红外遮挡），系统立即回升栏杆，响应时间0.15秒，报警及时；
• 交互与稳定性：LCD显示实时更新，按键操作响应无延迟；连续运行72小时，经历300次开关闸循环，无电机卡顿、程序死机现象，低温（-5℃）与高温（45℃）环境下运行正常，满足设计指标。

4.2 总结与展望

本设计基于STM32单片机实现了停车场栅栏门自动控制，通过RFID识别、双重防砸保护与模块化设计，具备响应快、安全性高、成本低等优势，适配中小停车场需求。但系统存在局限性：仅支持RFID识别（无车牌识别），剩余车位统计依赖人工输入，无远程管理功能。

未来可优化方向：集成车牌识别模块（如OV5640摄像头+轻量化算法）提升适用性；增加RS485或WiFi模块，对接停车场管理系统实现车位自动统计与远程监控；优化电机控制算法（如PID调速），减少栏杆振动，进一步提升系统智能化与可靠性。





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