光伏储能一体化的智能停车场系统设计

光伏储能一体化的智能停车场系统设计摘要随着城市机动车保有量的持续攀升，停车资源供需矛盾日益突出，传统停车场普遍存在人工管理效率低、能耗成本高、场景适配性弱等问题，同时在双碳目标背景下，交通基础设施的绿色化转型需求愈发迫切。本文设计了一套基于STM32F103微控制器的光伏储能一体化智能停车场系统，实现了小型停车场的全流程智能化管控与绿色化供能。系统以光伏储能单元为核心供电架构，集成红外对管、RFID识别、光敏传感、烟雾检测等多种采集组件，可实现车位状态实时监测、车辆权限识别与计时计费、智能照明调节、消防报警联动等核心功能，同时配备OLED人机交互界面、语音播报模块与道闸执行机构，配套故障报警机制保障系统稳定运行。实际测试表明，系统车位状态识别准确率达98%，RFID识别响应时间小于0.5秒，光伏储能单元可支持系统72小时以上无市电连续运行，各项功能均达到设计预期。研究成果为社区、园区等小型停车场提供了一套低功耗、高适配性的智能化解决方案，对推动停车设施的绿色化与智能化融合发展具有参考价值。关键词智能停车场；光伏储能；STM32F103；RFID识别；智能管控AbstractWiththecontinuousgrowthofurbanmotorvehicleownership,thecontradictionbetweensupplyanddemandofparkingresourceshasbecomeincreasinglyprominent.Traditionalparkinglotsgenerallyhaveproblemssuchaslowmanualmanagementefficiency,highenergyconsumptioncost,andweaksceneadaptability.Meanwhile,underthebackgroundofthedual-carbongoal,thedemandforgreentransformationoftransportationinfrastructureisbecomingmoreandmoreurgent.ThispaperdesignsaphotovoltaicenergystorageintegratedintelligentparkinglotsystembasedonSTM32F103microcontroller,whichrealizesthewholeprocessintelligentmanagementandgreenenergysupplyofsmallparkinglots.Thesystemtakesthephotovoltaicenergystorageunitasthecorepowersupplyarchitecture,integratesavarietyofacquisitioncomponentssuchasinfraredpairtube,RFIDidentification,photosensitivesensorandsmokedetection,andcanrealizecorefunctionssuchasreal-timemonitoringofparkingspacestatus,vehicleauthorityidentificationandtimingbilling,intelligentlightingadjustment,andfirealarmlinkage.ItisalsoequippedwithOLEDhuman-computerinteractioninterface,voicebroadcastmoduleandgateactuator,andsupportingfaultalarmmechanismtoensurethestableoperationofthesystem.Theactualtestshowsthattherecognitionaccuracyofparkingspacestatusofthesystemreaches98%,theresponsetimeofRFIDidentificationislessthan0.5seconds,andthephotovoltaicenergystorageunitcansupportthesystemtooperatecontinuouslywithoutmainspowerformorethan72hours.Allfunctionsmeetthedesignexpectations.Theresearchresultsprovideasetoflow-powerandhigh-adaptabilityintelligentsolutionsforsmallparkinglotssuchascommunitiesandparks,andhavereferencevalueforpromotingtheintegrateddevelopmentofgreenandintelligentparkingfacilities.Keywordsintelligentparkinglot;photovoltaicenergystorage;STM32F103;RFIDidentification;intelligentmanagementandcontrol目录107671绪论 1297771.1研究背景 1104281.2国内外研究现状 1173052功能与设计方案 3137212.1系统功能要求 358952.2系统设计方案 338112.3器件方案对比 5193392.3.1核心控制单元选型对比 5324592.3.1主控芯片选型对比 5265102.3.2车辆识别模块选型对比 6110552.3.3系统供电方案选型对比 756983系统的硬件设计 9256203.1STM32F103C8T6单片机 9314073.2光伏储能供电电路设计 10284373.3车位状态与车辆识别传感电路设计 11327553.4环境监测与联动控制电路设计 12325413.5人机交互与信息显示电路设计 14144623.6执行机构与报警电路设计 16171974系统的软件设计 18113614.1软件介绍 1830584.2软件程序的设计 19140554.2.1主程序流程图 19183014.2.2按键子程序流程图 20220274.2.3显示子程序流程图 21192985系统的测试 2388425.1软件调试 23268745.2硬件调试 2375875.3实物展示 23257685.3.1光伏储能供电功能测试 23106975.3.2车位状态监测功能测试 24287485.3.3RFID车辆进出与计费功能测试 2428099结论 262635参考文献 277710谢辞 2928114附录A 3018140附录B 311绪论1.1研究背景我国城镇化进程的持续推进，带动城市机动车保有量逐年快速增长，截至2024年，全国机动车保有量已突破4.3亿辆，停车泊位缺口超过8000万个，停车难已成为制约城市交通发展的重要问题。传统小型停车场多依赖人工登记收费、人工引导车位，不仅管理效率低下，还容易出现计费纠纷、车位引导不及时等问题，同时长期依赖市电供电，照明、道闸等设备持续运行带来较高的能耗成本，与绿色低碳的发展理念相悖[1]。在智慧城市与双碳目标的双重推动下，停车设施的智能化与绿色化融合成为行业发展的主流方向。光伏储能技术可将太阳能转化为电能并存储，为停车场提供离网运行的供电能力，大幅降低市电依赖与碳排放；嵌入式智能管控技术则可实现车位监测、车辆识别、计费收费的全流程自动化，彻底替代人工管理模式。基于此，本文设计一套光伏储能一体化的智能停车场系统，针对社区、园区、厂区等4车位规模的小型停车场景，解决传统停车场管理效率低、能耗高、场景适配性差的痛点，既能够提升停车管理的智能化水平，又能通过清洁能源供能实现低碳运行，具备较强的实际应用价值与推广意义[2]。1.2国内外研究现状国外智能停车场领域的技术发展起步较早，欧美、日本等发达国家已形成成熟的智能化停车产业体系。美国多家企业推出了基于物联网的智能停车管理系统，集成车牌识别、线上预约、无感支付等功能，实现了大型商业停车场的全流程无人化管理；德国则将光伏储能技术与停车设施深度融合，建设了大量光伏停车棚，在为停车场供电的同时，还能为新能源汽车提供充电服务，实现了能源的高效利用；日本针对城市土地资源紧张的特点，重点发展立体智能停车库，配套高精度的传感识别与自动化调度系统，大幅提升了空间利用率[3]。国内智能停车场行业虽起步较晚，但发展势头迅猛，头部企业已推出多款成熟的智能停车产品，广泛应用于商场、写字楼等大型停车场景，实现了车牌识别、无人收费、车位引导等核心功能[4]。但现有产品大多针对大型停车场设计，设备成本高、安装部署复杂，对社区、园区等小型停车场景的适配性较差，且多数系统仍完全依赖市电供电，未融入清洁能源供能方案，低碳属性不足。国内高校与科研机构也在光伏与智能停车融合领域开展了相关研究，多数成果集中在大型光伏停车场的电网并网与能源调度，针对小型离网场景的光伏储能一体化停车系统研究较少[5]，仍存在功能集成度低、离网运行稳定性不足等问题。基于此，本文针对小型停车场景，设计一套低成本、高集成度、可离网运行的光伏储能一体化智能停车场系统，填补现有技术在细分场景的应用空白[6]。2功能与设计方案2.1系统功能要求本系统针对4车位规模的小型停车场景设计，需实现停车管理全流程智能化、供能绿色化、运行安全化，核心功能要求分为四个维度，各项功能需稳定可靠、操作便捷，适配无专人管理的长期运行场景[7]。基础停车管理功能是系统的核心，需实现4个车位的占用状态实时监测，通过双色LED灯直观呈现车位状态，绿色代表空闲、红色代表占用，OLED屏同步更新剩余车位数量。通过RFID射频识别完成车辆权限验证，合法车辆进场时自动抬杆放行，同步记录进场时间[8]，出场时按预设小时单价自动计算停车费用，完成卡内余额扣费，支持通过按键完成RFID卡的添加、删除、余额充值与停车单价设置，无可用车位时车辆进场触发蜂鸣器提醒，禁止道闸开启。绿色供电功能是系统的基础保障，需通过太阳能板搭配蓄电池构建光伏储能单元，为整套系统提供稳定电源，具备充电管理与过充、过放保护功能，同时预留市电备用电源接口，确保连续阴雨天气下系统仍能正常运行，满电状态下蓄电池需支持系统无市电连续运行72小时以上。环境感知与联动控制功能需实现停车场内的智能化环境管控，通过光敏组件实时监测环境光照强度，自动调节照明亮度，环境光线越暗，照明亮度越高，支持光照阈值手动设置[9]；通过烟雾传感器实时监测场内烟雾浓度，浓度超过预设阈值时，自动触发蜂鸣器声光报警，驱动消防水泵启动，同步通过语音模块播报火灾预警信息。安全保障与交互功能需覆盖系统运行的全流程，具备故障报警机制，当RFID刷卡进场的车辆数量与红外对管监测到的实际车位占用数量不匹配时，自动触发蜂鸣器故障报警；配套语音播报功能，车辆进场刷卡后播报欢迎语，出场刷卡后播报缴费金额与安全提示；通过OLED屏与独立按键构建人机交互界面，支持各项参数设置、车位信息查询、系统时间校准等操作，界面清晰、操作简便。2.2系统设计方案本设计以微控制器为载体，负责所有采集数据的运算、处理与逻辑判断，同时生成对应的控制指令。接收到采集层传输的信号后，微控制器先完成数据的滤波与转换，再按照预设的逻辑规则完成判断，比如对比车位占用数量与剩余车位数量、对比监测数据与预设阈值、计算停车时长与对应费用、验证RFID卡片权限等，最终生成对应的控制指令，传输至执行输出层。信号采集层负责系统所有输入信息的采集与转换，分为七个采集单元，4组红外对管负责采集车位占用状态信息，光敏电阻负责采集环境光照强度信息，MQ-2烟雾传感器负责采集场内烟雾浓度信息，DS1302时钟模块提供精准的系统时间信息，RFID-RC522射频模块负责采集车辆卡片信息，6个独立按键负责采集用户的参数设置与操作指令，光伏储能单元的充电管理组件负责采集电池电量与充放电状态信息，所有采集到的信息均通过对应接口传输至核心处理单元。执行输出层负责接收核心处理层的控制指令，完成对应的物理动作与信息呈现，分为七个执行单元，OLED显示屏负责呈现系统时间、车位信息、参数设置等内容，双色LED灯负责呈现对应车位的占用状态，舵机负责控制道闸的抬杆与落杆，语音模块负责各类语音提示的播报，蜂鸣器负责各类报警与提示音输出，MOS管驱动电路负责控制照明灯具与消防水泵的运行，光伏储能单元负责整套系统的稳定供电，所有执行单元均按照控制指令完成对应动作，实现系统的各项预设功能。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1核心控制单元选型对比2.3.1主控芯片选型对比方案一：STC89C52STC89C52基于传统8051内核架构，是工业控制领域的经典8位单片机，开发门槛低，配套资料丰富，采购成本低廉，芯片内置8KBFlash程序存储空间与512BRAM，最高工作频率可达12MHz，集成4组8位I/O接口与8路10位ADC，可满足简单的单任务控制需求。但该芯片运算性能有限，单周期指令执行效率低，面对多路传感信号同步采集、多接口通信、多执行机构并行控制的多任务场景时，处理延迟明显，同时外设接口资源不足，无法同时满足RFID射频通信、OLED显示、多路ADC采集、PWM信号输出等多组件的接口需求，需要额外搭建扩展电路[10]，不仅增加硬件设计复杂度，还会提升系统故障概率，难以适配本系统多组件协同运行的需求。方案二：STM32F103C8T6STM32F103C8T6最高主频可达72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM，运算处理能力远超8位单片机，可轻松应对多传感数据同步处理、多逻辑并行运算的需求。芯片集成了丰富的外设资源，包含3路USART串口、2路SPI接口、2路I2C接口、3路12位ADC与多路定时器PWM输出通道，可直接匹配本系统中RFID模块、OLED显示屏、语音模块、各类传感器与执行机构的接口需求，无需额外扩展电路，大幅简化硬件设计。同时该芯片配套完善的HAL库函数与开发工具，可大幅缩短开发周期，芯片的宽电压工作范围与强抗干扰能力，也能适配停车场户外复杂的运行环境，保障系统长期稳定运行[11]。综合对比，STC89C52单片机虽成本更低，但性能与接口资源无法满足本系统多组件协同、多任务并行的运行需求，而STM32F103C8T6单片机在运算性能、接口丰富度、抗干扰能力与开发便捷性上均具备显著优势，完全适配本系统的设计需求，因此选定其作为系统主控核心。2.3.2车辆识别模块选型对比方案一：接触式IC卡读写模块通过物理触点与IC卡接触完成数据读写，技术成熟，数据加密性强，单张卡片采购成本低，可实现基础的车辆身份信息存储与权限验证功能。但该模块的读写操作需要卡片与触点完全贴合，车辆进出时需要车主停车插卡操作，流程繁琐，通行效率低，同时触点长期暴露在户外环境中，易受灰尘、潮湿、氧化影响，出现接触不良、读写失败的问题，使用寿命短，维护成本高。此外，接触式IC卡的读写速度慢，单次数据读写耗时超过2秒，无法适配停车场高频次车辆进出的快速通行需求，也难以实现停车时长、余额信息的快速读写与更新[12]。方案二：RFID-RC522非接触式射频识别模块RFID-RC522支持ISO14443A标准协议，无需物理接触即可完成卡片数据的读写，最大识别距离可达5cm，单次识别与数据读写响应时间小于0.5秒，车辆进出时车主只需刷卡即可快速完成身份验证，无需停车插卡，大幅提升通行效率。模块内置硬件加密电路，可实现卡片数据的加密存储与读写，有效防止卡片数据被复制破解，保障车辆权限管理的安全性。同时模块采用SPI通信接口，可直接与主控芯片完成高速数据传输，支持卡片内余额、进场时间、权限信息的快速读写与更新，完全适配停车场计时计费、余额扣费、权限管理的功能需求。模块采用全密封封装，户外潮湿、灰尘环境下仍可稳定运行，使用寿命长，维护成本低[13]。综合对比，接触式IC卡读写模块虽基础成本低，但操作流程繁琐、通行效率低、户外环境适应性差，无法满足本系统的使用需求；RFID-RC522非接触式射频识别模块识别速度快、操作便捷、环境适应性强、安全性高，可完美适配停车场车辆进出管理、计时计费的核心需求，因此选定其作为系统车辆识别核心模块。2.3.3系统供电方案选型对比方案一：纯市电集中供电通过铺设专用供电线路，将市政市电引入停车场，经过AC-DC电源模块转换为直流电压后，为系统内所有设备供电。该方案供电持续稳定，无需考虑能源存储问题，可满足大功率设备的供电需求，适用于大型商业停车场的集中供电场景。但该方案需要铺设复杂的供电线路，前期施工成本高，无法适配无市电覆盖的园区、户外等场景，同时系统所有设备持续依赖市电运行，即使低负载时段也会持续消耗电网电能，能耗成本高，不符合双碳目标下的绿色低碳发展理念。此外，市电停电时系统会直接停止运行，无法保障突发停电场景下的基础管理功能，运行可靠性不足[14]。方案二：光伏储能一体化供电以单晶硅太阳能板为核心，搭配铅酸储能蓄电池与充电管理模块，构建独立的离网供电系统。太阳能板将环境中的光能转化为电能，通过充电管理模块存入蓄电池中，再经过稳压电路转换为适配的电压等级，为系统内所有设备供电，同时预留市电备用电源接口，应对连续阴雨等极端天气。该方案无需铺设复杂的市电线路，安装部署灵活，可适配无市电覆盖的户外场景，同时以太阳能清洁能源为主要能源，大幅降低电网电能消耗，具备良好的低碳属性，长期运行能耗成本极低。充电管理模块内置过充、过放、过流、短路保护功能，可保障蓄电池充放电安全，延长电池使用寿命，满电状态下蓄电池可支持系统无市电连续运行72小时以上，即使市电停电也能保障系统正常运行，大幅提升了系统运行的可靠性[15]。综合对比，纯市电集中供电方案虽供电稳定，但施工成本高、场景适配性差、能耗成本高，无法满足本系统的设计需求；光伏储能一体化供电方案部署灵活、场景适配性强、低碳环保、运行成本低、断电续航能力强，完全契合本系统绿色化、小型化、可离网运行的设计定位，因此选定其作为系统供电方案。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机主控电路是整套系统运行的核心载体，所有采集信号的处理、控制逻辑的运算、执行指令的输出，均通过这一电路完成。设计以STM32F103C8T6芯片为核心，分为最小系统电路与外设接口电路两部分，最小系统电路保障芯片的基础稳定运行，外设接口电路实现与其他功能组件的连接与数据互通。最小系统电路包含电源、时钟、复位、BOOT启动四个核心部分。电源电路通过Type-C接口输入电源，搭配XC6206稳压芯片将输入电压降至3.3V，为芯片提供稳定的工作电源，同时搭配100nF去耦电容，滤除电源中的高频噪声，降低电源波动对芯片运行的干扰。时钟电路选用8MHz高速晶振作为主时钟源，搭配30pF负载电容保障频率输出稳定，同时配备32.768kHz低速晶振，为系统时钟提供精准的时钟基准。复位电路采用上拉电阻搭配手动复位按键的设计，实现上电自动复位与手动按键复位双重保障，确保芯片出现运行异常时可快速恢复初始状态。BOOT启动电路通过10K电阻设置BOOT0与BOOT1引脚电平，默认从芯片内置Flash启动程序，同时预留程序下载调试的电平切换能力[16]。外设接口电路基于芯片丰富的外设资源，完成与其他功能组件的引脚分配与连接。USART1接口对应PA9与PA10引脚，连接语音模块实现串口通信；USART2接口对应PA2与PA3引脚，预留扩展通信能力；SPI接口对应PA4-PA7引脚，连接RFID-RC522模块实现射频数据传输；I2C接口对应PB14与PB15引脚，连接OLED显示屏实现显示数据传输；ADC通道对应PA0与PA1引脚，分别连接光敏电阻与烟雾传感器，实现模拟量采集；PB6-PB9引脚连接4路红外对管，实现车位状态数字信号采集；PB0引脚输出PWM信号连接舵机，实现道闸控制；PB10-PB13引脚连接6个独立按键，实现用户操作指令采集；剩余IO引脚分别连接LED指示灯、蜂鸣器、水泵驱动等组件，实现全功能的接口覆盖。整个电路设计充分利用芯片的外设资源，接口分配清晰，同时兼顾电磁兼容性，避免不同组件之间的信号干扰，保障芯片在多任务同步运行时的稳定性。图3.1STM32F103C8T6单片机3.2光伏储能供电电路设计光伏充电管理部分以HB-001充电管理模块为核心，搭配5W单晶硅太阳能板构建光能采集与充电控制单元。太阳能板通过XH2.54接插件接入电路，输出端连接充电管理模块的电压输入引脚，模块内置开关电源降压架构，可将太阳能板输出的宽范围电压转换为适配蓄电池充电的稳定电压，同时内置最大功率点跟踪功能，可根据光照强度自动调整充电参数，最大限度提升太阳能的转化效率。充电管理模块内置过充、过流、短路保护功能，当蓄电池电量充满后，自动切断充电回路，避免过充损坏电池，当充电回路出现过流、短路情况时，快速关断输出，保障电路安全。储能蓄电部分选用12V/10Ah铅酸蓄电池作为储能载体，通过XH2.54接插件接入电路，分别连接充电管理模块的充电输出端与稳压电路的输入端。蓄电池具备大电流放电能力、循环使用寿命长的特点，可适配系统长期连续运行的需求，同时12V额定电压可适配太阳能板的输出电压与后续稳压电路的输入要求。电路中预留5V市电备用电源接口，通过防反接二极管接入充电回路，当连续阴雨天气导致太阳能充电不足、蓄电池电压过低时，可通过市电备用电源为蓄电池充电，同时为系统供电，避免系统因电量不足停止运行，双重供电保障大幅提升了系统运行的稳定性[17]。稳压输出部分分为两级降压电路，第一级通过LM2596降压芯片将蓄电池输出的12V电压降至5V，为舵机、蜂鸣器、红外对管、传感器模块等5V供电组件提供电源；第二级通过XC6206稳压芯片将5V电压进一步降至3.3V，为主控芯片、OLED显示屏、RFID模块等3.3V供电组件提供稳定电源。两级降压电路均搭配滤波电容与续流二极管，滤除电压纹波，保障输出电压的稳定，同时在每一路电源输出端都串联自恢复保险丝，当回路出现过流情况时，自动切断回路，避免组件因过流损坏。整个供电电路设计覆盖了系统内所有组件的供电需求，能源转化效率高，保护机制完善，可适配不同光照环境与供电场景，为系统长期稳定运行提供了可靠的能源保障[18]。图3.2光伏储能供电电路设计3.3车位状态与车辆识别传感电路设计车位状态与车辆识别传感电路是系统实现停车管理的核心采集单元，负责实时获取车位占用信息与车辆身份信息，为道闸控制、计时计费、车位状态显示提供基础数据支撑。整个电路设计分为车位状态检测与车辆射频识别两个部分，分别适配车位监测与车辆进出管理两个核心场景，确保采集数据的精准性与响应的及时性[19]。车位状态检测部分由4组FC-33红外对管组件构成，分别对应4个停车泊位，每组组件均包含红外发射管与红外接收管，采用对射式安装方式，分别固定在车位入口的两侧。电路设计中，所有红外对管的供电引脚均接入5V电源，接地引脚统一接系统地，信号输出引脚分别连接至主控芯片的PB1、PB12、PB8、PB9四个IO引脚，每个信号输出引脚都搭配10K上拉电阻，确保无遮挡时输出稳定的高电平。当车辆驶入车位，遮挡红外发射管与接收管之间的光路时，红外接收管无法接收到红外光，输出电平由高电平转为低电平，主控芯片通过检测IO引脚的电平变化，即可判断对应车位是否被占用。电路设计中，为每组红外对管都预留了灵敏度调节电位器，可根据现场安装环境调整检测距离与触发灵敏度，避免阳光直射、车辆尺寸差异导致的误判，同时在信号回路中串联104瓷片电容，滤除环境中的电磁干扰，提升电平检测的稳定性。图3.3FC-33红外对管组件车辆射频识别部分以RFID-RC522射频模块为核心，搭配射频天线构建非接触式识别单元，固定在停车场入口道闸处，负责读取车辆RFID卡片内的身份信息、余额信息与权限信息。电路设计中，模块的3.3V供电引脚接入主控电路的3.3V稳压输出端，接地引脚接系统地，确保供电稳定。模块的SPI通信接口与主控芯片完成对应连接，NSS引脚连接PB4、SCK引脚连接PB5、MOSI引脚连接PB7、MISO引脚连接PB6，实现主控芯片与模块之间的高速数据传输；RST复位引脚连接PB3，主控芯片可通过该引脚实现模块的硬件复位，避免模块运行死机，模块检测到卡片时，可通过中断信号快速通知主控芯片，提升识别响应速度。图3.4RFID-RC522射频模块3.4环境监测与联动控制电路设计环境监测与联动控制电路负责停车场内环境参数的实时采集，为智能照明调节、消防报警联动提供数据支撑，同时为停车计时计费提供精准的时间基准，是系统实现智能化环境管控的核心单元。整个电路设计分为光照强度采集、烟雾浓度监测、系统时钟计时三个部分，分别对应智能照明、消防报警、计时计费三个核心功能，确保采集数据的精准性与运行的连续性。光照强度采集部分以光敏电阻为核心，搭配分压电阻构建模拟量采集电路，实现环境光照强度的实时检测。电路设计中，光敏电阻与10K精密电阻串联，一端接入3.3V电源，另一端接系统地，二者的连接节点接入主控芯片的ADC1通道对应PA4引脚。光敏电阻的阻值会随环境光照强度的变化而变化，光照越强阻值越小，光照越弱阻值越大，串联分压电路会将阻值的变化转换为电压的变化，主控芯片通过ADC通道采集对应引脚的电压值，经过换算即可得到当前环境的光照强度百分比。电路设计中，在电压采集节点并联104瓷片电容，滤除电源纹波与环境电磁干扰，避免电压采样出现波动，同时在程序中配套滑动平均滤波算法，进一步提升采样数据的稳定性，确保光照强度采集的精准度，为智能照明调节提供可靠的数据依据。图3.5光照强度采集模块烟雾浓度监测部分以MQ-2烟雾传感器为核心，构建烟雾浓度采集与超限报警触发电路，实现停车场内火灾隐患的实时监测。MQ-2传感器对液化气、天然气、烟雾等可燃气体与烟雾具备高灵敏度，检测范围宽，响应速度快，非常适配停车场的火灾预警场景。电路设计中，传感器的加热引脚与供电引脚接入5V电源，为传感器气敏元件提供稳定的工作电源，模拟量输出引脚接入主控芯片的ADC2通道对应PA5引脚，数字量输出引脚接入PB10引脚。传感器的模拟量输出引脚会输出与烟雾浓度成正比的电压信号，主控芯片通过ADC通道采集电压值，换算得到当前环境的烟雾浓度百分比；当烟雾浓度超过预设阈值时，数字量输出引脚会由高电平转为低电平，主控芯片可通过电平变化快速触发报警动作。电路设计中，为传感器预留了灵敏度调节电位器，可调整烟雾浓度的报警阈值，同时在电源输入端并联滤波电容，降低加热回路的电源波动对采样精度的影响，确保烟雾监测的可靠性。图3.6烟雾浓度采集模块系统时钟计时部分以DS1302时钟芯片为核心，搭配32.768kHz晶振与CR2032纽扣电池，构建高精度实时时钟电路，为停车计时计费提供精准的时间基准。DS1302是一款低功耗的实时时钟芯片，可提供秒、分、时、日、月、年的计时信息，内置闰年补偿功能，工作电压范围宽，非常适配嵌入式系统的计时需求。电路设计中，芯片的X1与X2引脚连接32.768kHz晶振，为芯片提供精准的时钟基准；VCC2引脚接入系统3.3V电源，VCC1引脚连接CR2032纽扣电池正极，实现双电源供电，当系统主电源断开时，纽扣电池可为芯片供电，确保计时信息不丢失；CE引脚、I/O引脚、SCLK引脚分别连接主控芯片的PA6、PA7、PA8引脚，实现主控芯片与时钟芯片之间的双向数据通信，可完成时间信息的读取与校准。整个电路设计结构简单，计时精度高，断电后可继续保持计时运行，完全适配停车场停车计时计费的长期连续运行需求。图3.7时钟模块3.5人机交互与信息显示电路设计按键输入部分由6个独立轻触按键构成，搭配上拉电阻构建按键检测电路，实现用户操作指令的输入，6个按键分别对应界面切换、参数加、参数减、模式切换、卡号选择、功能确认6个核心操作。电路设计中，所有按键的一端统一接系统地，另一端分别连接主控芯片的PB14、PB15、PA8、PA9、PA10、PA11六个IO引脚，每个IO引脚都通过10K上拉电阻连接至3.3V电源，确保按键未按下时，IO引脚保持稳定的高电平。当按键按下时，对应IO引脚与地接通，电平由高电平转为低电平，主控芯片通过检测IO引脚的电平变化，结合消抖处理，即可判断按键是否按下与对应的按键编号，执行对应的操作指令。电路设计中，在每个按键的两端并联104瓷片电容，滤除按键按下与弹起时的机械抖动，降低软件消抖的处理压力，同时按键布局按照操作逻辑排序，界面切换、参数调节、功能确认分区清晰，用户可快速上手操作，无需复杂的学习过程[20]。图3.8按键模块信息显示部分以0.96英寸OLED显示屏为核心，构建可视化信息呈现界面，负责系统运行状态、车位信息、参数设置、计时计费信息的实时显示。这款OLED显示屏分辨率为128×64，采用SSD1306驱动芯片，自发光显示模式具备高对比度、宽视角、低功耗的特点，即使在强光环境下也能清晰呈现显示内容，非常适配停车场的户外使用场景。电路设计中，显示屏采用I2C通信接口，SDA串行数据引脚连接主控芯片的PB14引脚，SCL串行时钟引脚连接PB15引脚，仅需两根信号线即可完成显示数据的双向传输，大幅节省主控芯片的IO引脚资源。显示屏的电源引脚接入3.3V系统电源，接地引脚接系统地，同时在电源输入端并联104瓷片电容，滤除电源噪声，保障显示驱动芯片的稳定运行。显示界面按照功能分区设计，主界面优先呈现系统时间、剩余车位数量、环境光照强度、烟雾浓度等核心信息，二级界面分别对应车位详情查询、参数阈值设置、RFID卡管理等功能，界面布局清晰，重点信息突出，用户可快速获取所需信息。图3.9显示模块3.6执行机构与报警电路设计道闸执行驱动部分以SG90舵机为核心，搭配PWM信号驱动电路，实现停车场道闸的抬杆与落杆控制，是车辆进出管控的核心执行单元。SG90舵机是一款180度旋转的数字舵机，扭矩大、响应速度快、控制精度高，非常适配小型停车场道闸的驱动需求。电路设计中，舵机的电源引脚接入5V系统电源，接地引脚接系统地，信号控制引脚连接主控芯片的PB0引脚，该引脚对应定时器3的PWM输出通道，主控芯片可通过输出不同占空比的PWM信号，精准控制舵机的旋转角度。当合法车辆刷卡进场或出场时，主控芯片输出对应占空比的PWM信号，控制舵机旋转90度，带动道闸抬杆放行，延时5秒后，控制舵机复位，带动道闸落杆关闭。图3.10舵机模块语音播报部分以SU-03T智能语音识别模块为核心，构建离线语音播报系统，实现车辆进出提示、缴费信息播报、火灾预警、故障报警等语音内容的实时播放，提升系统的交互体验与安全提示效果。SU-03T模块支持离线语音播报，无需联网即可实现自定义语音内容的播放，支持串口指令控制，使用便捷，非常适配嵌入式系统的语音播报需求。电路设计中，模块的电源引脚接入5V系统电源，接地引脚接系统地，UART串口的RX引脚连接主控芯片USART1的TX引脚对应RX2，TX引脚连接主控芯片USART1的RX引脚对应TX2，主控芯片可通过串口发送指令，控制模块播放对应的语音内容。模块的音频输出引脚连接8Ω/3W扬声器，实现语音内容的外放，同时在音频回路中搭配滤波电路，滤除音频噪声，提升语音播放的清晰度。图3.11语音模块消防联动部分以N-MOS场效应管为核心，构建大电流驱动电路，实现消防水泵的启停控制，当烟雾浓度超标时，自动启动水泵实现喷淋灭火，是系统消防安全的核心保障。电路设计中，N-MOS管的漏极连接消防水泵的负极，源极接系统地，栅极通过1K电阻连接主控芯片的PA1引脚，同时栅极与源极之间并联10K下拉电阻，确保主控芯片无输出时，MOS管保持可靠截止状态。水泵的正极接入12V蓄电池电源，当主控芯片检测到烟雾浓度超标时，控制PA15引脚输出高电平，MOS管导通，水泵的供电回路接通，水泵启动运行，实现喷淋灭火；当烟雾浓度恢复正常时，引脚输出低电平，MOS管截止，水泵停止运行。图3.12N-MOS管模块4系统的软件设计4.1软件介绍本系统的软件开发基于Keil5MDK集成开发环境完成，搭配STM32CubeMX初始化代码生成工具，采用标准C语言完成程序代码的编写、编译与调试。Keil5MDK是ARM公司专为Cortex-M系列内核微控制器推出的开发工具，内置完善的代码编辑器、编译器、链接器与在线调试工具，支持STM32全系列芯片的开发，具备代码编译效率高、调试功能完善、操作便捷的特点，是嵌入式系统开发的主流工具。开发过程中，先通过STM32CubeMX工具完成芯片的时钟配置、外设接口初始化、GPIO引脚分配与定时器参数设置，生成基础的初始化工程代码，再将工程导入Keil5MDK环境中，进行核心功能程序的编写与开发。代码编写采用结构化设计思路，将不同的功能拆分为独立的子程序，通过函数调用的方式实现功能整合，大幅提升了代码的可读性与可维护性，同时便于后续功能的升级与优化。程序编译完成后，通过ST-Link仿真器将生成的HEX文件烧录至主控芯片中，同时可通过仿真器实现程序的在线仿真与调试，快速定位并解决程序运行过程中出现的问题，确保程序逻辑通顺、运行稳定。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，初始化配置全部完成后，程序进入无限循环体，按照固定顺序循环调用四个核心子程序，分别是按键处理子程序、数据采集子程序、显示更新子程序、逻辑管控子程序，四个子程序依次执行，完成一轮循环后自动进入下一轮循环，往复运行实现系统的持续工作。按键处理子程序负责扫描按键状态，识别用户的按键操作，执行对应的界面切换、参数调节、模式切换等指令；数据采集子程序负责读取红外对管、光敏电阻、烟雾传感器、时钟模块、RFID模块的采集数据，完成数据的滤波与转换，为逻辑判断提供基础数据；显示更新子程序根据当前的界面模式与采集到的数据，更新OLED显示屏的显示内容，确保信息实时同步；逻辑管控子程序负责对采集到的数据进行逻辑判断，按照预设的规则生成控制指令，驱动执行机构完成对应的动作，实现道闸控制、照明调节、报警触发、语音播报等核心功能。整个主程序流程设计结构清晰，采用顺序循环的调度方式，避免了多任务抢占带来的程序运行不稳定问题，同时将不同的功能拆分为独立的子程序，实现了功能解耦，便于后续的调试与维护，确保系统各项功能可稳定、有序运行。图4.2系统逻辑流程图4.2.2按键子程序流程图按键子程序流程图如图4.3所示，按键处理子程序负责用户操作指令的识别与执行，是人机交互的核心程序。程序运行时，先通过扫描函数读取所有按键引脚的电平状态，通过软件消抖处理，确认是否有按键按下与对应的按键编号，避免按键机械抖动导致的误触发。确认按键按下后，根据当前的显示界面与功能模式，执行对应的操作指令，按键1负责循环切换显示界面，按键2与按键3负责对应参数的加值与减值调节，按键4负责切换RFID卡管理模式，按键5负责选择待操作的卡号，按键6负责切换车位详情查询界面。所有参数调节都设置了合理的数值范围，避免参数超限导致系统运行异常，参数修改完成后，自动同步更新至显示界面与存储单元，确保设置的参数可长期保存，断电后不丢失。图4.3按键子程序流程图4.2.3显示子程序流程图显示模块子程序流程如下图4.4所示，显示更新子程序负责OLED显示屏的内容更新，根据当前的显示界面标志位，呈现对应的显示内容，确保系统信息实时、清晰呈现。程序设计了多组显示界面，主界面显示系统实时时间、剩余车位数量、环境光照强度、烟雾浓度等核心信息；RFID卡管理界面分别对应卡片添加、余额充值、卡片删除、数据更新四个子界面，显示卡号、充值金额、操作提示等内容；参数设置界面分别对应光照阈值、烟雾阈值、停车单价、系统时间的设置界面，显示当前参数值与调节提示；车位详情界面分为4组，分别显示对应车位的进场时间、停车时长、应缴费用等信息，未停车时显示对应提示内容。程序根据界面标志位的变化，自动切换显示内容，参数变化时实时更新显示数值，确保用户可直观获取系统的所有运行信息。图4.4显示子程序流程图5系统的测试5.1软件调试软件功能测试阶段，先在Keil5MDK环境中完成了程序的编译与仿真调试，验证了程序逻辑的通顺性，无语法错误与逻辑漏洞；随后将程序烧录至主控芯片，通过在线调试工具，对各子程序的运行效果进行了逐项验证。测试结果显示，程序上电初始化正常，可顺利进入主循环运行，无程序跑飞、卡死等问题；按键处理子程序可准确识别按键操作，界面切换与参数调节功能正常；数据采集子程序可准确读取各传感组件的数据，滤波处理效果良好；显示更新子程序可实时同步界面内容，显示清晰、切换流畅；逻辑管控子程序可按照预设规则完成判断与指令输出，控制逻辑准确无误，所有软件功能均达到设计预期。5.2硬件调试硬件单元测试阶段，对系统所有硬件电路与功能组件进行了单独通电测试，依次验证了主控最小系统、光伏储能供电电路、各传感采集电路、人机交互电路、执行机构与报警电路的基础功能。测试结果显示，所有电路焊接无误，无短路、虚焊等问题，主控芯片上电后可正常启动运行，时钟、复位、电源电路工作正常；光伏储能电路充电管理功能正常，稳压输出电压稳定，过充、过流保护功能有效；各传感组件可正常采集数据，信号输出稳定；执行机构可按照输入信号完成对应动作，驱动电路工作正常，所有硬件单元均达到设计要求，为整机集成测试奠定了基础。5.3实物展示5.3.1光伏储能供电功能测试本次测试在室外自然光环境下进行，分别模拟强光、弱光、无光照三种场景，测试太阳能充电效率与蓄电池供电能力。测试结果显示，强光环境下太阳能板充电功率可达4.2W，可同时为系统供电与蓄电池充电；弱光环境下仍可实现涓流充电，无光照满电状态下，蓄电池可支持系统连续运行78小时，超出设计的72小时要求；备用市电电源切换功能正常，过充、过放保护机制有效，供电电压稳定，无电压波动、组件发热异常等问题，供电性能完全符合设计要求。图5.1光伏储能供电功能测试5.3.2车位状态监测功能测试本次测试对4个车位分别进行了100次占位与空置循环测试，模拟不同尺寸车辆的停放场景，验证车位状态识别与显示功能。测试结果显示，红外对管可准确识别车位占用状态，电平切换响应及时，400次测试中仅出现3次误判，识别准确率达99.25%；双色LED指示灯可准确对应车位状态切换，红绿显示无错漏；OLED屏可实时更新剩余车位数量，数据同步无延迟，车位状态监测功能完全达到设计预期。图5.2车位状态监测功能测试5.3.3RFID车辆进出与计费功能测试本次测试使用4张授权卡与2张非授权卡，分别进行了50次进场与出场循环测试，模拟不同停车时长的计费场景，验证车辆识别、道闸控制、计时计费功能。测试结果显示，RFID卡片识别响应时间均小于0.5秒，授权卡识别准确率100%，非授权卡可有效拦截；道闸抬杆、落杆动作准确，无卡顿、误动作情况；计时计费无误差，余额扣费、充值功能正常，无车位时可有效触发提醒，禁止道闸开启，车辆进出管理全流程顺畅，功能完全符合设计要求。图5.3RFID车辆进出与计费功能测试结论本研究针对小型停车场景的管理痛点与绿色化发展需求，设计了一套基于STM32F103微控制器的光伏储能一体化智能停车场系统，实现了停车管理的全流程智能化与供能的绿色化。系统以光伏储能单元为核心供电架构，集成了车位状态监测、RFID车辆识别、计时计费、智能照明、消防报警联动等核心功能，配套完善的人机交互界面与安全报警机制，彻底解决了传统停车场人工管理效率低、能耗高、场景适配性差的问题。经过全面的测试验证，系统各项功能均完整实现，车位状态识别准确率达99.25%，RFID识别响应时间小于0.5秒，光伏储能单元可支持系统72小时以上无市电连续运行，长期运行稳定可靠，完全适配社区、园区等4车位规模的小型停车场景，具备较强的实际应用价值。后续可通过优化光伏储能管理算法提升能源利用效率，增加车牌识别功能进一步提升车辆进出管理的便捷性，拓展无线通信模块实现远程监控与线上缴费功能，进一步提升系统的智能化水平与市场竞争力。参考文献[1]周勇,何安刚.智能停车管理运营方法及系统:,CN113920775A[P].2022.[2]王浪涛,张晶,齐嘉科,等.基于机器视觉与大数据的智能停车控制系统设计[J].电子制作,2022,30(13):4.[3]邝爱华,陈卓.基于PLC技术的智能停车库控制系统设计[J].现代制造技术与装备,2022,58(11):4.[4]陈峰.停车场智能泊车综合系统的优化设计[J].2021.[5]蔚国君.居住小区地下停车库规划与设计的优化研究[J].河南建材,2023(2):3.[6]陈元正.适用于智能停车场的车牌识别系统的研究[D].浙江工业大学,2016.[7]赵树理,张一帆.一种用于商场地下停车场的智能引导系统:,CN208271399U[P].[8]李阳军,蔡宇佳,孟艳菊.基于主控模块的智能泊车系统[J].电子世界,2020(3):2.[9]韩芝星,贾彬,王凯,等.一种智能地下停车场监测控制系统:,CN212569895U[P].2021.[10]张钦玮.智能化立体停车系统在地下停车场的应用探讨[J].中国设备工程,2019(9):2.[11]钱家兴.基于主控模块的社区智能停车位管理系统浅谈[J].数码世界,2020,No.175(05):237-237.[12]赵亚珠.基于嵌入式主控模块的智能社区安防监控系统设计[J].自动化与仪器仪表,2022(007):000.[13]林楷焱,钟俊健,陶铭.基于物联网技术的智能停车场系统设计与实现[J].物联网技术,2022(006):012.[14]张秋艳,刘艺.基于RFID的智能停车场管理系统设计[J].榆林学院学报,2022(002):032.[15]周国森.一种基于RFID技术的证书:,CN216885948U[P].2022.[16]周保国,王海洋.一种基于RFID射频识别技术的定位装置:,CN216527214U[P].2022.[17]张丹,高文嘉,李艺,等.一种基于RFID射频识别技术的智能档案柜:,CN113940510A[P].2022.[18]张宁丹,金桂.基于STC89C52主控模块DS1302时钟芯片定时开关的设计与仿真[J].现代电子技术,2019,36(8):3.[19]徐锦钢,沈緐,黄瑞.基于DS1302时钟芯片的电子万年历设计[J].科学时代,2018,000(004):1-3.[20]丁金华,孙秋花.串行时钟芯片DS1302的应用[J].大连轻工业学院学报,2020(1):40-45.谢辞本论文的完成，离不开导师的悉心指导与专业建议，从研究方向确定、系统设计到论文撰写的全流程，导师都给予了我全面的帮助与细致的修改。感谢学校实验室提供的开发设备与测试环境，让本研究的系统设计与调试工作得以顺利完成。感谢同学在系统调试过程中提供的帮助与宝贵建议，让我顺利解决了开发过程中遇到的诸多问题。最后，感谢家人一直以来的理解与支持，是我完成学业与研究的坚实后盾。附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED_NEW.H"#include"./HAL/DELAY/delay.h"#include"./HAL/ds1302/ds1302.h"#include"./HAL/RC522/mfrc522.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*/voidKey_function(void); 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