基于ESP32單片機(jī)的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31319基于ESP32單片機(jī)的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 14902第1章硬件電路設(shè)計(jì) 1177961.1ESP32單片機(jī) 1185581.2電源電路模塊的設(shè)計(jì) 221.3紅外傳感器電路的設(shè)計(jì) 3112731.4電流傳感器模塊的設(shè)計(jì) 3134181.5繼電器模塊的設(shè)計(jì) 4105811.6按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 517948第2章軟件設(shè)計(jì) 5194912.1主程序設(shè)計(jì) 6307632.2紅外判斷程序設(shè)計(jì) 7402.3WiFi通信子程序設(shè)計(jì) 8第1章硬件電路設(shè)計(jì)1.1ESP32單片機(jī)本次設(shè)計(jì)選用ESP32型號(hào)模塊，是主流的ARM平臺(tái)的控制器，其芯片管腳為39pin，主控芯片的用途在于內(nèi)部燒錄程序的執(zhí)行，調(diào)用和驅(qū)動(dòng)外圍功能模塊按照預(yù)設(shè)邏輯工作。ESP32模塊的工作電壓為1.3V，電壓可寬泛至1.0V，仍能完成工作開啟。單片機(jī)內(nèi)部集成了一組時(shí)鐘電路可實(shí)現(xiàn)RTC計(jì)時(shí)功能，但一般情況下仍可以設(shè)計(jì)一組外部時(shí)鐘電路來提高時(shí)鐘信號(hào)的精度。芯片內(nèi)部的閃存和SRAM容量都可支持大量程序燒寫，本次選用的ESP32的功耗僅為36mA，在同等配置下屬于最低等級(jí)。ESP32主芯片管腳圖如圖3-1所示。圖3-1ESP32主控最小系統(tǒng)原理圖1.2電源電路模塊的設(shè)計(jì)現(xiàn)階段供電方式和接口均往標(biāo)準(zhǔn)化方向在發(fā)展，本次系統(tǒng)選用5V電源，但由于系統(tǒng)中存在ESP32單片機(jī)等功能模塊的需要1.3V電壓，因此電源DC-DC電路是無法避免的，DC芯片選用了AMS1117型號(hào)，該型號(hào)的工作原理圖與一般的線性穩(wěn)壓器相同，利用的是反饋調(diào)節(jié)機(jī)制維持1.3V輸出電壓的穩(wěn)定，即便輸入電壓是4.4V，電源模塊電路仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓1.3V輸出，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。電源DC轉(zhuǎn)換電路如下圖3-2所示，AMS1117的輸入為VCC5，C7電容的存在是為了對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波，輸出電壓端由C8實(shí)現(xiàn)高頻和低頻濾波的作用，實(shí)現(xiàn)1.3V的穩(wěn)定輸出。圖3-2電源模塊電路設(shè)計(jì)圖1.3紅外傳感器電路的設(shè)計(jì)在本次智能停車場(chǎng)設(shè)計(jì)中采用的是紅外檢測(cè)模塊用于負(fù)責(zé)對(duì)著當(dāng)前停車位是否有車停留進(jìn)行檢測(cè)以及自動(dòng)感應(yīng)車輛經(jīng)過并引導(dǎo)客戶功能，該傳感器的紅外對(duì)管檢測(cè)模塊探頭主要分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分，發(fā)射管的部分負(fù)責(zé)發(fā)射一定頻率的紅外波，假如遇到障礙物就會(huì)反射，反射回來的紅外線就會(huì)被接收管進(jìn)行接收，這樣就可以判斷前方是否有物體，但是在實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了一個(gè)意外，當(dāng)我把磨砂的黑色的物體放在傳感器前，傳感器并沒有檢測(cè)到，因?yàn)楹谏亲钅芪占t外線的。并且同時(shí)該模塊配置了相應(yīng)的滑動(dòng)變阻器，是用來調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的靈敏度，變相來說就是改變模塊作用范圍的有效距離，所以當(dāng)模塊被觸發(fā)時(shí)，首先信號(hào)先輸入到LM393比較器再通過引腳輸出到單片機(jī)后進(jìn)行觸發(fā)。紅外傳感器原理圖如圖3-3所示。圖3-3紅外傳感器電路圖1.4電流傳感器模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用的是ACS712T模塊，可支持5A-30A量程的電流檢測(cè)，屬于霍爾電流傳感器，器件內(nèi)有低偏置的線性霍爾傳感器電路，具有響應(yīng)快低噪聲干擾等優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比高。電流傳感器模塊電路如下圖3-4所示，ACS7121T為5個(gè)管腳的器件，3腳為VCC電源腳與1.3V電源線相連實(shí)現(xiàn)供電，1腳和5腳為GND接地腳，連接到地線上，2腳為電流的采集量，4腳為外接負(fù)載的正極，當(dāng)有掛載負(fù)載設(shè)備時(shí)可以采集到流過的電流值，并通過2腳與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)采集。電流傳感器模塊的原理圖如圖3-4所示。圖3-4電流傳感器模塊原理圖1.5繼電器模塊的設(shè)計(jì)由于本次系統(tǒng)需要完成智能開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)斷電和通電的動(dòng)作，此處設(shè)計(jì)以繼電器空載的模式來模擬控制設(shè)備工作狀態(tài)的切換，可通過繼電器上的LED工作狀態(tài)燈直觀的看出模擬設(shè)備工作與否。繼電器器件內(nèi)部存在線圈，當(dāng)屬于斷路時(shí)線圈無電磁效果，繼電器觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，整個(gè)電路負(fù)載處于斷開狀態(tài)，此時(shí)為待機(jī)。當(dāng)屬于通路時(shí)，繼電器線圈產(chǎn)生電磁吸引力，完成電磁轉(zhuǎn)換，繼電器的可動(dòng)觸點(diǎn)被吸引后與固定觸點(diǎn)完成接觸導(dǎo)通，由于電磁力的存在觸點(diǎn)的接觸可一直保持，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載設(shè)備的工作驅(qū)動(dòng)控制。單片機(jī)的IO口與繼電器直連，單片機(jī)輸出的高低電平信號(hào)可使得繼電器開關(guān)由斷路切換為通路。繼電器控制電路的電壓同樣為5V，與電源線相連實(shí)現(xiàn)供電。通過單片機(jī)的控制信號(hào)管腳的作用實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的切換。當(dāng)整個(gè)電路保持5V正常穩(wěn)定供電時(shí)，若此時(shí)需要對(duì)智能充電樁持續(xù)通電的操作，單片機(jī)口會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，將內(nèi)置的三極管導(dǎo)通，從而控制繼電器開啟工作，當(dāng)需要斷電時(shí)單片機(jī)端口恢復(fù)成高電平，繼電器不工作，繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3-5所示。圖3-5繼電器模塊原理圖1.6按鍵模塊電路設(shè)計(jì)任何產(chǎn)品都少不了人工控制部分，電子產(chǎn)品通常是用獨(dú)立按鍵或矩陣按鍵模塊來實(shí)現(xiàn)，將外部的人工控制控制指令輸入到處理器，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單有效的人機(jī)交互操作。本次設(shè)計(jì)的按鍵模塊用于完成充值的繳費(fèi)動(dòng)作。對(duì)于單個(gè)按鍵由于物理量的差異存在兩種狀態(tài)，即響應(yīng)和斷開。在硬件電路中關(guān)于按鍵的連接設(shè)計(jì)，按鍵的一端接著GND地線，另一端與單片機(jī)對(duì)應(yīng)的IO管腳直連并拉高電平，當(dāng)處于自然狀態(tài)，按鍵的物理行程為不接觸，因此單片機(jī)的IO管腳識(shí)別到的為高電平，不會(huì)觸發(fā)處理器響應(yīng)按鍵指令，當(dāng)按鍵按下后，物理行程為接觸，單片機(jī)的管腳直連GND，處理器可接收到一個(gè)低電平信號(hào)進(jìn)而觸發(fā)對(duì)按鍵指令的執(zhí)行，從而完成人機(jī)交互的目的。第2章軟件設(shè)計(jì)在此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)過程中，是在硬件載體正常供電的基礎(chǔ)上使用軟件編程來控制的，因此軟件程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵，本章節(jié)對(duì)各功能模塊的運(yùn)行進(jìn)行分析和繪制程序流程圖的方式來展現(xiàn)?；谙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)完成相應(yīng)硬件底層的設(shè)計(jì)和連接后，然后接下來就是應(yīng)用層相關(guān)的功能軟件設(shè)計(jì)，需要一個(gè)合適便捷的工具來進(jìn)行代碼編譯和運(yùn)行調(diào)試等設(shè)計(jì)步驟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主程序和各子功能調(diào)用程序的模塊劃分和編寫，匯編語言是最早產(chǎn)生的一種軟件編程語言，隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的改良，C語言出現(xiàn)完全替代掉繁瑣的匯編語言，現(xiàn)主流設(shè)計(jì)均采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)C語言的編譯工具也根據(jù)不同平臺(tái)開發(fā)了例如keiluvison、IDE、MDK等代碼工具，甚至樹莓派的py語言也是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。本次系統(tǒng)開發(fā)的編程平臺(tái)選擇了擁有廣泛群眾基礎(chǔ)IDE，軟件的界面和操作便利性得到了很大的提升和改進(jìn)。在兼容性方面也很強(qiáng)大，可包容Arduino全系列的單片機(jī)控制器產(chǎn)品，軟件首先要建立一個(gè)工程文件，隨后分支建立第二級(jí)、第三級(jí)等子功能模塊調(diào)用函數(shù)的.C文件和.H文件，在主程序中實(shí)現(xiàn)庫(kù)函數(shù)和功能模塊函數(shù)之間的循環(huán)調(diào)用。模塊化的編譯方式在查找問題時(shí)也顯得輕松，將范圍縮小至一個(gè)函數(shù)中，待每個(gè)函數(shù)都可執(zhí)行下去且無出現(xiàn)任何bug和錯(cuò)誤信息，則表明程序函數(shù)的編譯完成，可生成HEX文件下載至控制器內(nèi)，完成系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合。2.1主程序設(shè)計(jì)主程序流程為系統(tǒng)通電后將首先完成該系統(tǒng)參數(shù)各配置項(xiàng)的初始化設(shè)置，清楚標(biāo)志位和數(shù)據(jù)緩存區(qū)，隨后便調(diào)用紅外傳感器數(shù)據(jù)和電壓電流傳感器采集程序，完成當(dāng)前停車場(chǎng)和充電樁信息的讀取，隨后調(diào)用液無線通信程序?qū)⒆x取到的電壓電流及充電信息在液晶屏上顯示，實(shí)現(xiàn)智能停車場(chǎng)與充電樁管理的功能。主程序的具體流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖2.2紅外判斷程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)需要完成停車位的是否有車數(shù)據(jù)參數(shù)的判斷，通過YL-62紅外模塊與單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)通信，紅外信號(hào)輸入單片機(jī)后轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的電平信號(hào)。首先需對(duì)傳感器模塊的配置初始化，與ESP32處理器的IO對(duì)應(yīng)接口連通，隨后開始循環(huán)采集當(dāng)前的各組紅外數(shù)據(jù)并傳遞給處理器，處理器接收后進(jìn)行解析后輸出判斷結(jié)果的功能。其流程圖如圖4-2所示。圖4-2液晶屏顯示程序流程圖2.3WiFi通信子程序設(shè)計(jì)由于ESP32的產(chǎn)品屬性，內(nèi)部集成了WiFi模塊，因此在此采用的是WiFi通信方式與遠(yuǎn)程端進(jìn)行信息交互，將檢測(cè)到的電壓電流、車輛是否在位等數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控工具上。對(duì)于其控