基于單片機的USB通信電磁鎖控制系統(tǒng)設計

楊一曼，許連閣

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學院自動控制系，遼寧 丹東 118000)

0 引 言

隨著零售業(yè)的發(fā)展，在信息化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，自動售貨機已在全世界范圍內(nèi)分布，其門鎖的智能化和安全性尤為重要。USB是一種串口總線標準，也是一種I/O接口的技術(shù)規(guī)范，實現(xiàn)了主機和外部設備的通訊，具有標準統(tǒng)一、攜帶方便、可以熱插拔等特點，是應用廣泛的串行接口總線[1]。在自動售貨機電磁鎖中應用USB通信技術(shù)，將使電磁鎖的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安全性得到保障。單片機具有性價比高、應用靈活、性能穩(wěn)定等特點，以單片機為控制核心的應用技術(shù)越來越廣，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地傳送數(shù)據(jù)。將USB通信技術(shù)與單片機控制相結(jié)合，設計了以單片機為控制核心的USB通信電磁鎖控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁鎖的控制技術(shù)要求。

1 USB電磁鎖控制系統(tǒng)技術(shù)說明

1)外接電源：AC85～265 V 50 Hz，<12 W；

2)輸出配接12 V接線方式，即電磁鎖采用并聯(lián)線圈的方式；

3)配接電磁鎖容量：12 V，<0.8 A；

4)USB連接線用USB-B型接口；

5)USB驅(qū)動問題，一般 Win 7 以上系統(tǒng)能夠自動識別但XP系統(tǒng)不能識別的系統(tǒng)，安裝CH340的驅(qū)動程序即可；

6)具有掉電記憶功能，即在停電恢復供電后，鎖的狀態(tài)是停電前的狀態(tài)；

7)指示燈：紅色為交流電源指示，黃色為USB接入指示，綠色常亮表示已鎖門，綠色閃爍表示門鎖已打開。

2 硬件系統(tǒng)組成

基于單片機的USB通信電磁鎖控制系統(tǒng)由單片機控制系統(tǒng)、電磁鎖驅(qū)動電路、USB信號轉(zhuǎn)換RS232TTL電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成(圖1)。

2.1 單片機控制系統(tǒng)

STC15系列單片機是新一代8051單片機，具有高速、低功耗、高可靠性、強抗干擾能力、無法解密的加密技術(shù)、指令代碼與傳統(tǒng)8051指令代碼兼容、易于編程，同時內(nèi)部具有EEPROM可擦寫十萬余次、掉電不丟失數(shù)據(jù)等特點；另外可以省掉外部晶振和外部復位電路，降低了硬件電路的復雜程度，同時也能夠節(jié)約成本。基于以上優(yōu)點，系統(tǒng)選擇型號為STC15W202S的單片機[2]作為控制核心。此單片機工作電壓是 5.5～2.5 V,Flash程序存儲器存儲空間是 2 k 字節(jié)，SRAM的存儲空間是256字節(jié)，EEPROM的存儲空間是 3 k 字節(jié)，有一組串行口，內(nèi)部具有看門狗電路。

通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電磁鎖的開閉，同時系統(tǒng)也設置手動開關(guān)門調(diào)試按鈕和開關(guān)門指示燈。單片機控制系統(tǒng)如圖1所示，單片機引腳P 3.0接電阻R9和引腳P3.1，接隔離二極管的作用是防止USB器件給單片機供電；在電源線Vcc與Gnd之間加上電源去耦電容C6和C10，作用是去除電源線噪聲，電容容量較大者吸收低頻噪音，電容容量較小者吸收高頻噪音，提高抗干擾能力。

圖1 單片機控制系統(tǒng)Fig.1 Single chip microcomputer control system

2.2 電磁鎖驅(qū)動電路

為了增加安全性，降低電路干擾，使之前端與電磁鎖完全隔離，所以選擇PC817應用電路作為電磁鎖驅(qū)動電路，PC817為單通道緊湊型光電耦合器,當發(fā)光二極管發(fā)光，照射到光敏三級管上使之導通，PC817的引腳3與場效應管V1的柵極相連接，當光敏三極管導通時場效應管導通，電磁鎖得電。由于電磁鎖是電感性元件，電感通電后電磁飽和，當斷電瞬間V1截止時，在電感兩端因電感阻礙電流變化的特性，產(chǎn)生一個與電源電壓幅值相同的反向電動勢，即-12 V，與電源電壓疊加，在V1的源極上產(chǎn)生 24 V 的電壓。為避免場效應管V1被高電壓擊穿損壞，在電磁閥線圈兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，吸收這個反電動勢，以保護場效應管V1安全工作。電磁鎖驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 電磁鎖驅(qū)動電路Fig.2 Drive circuit of electromagnetic lock

2.3 USB信號轉(zhuǎn)換RS232TTL電路

圖3 USB信號轉(zhuǎn)換RS232TTL電路Fig.3 USB signal conversion RS232TTL circuit

單片機的TXD、RXD是TTL電平，所以將USB信號轉(zhuǎn)換成RS232TTL電平，只有這樣才能與單片機TTL電平兼容，上位機與單片機才能完成通訊。PL-2303雖然成本低，但是外圍電路復雜，CH340雖然成本相對高，但是其性能穩(wěn)定，外圍電路簡單，所以選擇CH340將USB信號轉(zhuǎn)換成RS232。CH340芯片內(nèi)置了電源上電復位電路，UD+和UD-引腳與USB總線的D+和D-連接，時鐘信號由其內(nèi)置的反相器和晶體穩(wěn)頻震蕩產(chǎn)生，晶體X1、電容C7和C8構(gòu)成時鐘振蕩電路，C5電容濾掉直流電源中的高頻波動，C9電解電容濾掉直流電源中的低頻波動。PCB布局時，C5和C9與CH340相連引腳越近越好。為了減少外界的信號干擾，D+和D-信號線平行布置，在兩側(cè)提供地線或覆銅；為了減少高頻干擾，盡量縮短晶體振蕩的輸入端和反相輸出端長度，可以在其附近環(huán)繞地線或覆銅。給USB串口協(xié)議簡單，自動售貨機電磁鎖對USB通信的傳輸速度要求不高，所以選擇USB-B接口電路[3]。USB信號轉(zhuǎn)換RS232TTL電路如圖3所示。

2.4 電源轉(zhuǎn)換電路

電子電路正常工作需要直流穩(wěn)壓電源，而常用的電源是交流電，需將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。電磁鎖[4]是上電動作型，得電上鎖，失電開鎖，工作電壓為 12 V，需要驅(qū)動的電磁鎖工作電流約為 0.8 A，所以選擇 12 V 1 A 單路輸出的開關(guān)電源模塊，用于交流電轉(zhuǎn)換成直流電，采用電容和電感進行濾波，使輸出的直流電壓更加平穩(wěn)。HT7550穩(wěn)壓模塊為STC15W202S單片機、USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340、光電耦合器PC817、USB-B接口電路提供穩(wěn)壓5V電源。電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Power conversion circuit

3 軟件設計

圖5 通信中斷子程序流程Fig.5 Sub-flow chart of communication interrupt

基于單片機的USB通信電磁鎖控制系統(tǒng)程序開發(fā)環(huán)境選擇Keil C編程軟件，頭文件包括“STC15W202S.H”“intrins.h”和“STCEEPROM.H”。程序包括主程序、定時器中斷子程序和串口通信中斷子程序，主程序包括端口初始化、定時器初始化、串口初始化[5]、鎖狀態(tài)變化標志位為0，看門狗程序、判斷鎖狀態(tài)變化標志位，如果有變化，將鎖狀態(tài)寫入EEPROM中，實現(xiàn)掉電前鎖的狀態(tài)讀取，如果沒有變化繼續(xù)從看門狗程序循環(huán)掃描。在單片機控制系統(tǒng)中，單片機的工作時常受到外界電磁場的干擾，程序跑飛，進而陷入死循環(huán)，使單片機控制系統(tǒng)無法正常工作，造成不良后果，所以便有了“看門狗”電路對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。STC15W202S-SOP8單片機自帶看門狗電路，其工作原理是：在主程序中定時掃描看門狗程序，一旦發(fā)生單片機程序跑飛而進入某一段程序沒有循環(huán)執(zhí)行主程序時，看門狗程序沒有被執(zhí)行，這時看門狗電路得不到單片機送來的信號，累計到一定程度，便在單片機內(nèi)部產(chǎn)生復位信號。單片機復位后，程序計數(shù)器PC被賦值0000H，程序從ROM起始位置0000H開始執(zhí)行，保證單片機程序正常執(zhí)行。定時器中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的功能是控制鎖狀態(tài)指示燈和檢測按鍵，按鍵長按 2 s 以上，開關(guān)鎖狀態(tài)取反。

接收主機開關(guān)鎖信號格式為4字節(jié)，格式為：識別碼1，識別碼2，命令，結(jié)束符。開鎖命令為：0x58 0x55 0x4b 0xee，關(guān)鎖命令為：0x58 0x55 0x47 0xee。串口通信中斷子程序接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，判斷是否是開關(guān)鎖命令后執(zhí)行開關(guān)門動作，當接收到主機查詢命令，開鎖發(fā)送返回值為：0xfe 0x4b 0xef,關(guān)鎖發(fā)送返回值為：0xfe 0x47 0xef。通信中斷子程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

1)通訊參數(shù)：波特率 9.6 Kbps，8位數(shù)據(jù)，無校驗位，1位停止位；

2) 通訊格式：關(guān)門= 0x58 0x55 0x47 0xee；

3)通訊格式：開鎖= 0x58 0x55 0x4b 0xee；

4)通訊格式：查鎖=0x58 0x55 0x4f 0xee；

5)開關(guān)鎖返回值：0xfe [0x4b/0x47] 0xef。

通過測試系統(tǒng)能夠正常發(fā)送和接收開關(guān)鎖命令并實現(xiàn)電磁鎖的開關(guān)，并接收主機查詢命令；返回開關(guān)鎖狀態(tài)值，通過斷電-通電測試掉電前鎖的記憶功能，實現(xiàn)了USB電磁鎖控制系統(tǒng)的所有技術(shù)要求。

5 結(jié) 語

基于單片機的USB通信電磁鎖控制系統(tǒng)，以STC15W202S單片機為控制核心，USB通信控制電磁鎖的開關(guān)，根據(jù)STC15W202S單片機性能特點和USB串口標準統(tǒng)一、攜帶方便、可以熱插拔等特點，對系統(tǒng)進行硬件設計和軟件設計測試。測試表明：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，應用靈活，成本較低，性能安全可靠，具有推廣價值。