一種基于STM32 單片機(jī)的智能安全門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫洪濤，李望榮

（歌爾股份有限公司，山東濰坊，261006）

0 引言

隨著自動(dòng)化設(shè)備的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，對設(shè)備的安全性提出了更高的要求。常規(guī)的安全門往往采用機(jī)械門鎖，金屬鑰匙容易丟失或損壞，同時(shí)其耦合性太高，安全性大打折扣。基于以上諸多問題，本文提出一種基于STM32 單片機(jī)的智能安全門控制系統(tǒng)，可有效地解決設(shè)備安全門開關(guān)操作的安全隱患問題[1-2]。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)是一種基于STM32 單片機(jī)的智能安全門控制系統(tǒng)，主要包括安全光幕模塊、存儲(chǔ)模塊、電磁鎖模塊、語音播放模塊、串口觸摸屏。串口觸摸屏提供給用戶人工交互的界面，用戶首先需要輸入密碼，再通過操作界面的開鎖以及上鎖按鈕以實(shí)現(xiàn)對安全門的打開與關(guān)閉操作。單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心，接受用戶的操作指令并通過電磁鎖模塊進(jìn)行執(zhí)行處理；同時(shí)，當(dāng)安全門開啟后，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)輪訓(xùn)安全光幕的狀態(tài)，如果超過指定時(shí)間未進(jìn)行關(guān)門操作，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行語音報(bào)警提示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要考慮穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及可擴(kuò)展性等多方面的因素。下面具體介紹重點(diǎn)電路的相關(guān)設(shè)計(jì)。

■2.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路包括STM32F7 系列芯片（STM32F767ZI）、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG 電路、Boot 啟動(dòng)模式選擇電路、下載電路等。STM32F767 系列采用Arm Cortex -M7 內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)216MHz，具有雙精度浮點(diǎn)單元定時(shí)器多達(dá)18 個(gè)頻率高達(dá)216 MHz 的16 和32 位定時(shí)器。除常規(guī)的4 個(gè)UART 之外，還有4 個(gè)運(yùn)行速度高達(dá)12.5 MB/s 的USART 接口，6 個(gè)50MB/s 的SPI 接口，4 個(gè)帶有新型可選數(shù)字濾波功能的I2C 接口，3 個(gè)CAN、一個(gè)帶片上PHY 的USB2.0 全速設(shè)備/主機(jī)/OTG 控制器、以太網(wǎng)MAC 等。故選擇STM32F767ZI 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器芯片。

■2.2 語音播放模塊

語音播放模塊選用的是DY-SV17F 模塊，該模塊是一款智能語音模塊，支持IO 分段觸發(fā)、UART 串口控制、單總線串口控制等多種工作模式；可直接驅(qū)動(dòng)3～5W 的喇叭；支持MP3，WAV 解碼格式，板載32MB Flash 存儲(chǔ)空間，提供使用USB 數(shù)據(jù)線連接PC 更新音頻文件。其中支持8個(gè)IO 口單獨(dú)觸發(fā)8 首曲目，也支持8 個(gè)IO 口組合觸發(fā)多達(dá)255 首曲目；支持UART 串口方式控制語音播報(bào)功能，可控制播放，暫停，音量加減等功能[3-4]。

該模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是進(jìn)行語音播報(bào)提示，STM32 單片機(jī)通過GPIO 與該模塊進(jìn)行連接，通過IO 觸發(fā)的方式進(jìn)行語音播報(bào)。單片機(jī)與DY-SV17F 模塊電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 DY—SV17F 模塊電路設(shè)計(jì)

■2.3 安全光幕模塊

安全光幕又稱安全光柵，通常用于非標(biāo)機(jī)械、機(jī)加工等高危險(xiǎn)度的機(jī)械設(shè)備，主要作用是檢測人工是否打開設(shè)備進(jìn)行操作以避免造成人員傷亡。安全光幕的工作原理實(shí)質(zhì)是：由一側(cè)的發(fā)射器發(fā)射紅外光束，另一側(cè)的接收器進(jìn)行接收光束，以形成保護(hù)光幕。當(dāng)有物體或人員從光柵中通過時(shí)，會(huì)擋住紅外光束的接收，接收器就會(huì)檢測到，同時(shí)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警處理，以避免安全事故的發(fā)生。安全光幕默認(rèn)使用的是平行掃描，如圖3 所示。單片機(jī)與安全光幕的電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖3 安全光幕平行掃描的示意圖

圖4 安全光幕的電路設(shè)計(jì)

■2.4 AT24C04 存儲(chǔ)模塊

AT24C04 存儲(chǔ)模塊選用的是AT24C04 芯片，該系列為美國ATMEL 公司生產(chǎn)的EEPROM，是I2C 總線串行器件，抗干擾能力較強(qiáng)，工作電源較寬，擦寫次數(shù)可達(dá)100 萬次，數(shù)據(jù)保存可達(dá)100 年，并且支持在線編程等特性。該芯片的A0、A1，A2 默認(rèn)為低電平，手冊中IIC 的通信地址為0x40。當(dāng)存在若干個(gè)存儲(chǔ)芯片IIC 器件通信時(shí)，需修改A0、A1 和 A2 對應(yīng)的電平才能進(jìn)行有效尋址，具體電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

■2.5 串口觸摸屏

具體型號(hào)為DC48270M043_1111_0C，支持電容觸摸。該款產(chǎn)品為M 系列，核心處理器為400M SOC 處理器，不帶操作系統(tǒng)，上電便可自動(dòng)運(yùn)行。屏幕尺寸為4.3 寸，存儲(chǔ)空間為128MB，默認(rèn)支持大彩組態(tài)指令集，典型波特率為115200bps，通信方式為RS232/TTL，支持定時(shí)器、時(shí)鐘、倒計(jì)時(shí)等功能，配套上位機(jī)軟件為VisualTFT 軟件。單片機(jī)與串口觸摸屏采用的TTL 通訊接口，應(yīng)用簡單方便。

■2.6 電磁鎖模塊

電磁鎖模塊包括繼電器模塊與電磁鎖兩部分組成。

繼電器模塊自帶光耦隔離，抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定，完全兼容3.3V 和5V 的TTL 控制信號(hào)，可控制直流或交流信號(hào)，有一個(gè)常開、一個(gè)常閉觸點(diǎn)；有控制指示燈，控制信號(hào)為低電平時(shí)繼電器吸合，指示燈常亮；反之指示燈常滅。

電磁鎖也叫磁力鎖，它的設(shè)計(jì)原理與電磁鐵是一樣，就是利用電產(chǎn)生磁的原理。當(dāng)電流通過電磁鎖的硅鋼片時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，緊緊地吸住吸附鐵板從而達(dá)到關(guān)門上鎖的效果。一般通過12V 的電壓便可產(chǎn)生較大的磁吸力，有效的控制安全門的開關(guān)。通過識(shí)別操作人員輸入的密碼是否合法，從而控制是否給電磁鎖通電或斷電來達(dá)到安全防護(hù)的目的。同時(shí)電磁鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，非常適用于自動(dòng)化設(shè)備的安全門防護(hù)。電磁鎖產(chǎn)品如圖6 所示。

圖6 電磁鎖產(chǎn)品

單片機(jī)與繼電器模塊直接相連，繼電器模塊與電磁鎖相連，電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 電磁鎖模塊電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括兩部分，下位機(jī)軟件與觸摸屏軟件。其中下位機(jī)軟件采用Keil5 作為編輯編譯工具，使用標(biāo)準(zhǔn)C 語言進(jìn)行開發(fā)；觸摸屏軟件使用VisualTFT 進(jìn)行開發(fā)。

首先錄制并準(zhǔn)備音頻文件，再通過USB 數(shù)據(jù)線連接語音播放模塊，將安全門開啟、安全門關(guān)閉、安全門報(bào)警的音頻拷貝到該模塊中，按照命令規(guī)則對音頻進(jìn)行命令。

■3.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)上電后進(jìn)行系統(tǒng)外設(shè)接口的初始化，一直輪訓(xùn)讀取串口指令隊(duì)列并查看安全門以及安全光幕的狀態(tài)；如果有指令則讀取并解析，判斷是開鎖指令還是上鎖指令。當(dāng)是開鎖指令時(shí)，單片機(jī)通過電磁鎖模塊打開電磁鎖并播放安全門開啟語音；當(dāng)是上鎖指令時(shí)，單片機(jī)通過電磁鎖模塊關(guān)閉電磁鎖并播放安全門關(guān)閉語音。當(dāng)安全門是打開并且安全光幕無遮擋時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入計(jì)時(shí)累計(jì)模式，時(shí)間超過30s 則播放安全門報(bào)警語音；如有遮擋則重新計(jì)時(shí)。

主程序的工作流程如圖8 所示。主程序中主動(dòng)上報(bào)的信息，采用阻塞發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，而接收來自觸摸屏傳送的數(shù)據(jù)是使用中斷的方式。

圖8 主程序的工作流程

■3.2 屏軟件

利用觸摸屏自帶的VisualTFT 上位機(jī)軟件進(jìn)行開發(fā)，可以方便人工自動(dòng)進(jìn)行界面布局和控件配置，同時(shí)支持“虛擬串口屏”進(jìn)行仿真，支持USB 等方式將工程下載到其的存儲(chǔ)器中。VisualTFT 軟件會(huì)對工程中的所有圖片、畫面以及控件分配不相同的ID 號(hào)。操作人員點(diǎn)擊畫面的某個(gè)按鈕，MCU 則會(huì)收到對應(yīng)按鈕的ID 信息或者坐標(biāo)值。通過對其進(jìn)行解析后，開發(fā)人員便可得到該按鈕的功能屬性或畫面位置，即可控制設(shè)備的動(dòng)作或畫面更新。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

該系統(tǒng)是通過觸摸屏軟件進(jìn)行權(quán)限管理與操作管理；當(dāng)用戶需要開啟安全門時(shí)，首先輸入密碼，則操作權(quán)限變?yōu)榫G色，然后點(diǎn)擊界面的安全門后，電磁鎖斷電解鎖安全門并進(jìn)行安全門開啟語音播報(bào)提示，用戶便可手動(dòng)可打開安全門；安全門處于開啟狀態(tài)，安全光幕無遮擋，超過30s，系統(tǒng)進(jìn)行安全門報(bào)警語音播報(bào)提示；用戶手動(dòng)關(guān)閉安全門，然后點(diǎn)擊界面的安全門后，電磁鎖上鎖安全門并進(jìn)行安全門關(guān)閉語音播報(bào)提示，用戶無法手動(dòng)打開安全門，關(guān)閉后超過30s則權(quán)限變?yōu)槭芟逘顟B(tài)。安全門關(guān)閉狀態(tài)界面如圖9 所示。

圖9 智能安全門控制系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語

本文提出一種基于STM32 單片機(jī)的安全門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用STM32F767ZI 單片機(jī)、電磁鎖模塊、語音播放模塊與安全光幕模塊實(shí)現(xiàn)對安全門的有效控制，并通過串口觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、權(quán)限管理以及操作管理。該系統(tǒng)可有效地預(yù)防操作人員直接打開安全門以及安全門開啟后安全管控問題。