一種基于STM32 單片機的智能安全門控制系統(tǒng)設(shè)計

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械門鎖，金屬鑰匙容易丟失或損壞，同時其耦合性太高，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)計是一種基于STM32 單片機的智能安全門控制系統(tǒng)，主要包括安全光幕模塊、存儲模塊、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現(xiàn)對安全門的打開與關(guān)閉操作。單片機為系統(tǒng)的控制核心，接受用戶的操作指令并通過電磁鎖模塊進行執(zhí)行處理；同時，當安全門開啟后，系統(tǒng)會定時輪訓(xùn)安全光幕的狀態(tài)，如果超過指定時間未進行關(guān)門操作，則系統(tǒng)會進行語音報警提示。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

■2.1 主控電路設(shè)計

主控電路包括STM32F7 系列芯片（STM32F767ZI）、復(fù)位電路、時鐘電路、JTAG 電路、Boot 啟動模式選擇電路、下載電路等。STM32F767 系列采用Arm Cortex -M7 內(nèi)核，工作頻率最高可達216MHz，具有雙精度浮點單元定時器多達18 個頻率高達216 MHz 的16 和32 位定時器。除常規(guī)的4 個UART 之外，還有4 個運行速度高達12.5 MB/s 的USART 接口，6 個50MB/s 的SPI 接口，4 個帶有新型可選數(shù)字濾波功能的I2C 接口，3 個CAN、一個帶片上PHY 的USB2.0 全速設(shè)備/主機/OTG 控制器、以太網(wǎng)MAC 等。故選擇STM32F767ZI 單片機作為系統(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3～5W 的喇叭；支持MP3，WAV 解碼格式，板載32MB Flash 存儲空間，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IO 口單獨觸發(fā)8 首曲目，也支持8 個IO 口組合觸發(fā)多達255 首曲目；支持UART 串口方式控制語音播報功能，可控制播放，暫停，音量加減等功能[3-4]。

該模塊實現(xiàn)的功能主要是進行語音播報提示，STM32 單片機通過GPIO 與該模塊進行連接，通過IO 觸發(fā)的方式進行語音播報。單片機與DY-SV17F 模塊電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 DY—SV17F 模塊電路設(shè)計

■2.3 安全光幕模塊

安全光幕又稱安全光柵，通常用于非標機械、機加工等高危險度的機械設(shè)備，主要作用是檢測人工是否打開設(shè)備進行操作以避免造成人員傷亡。安全光幕的工作原理實質(zhì)是：由一側(cè)的發(fā)射器發(fā)射紅外光束，另一側(cè)的接收器進行接收光束，以形成保護光幕。當有物體或人員從光柵中通過時，會擋住紅外光束的接收，接收器就會檢測到，同時把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺答伣o主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進行報警處理，以避免安全事故的發(fā)生。安全光幕默認使用的是平行掃描，如圖3 所示。單片機與安全光幕的電路設(shè)計如圖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

■2.4 AT24C04 存儲模塊

AT24C04 存儲模塊選用的是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，工作電源較寬，擦寫次數(shù)可達100 萬次，數(shù)據(jù)保存可達100 年，并且支持在線編程等特性。該芯片的A0、A1，A2 默認為低電平，手冊中IIC 的通信地址為0x40。當存在若干個存儲芯片IIC 器件通信時，需修改A0、A1 和 A2 對應(yīng)的電平才能進行有效尋址，具體電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 存儲模塊電路設(shè)計

■2.5 串口觸摸屏

具體型號為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)，上電便可自動運行。屏幕尺寸為4.3 寸，存儲空間為128MB，默認支持大彩組態(tài)指令集，典型波特率為115200bps，通信方式為RS232/TTL，支持定時器、時鐘、倒計時等功能，配套上位機軟件為VisualTFT 軟件。單片機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，信號穩(wěn)定，完全兼容3.3V 和5V 的TTL 控制信號，可控制直流或交流信號，有一個常開、一個常閉觸點；有控制指示燈，控制信號為低電平時繼電器吸合，指示燈常亮；反之指示燈常滅。

電磁鎖也叫磁力鎖，它的設(shè)計原理與電磁鐵是一樣，就是利用電產(chǎn)生磁的原理。當電流通過電磁鎖的硅鋼片時，便會產(chǎn)生強大的磁場，緊緊地吸住吸附鐵板從而達到關(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到安全防護的目的。同時電磁鎖機械結(jié)構(gòu)簡單，非常適用于自動化設(shè)備的安全門防護。電磁鎖產(chǎn)品如圖6 所示。

圖6 電磁鎖產(chǎn)品

單片機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)計如圖7 所示。

圖7 電磁鎖模塊電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

首先錄制并準備音頻文件，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、安全門報警的音頻拷貝到該模塊中，按照命令規(guī)則對音頻進行命令。

■3.1 下位機軟件

系統(tǒng)上電后進行系統(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。當是開鎖指令時，單片機通過電磁鎖模塊打開電磁鎖并播放安全門開啟語音；當是上鎖指令時，單片機通過電磁鎖模塊關(guān)閉電磁鎖并播放安全門關(guān)閉語音。當安全門是打開并且安全光幕無遮擋時，系統(tǒng)會進入計時累計模式，時間超過30s 則播放安全門報警語音；如有遮擋則重新計時。

主程序的工作流程如圖8 所示。主程序中主動上報的信息，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 上位機軟件進行開發(fā)，可以方便人工自動進行界面布局和控件配置，同時支持“虛擬串口屏”進行仿真，支持USB 等方式將工程下載到其的存儲器中。VisualTFT 軟件會對工程中的所有圖片、畫面以及控件分配不相同的ID 號。操作人員點擊畫面的某個按鈕，MCU 則會收到對應(yīng)按鈕的ID 信息或者坐標值。通過對其進行解析后，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)備的動作或畫面更新。

4 系統(tǒng)驗證

該系統(tǒng)是通過觸摸屏軟件進行權(quán)限管理與操作管理；當用戶需要開啟安全門時，首先輸入密碼，則操作權(quán)限變?yōu)榫G色，然后點擊界面的安全門后，電磁鎖斷電解鎖安全門并進行安全門開啟語音播報提示，用戶便可手動可打開安全門；安全門處于開啟狀態(tài)，安全光幕無遮擋，超過30s，系統(tǒng)進行安全門報警語音播報提示；用戶手動關(guān)閉安全門，然后點擊界面的安全門后，電磁鎖上鎖安全門并進行安全門關(guān)閉語音播報提示，用戶無法手動打開安全門，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 單片機的安全門控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。采用STM32F767ZI 單片機、電磁鎖模塊、語音播放模塊與安全光幕模塊實現(xiàn)對安全門的有效控制，并通過串口觸摸屏進行實時顯示、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。