基于STM32的人行通道智能控制與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市人員流動量的大大增加，為保證公共場所高密度人群高效、有序地流動，以及一些區(qū)域之間不能隨意互通的特殊要求，相應(yīng)的人行通道控制與管理設(shè)備發(fā)揮了越來越重要的作用。本文采用新一代高性能ARM處理器STM32為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種智能型人行通道控制系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場的通行要求設(shè)定通道的開啟和方向控制，為大型公共場所的出入人員提供文明、有序的通行方式，為有效地管理人員流動提供了方便。

本系統(tǒng)主要包括中央控制模塊、電機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊、報警提示模塊、通道方向指示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和電源管理模塊。具有性能可靠的安全保護(hù)和報警裝置、通道方向指示以及可擴(kuò)展的大屏幕LED點(diǎn)陣顯示界面。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

（1）STM32微處理器模塊：實(shí)現(xiàn)信號處理與協(xié)調(diào)控制。

（2）電機(jī)控制模塊：實(shí)現(xiàn)通道閘門的開放和關(guān)閉操作。

（3）信號輸入處理模塊：輸入信號主要包括刷卡信號，光電傳感器的定位信號，閘門定位信號，上位機(jī)通信控制信號等等。

（4）人機(jī)交互模塊：包括鍵盤和液晶顯示。鍵盤顯示用來完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及動作方式指示等。

（5）報警系統(tǒng)模塊：在非正常情況下，實(shí)現(xiàn)聲光報警。

（6）通道方向指示模塊：LED點(diǎn)陣顯示進(jìn)出通道方向。

（7）串行通信模塊：采用RS485接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的多機(jī)控制。

（8）電源系統(tǒng)模塊：主要包括正常工作電源、電源切換和蓄電池3個部分。整個電源系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)運(yùn)作，可實(shí)現(xiàn)閘門斷電擺臂自動擺開、上電自動閉合，符合消防設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)的控制信號輸入有4種，分別是刷卡信號、光電傳感器的定位信號、閘門定位信號、上位機(jī)通信控制信號等。信號經(jīng)STM32采集后，控制電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作，如遇到非正常情況，將啟動報警和故障自檢功能，并且能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防夾、防沖功能，避免意外傷害。鍵盤顯示模塊可編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)方案采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103微處理器，此處理器基于32位的Cortex－M3RISCCPU，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。此芯片的快速反應(yīng)能力、低功耗以及穩(wěn)定性，完全符合本設(shè)計(jì)的要求。

STM32F103對電機(jī)控制有強(qiáng)大優(yōu)勢：

（1）強(qiáng)大的Cortex－M3內(nèi)核；

（2）帶有死區(qū)產(chǎn)生功能的能產(chǎn)生6個PWM的高級定時器；

（3）眾多的PWM輸出使其可以驅(qū)動多個直流有刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或者通用電機(jī)；

（4）2/3個ADC，各帶有獨(dú)立的采樣保持電路，12位精度，1ms的轉(zhuǎn)換時間；

（5）無傳感器矢量控制算法時間小于21ms。

輸入信號主要有4路來源：一是刷卡信號；二是來自光電傳感器的定位信號；三是來自閘門定位信號；四是上位機(jī)通信控制信號。本系統(tǒng)帶有電機(jī)以及其他一些干擾因素，為起到信號隔離，防止干擾的效果，信號輸入以后都先通過光電耦合后再被處理器采集。

（1）電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)系統(tǒng)電路是本設(shè)計(jì)最重要的部分，采用24V直流減速電機(jī)，且需對電機(jī)進(jìn)行雙向可調(diào)速控制，因此功率驅(qū)動電路采用MOSFET場效應(yīng)管IRF9540和IRF540雙極性H橋型開關(guān)電路。具體驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路圖

由于采用的驅(qū)動電路屬于大功率驅(qū)動電路，因此驅(qū)動回路和控制回路之間需電氣隔離，采用光電耦合電路來實(shí)現(xiàn)。電路中開關(guān)管有開通和關(guān)斷時間，存在互補(bǔ)的橋臂直通短路的問題，這時會造成開關(guān)管發(fā)熱，嚴(yán)重時甚至燒毀開關(guān)管。在此增加了組合門電路和軟件彌補(bǔ)修正死去時間的辦法。

（2）PWM控制

PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。在這里利用STM32的定時器PWM模式產(chǎn)生所需要的PWM波。

（3）閘門定位

因?yàn)殡S時需要控制閘門的開關(guān)，所以閘門目前的狀態(tài)需要隨時知道，也就是需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位。而轉(zhuǎn)軸在正常情況下，只能處于三種位置：左側(cè)、右側(cè)和中間。所以在三側(cè)分別添加了光電感應(yīng)裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)軸到達(dá)相應(yīng)位置時，會發(fā)出相應(yīng)的信號通知主處理器。

本設(shè)計(jì)采用雙色8&TImes;8點(diǎn)陣雙色LED模塊，共有64個發(fā)光二極管組成，且每個發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，當(dāng)對應(yīng)的某一列置1電平，某一行置0電平，則相應(yīng)的二極管就點(diǎn)亮。此點(diǎn)陣模塊單獨(dú)用一個20腳小單片機(jī)控制，根據(jù)主處理器傳來的指示信號，進(jìn)行相應(yīng)的顯示，通過74LS164芯片擴(kuò)展顯示控制引腳。

在該電路中，使用了一種RS485接口芯片SN75LBC184，電壓在（＋3～＋5．5）V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可以在總線上連接64個收發(fā)器。在圖3中，四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。

圖3 RS485通信接口原理圖

（1）正常電源系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)中需要多路直流電源，電源由市電提供，經(jīng)變壓器后，分別經(jīng)整流橋、穩(wěn)壓和濾波后，得到所需電壓。在所得各電壓中，24V直流電用于給直流電機(jī)供電，15V直流用于給蓄電池充電，12V用于一些繼電器等器件，5V用于顯示和數(shù)字芯片，3．3V用于處理器等芯片。

（2）電源切換系統(tǒng)和蓄電池

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在掉電以后，為使擺臂能自動復(fù)位到打開狀態(tài)，在此增加了電源切換系統(tǒng)和蓄電池。電源切換系統(tǒng)由6個繼電器組成，經(jīng)過巧妙配合能實(shí)現(xiàn)外接電源開啟時，切斷蓄電池電源，并能為蓄電池充電；外接電源關(guān)閉時，啟動蓄電池電源，蓄電池電源直接連上電機(jī)，使電機(jī)自動復(fù)位到所需狀態(tài)。

主程序流程圖如圖4所示。在程序的設(shè)計(jì)過程中，采取了模塊化的方法，首先設(shè)計(jì)主控程序，然后設(shè)計(jì)各分模塊，包括各中斷模塊、鍵盤掃描模塊、LED顯示模塊、掉電數(shù)據(jù)記憶模塊、電機(jī)動作模塊等等。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

中斷模塊中主要包含了外部中斷和串口中斷，通過外部中斷完成了閘門的防夾功能；串口中斷是完成RS485與上位機(jī)的通信，上位機(jī)可以控制255臺下位機(jī)的運(yùn)行，上位機(jī)發(fā)送幀格式：同步碼＋設(shè)備地址＋命令碼＋數(shù)據(jù)＋校驗(yàn)碼，單片機(jī)發(fā)送幀格式：同步碼＋設(shè)備地址＋數(shù)據(jù)＋數(shù)據(jù)＋校驗(yàn)碼。

鍵盤掃描模塊和顯示模塊共同協(xié)作可完成對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)置和監(jiān)控。通過鍵盤可以設(shè)置閘門的工作方式（6種）、閘門運(yùn)行速度、開閘停留時間和設(shè)備通訊地址。

掉電數(shù)據(jù)記憶模塊主要是指對核心數(shù)據(jù)隨時寫入Flash模塊進(jìn)行保存，以防斷電后丟失。

本文提出的基于STM32的智能通道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合一定的外圍器件構(gòu)成了一個功能完善、性價比很高的實(shí)用系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出有效管理提供了一條切實(shí)可行的途徑。