孙洪涛，李望荣

（歌尔股份有限公司，山东潍坊，261006）

0 引言

随着自动化设备的快速发展与广泛应用，对设备的安全性提出了更高的要求。常规的安全门往往采用机械门锁，金属钥匙容易丢失或损坏，同时其耦合性太高，安全性大打折扣。基于以上诸多问题，本文提出一种基于STM32 单片机的智能安全门控制系统，可有效地解决设备安全门开关操作的安全隐患问题[1-2]。

1 系统总体方案

本设计是一种基于STM32 单片机的智能安全门控制系统，主要包括安全光幕模块、存储模块、电磁锁模块、语音播放模块、串口触摸屏。串口触摸屏提供给用户人工交互的界面，用户首先需要输入密码，再通过操作界面的开锁以及上锁按钮以实现对安全门的打开与关闭操作。单片机为系统的控制核心，接受用户的操作指令并通过电磁锁模块进行执行处理；同时，当安全门开启后，系统会定时轮训安全光幕的状态，如果超过指定时间未进行关门操作，则系统会进行语音报警提示。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

系统的硬件设计需要考虑稳定性、经济性以及可扩展性等多方面的因素。下面具体介绍重点电路的相关设计。

■2.1 主控电路设计

主控电路包括STM32F7 系列芯片（STM32F767ZI）、复位电路、时钟电路、JTAG 电路、Boot 启动模式选择电路、下载电路等。STM32F767 系列采用Arm Cortex -M7 内核，工作频率最高可达216MHz，具有双精度浮点单元定时器多达18 个频率高达216 MHz 的16 和32 位定时器。除常规的4 个UART 之外，还有4 个运行速度高达12.5 MB/s 的USART 接口，6 个50MB/s 的SPI 接口，4 个带有新型可选数字滤波功能的I2C 接口，3 个CAN、一个带片上PHY 的USB2.0 全速设备/主机/OTG 控制器、以太网MAC 等。故选择STM32F767ZI 单片机作为系统的主控制器芯片。

■2.2 语音播放模块

语音播放模块选用的是DY-SV17F 模块，该模块是一款智能语音模块，支持IO 分段触发、UART 串口控制、单总线串口控制等多种工作模式；可直接驱动3～5W 的喇叭；支持MP3，WAV 解码格式，板载32MB Flash 存储空间，提供使用USB 数据线连接PC 更新音频文件。其中支持8个IO 口单独触发8 首曲目，也支持8 个IO 口组合触发多达255 首曲目；支持UART 串口方式控制语音播报功能，可控制播放，暂停，音量加减等功能[3-4]。

该模块实现的功能主要是进行语音播报提示，STM32 单片机通过GPIO 与该模块进行连接，通过IO 触发的方式进行语音播报。单片机与DY-SV17F 模块电路设计如图2 所示。

图2 DY—SV17F 模块电路设计

■2.3 安全光幕模块

安全光幕又称安全光栅，通常用于非标机械、机加工等高危险度的机械设备，主要作用是检测人工是否打开设备进行操作以避免造成人员伤亡。安全光幕的工作原理实质是：由一侧的发射器发射红外光束，另一侧的接收器进行接收光束，以形成保护光幕。当有物体或人员从光栅中通过时，会挡住红外光束的接收，接收器就会检测到，同时把光信号转变为电信号，反馈给主控系统，由主控系统进行报警处理，以避免安全事故的发生。安全光幕默认使用的是平行扫描，如图3 所示。单片机与安全光幕的电路设计如图4 所示。

图3 安全光幕平行扫描的示意图

图4 安全光幕的电路设计

■2.4 AT24C04 存储模块

AT24C04 存储模块选用的是AT24C04 芯片，该系列为美国ATMEL 公司生产的EEPROM，是I2C 总线串行器件，抗干扰能力较强，工作电源较宽，擦写次数可达100 万次，数据保存可达100 年，并且支持在线编程等特性。该芯片的A0、A1，A2 默认为低电平，手册中IIC 的通信地址为0x40。当存在若干个存储芯片IIC 器件通信时，需修改A0、A1 和 A2 对应的电平才能进行有效寻址，具体电路设计如图5 所示。

图5 存储模块电路设计

■2.5 串口触摸屏

具体型号为DC48270M043_1111_0C，支持电容触摸。该款产品为M 系列，核心处理器为400M SOC 处理器，不带操作系统，上电便可自动运行。屏幕尺寸为4.3 寸，存储空间为128MB，默认支持大彩组态指令集，典型波特率为115200bps，通信方式为RS232/TTL，支持定时器、时钟、倒计时等功能，配套上位机软件为VisualTFT 软件。单片机与串口触摸屏采用的TTL 通讯接口，应用简单方便。

■2.6 电磁锁模块

电磁锁模块包括继电器模块与电磁锁两部分组成。

继电器模块自带光耦隔离，抗干扰能力较强，信号稳定，完全兼容3.3V 和5V 的TTL 控制信号，可控制直流或交流信号，有一个常开、一个常闭触点；有控制指示灯，控制信号为低电平时继电器吸合，指示灯常亮；反之指示灯常灭。

电磁锁也叫磁力锁，它的设计原理与电磁铁是一样，就是利用电产生磁的原理。当电流通过电磁锁的硅钢片时，便会产生强大的磁场，紧紧地吸住吸附铁板从而达到关门上锁的效果。一般通过12V 的电压便可产生较大的磁吸力，有效的控制安全门的开关。通过识别操作人员输入的密码是否合法，从而控制是否给电磁锁通电或断电来达到安全防护的目的。同时电磁锁机械结构简单，非常适用于自动化设备的安全门防护。电磁锁产品如图6 所示。

图6 电磁锁产品

单片机与继电器模块直接相连，继电器模块与电磁锁相连，电路设计如图7 所示。

图7 电磁锁模块电路设计

3 系统软件设计

本系统软件包括两部分，下位机软件与触摸屏软件。其中下位机软件采用Keil5 作为编辑编译工具，使用标准C 语言进行开发；触摸屏软件使用VisualTFT 进行开发。

首先录制并准备音频文件，再通过USB 数据线连接语音播放模块，将安全门开启、安全门关闭、安全门报警的音频拷贝到该模块中，按照命令规则对音频进行命令。

■3.1 下位机软件

系统上电后进行系统外设接口的初始化，一直轮训读取串口指令队列并查看安全门以及安全光幕的状态；如果有指令则读取并解析，判断是开锁指令还是上锁指令。当是开锁指令时，单片机通过电磁锁模块打开电磁锁并播放安全门开启语音；当是上锁指令时，单片机通过电磁锁模块关闭电磁锁并播放安全门关闭语音。当安全门是打开并且安全光幕无遮挡时，系统会进入计时累计模式，时间超过30s 则播放安全门报警语音；如有遮挡则重新计时。

主程序的工作流程如图8 所示。主程序中主动上报的信息，采用阻塞发送数据的方式，而接收来自触摸屏传送的数据是使用中断的方式。

图8 主程序的工作流程

■3.2 屏软件

利用触摸屏自带的VisualTFT 上位机软件进行开发，可以方便人工自动进行界面布局和控件配置，同时支持“虚拟串口屏”进行仿真，支持USB 等方式将工程下载到其的存储器中。VisualTFT 软件会对工程中的所有图片、画面以及控件分配不相同的ID 号。操作人员点击画面的某个按钮，MCU 则会收到对应按钮的ID 信息或者坐标值。通过对其进行解析后，开发人员便可得到该按钮的功能属性或画面位置，即可控制设备的动作或画面更新。

4 系统验证

该系统是通过触摸屏软件进行权限管理与操作管理；当用户需要开启安全门时，首先输入密码，则操作权限变为绿色，然后点击界面的安全门后，电磁锁断电解锁安全门并进行安全门开启语音播报提示，用户便可手动可打开安全门；安全门处于开启状态，安全光幕无遮挡，超过30s，系统进行安全门报警语音播报提示；用户手动关闭安全门，然后点击界面的安全门后，电磁锁上锁安全门并进行安全门关闭语音播报提示，用户无法手动打开安全门，关闭后超过30s则权限变为受限状态。安全门关闭状态界面如图9 所示。

图9 智能安全门控制系统界面

5 结束语

本文提出一种基于STM32 单片机的安全门控制系统的设计与实现。采用STM32F767ZI 单片机、电磁锁模块、语音播放模块与安全光幕模块实现对安全门的有效控制，并通过串口触摸屏进行实时显示、权限管理以及操作管理。该系统可有效地预防操作人员直接打开安全门以及安全门开启后安全管控问题。