基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计

ARM

随着现代社会经济的高速发展，城市人员流动量的大大增加，为保证公共场所高密度人群高效、有序地流动，以及一些区域之间不能随意互通的特殊要求，相应的人行通道控制与管理设备发挥了越来越重要的作用。本文采用新一代高性能ARM处理器STM32为核心控制器，设计了一种智能型人行通道控制系统，可根据现场的通行要求设定通道的开启和方向控制，为大型公共场所的出入人员提供文明、有序的通行方式，为有效地管理人员流动提供了方便。
1、系统总体设计

本系统主要包括中央控制模块、电机控制模块、人机交互模块、报警提示模块、通道方向指示模块、数据通信模块和电源管理模块。具有性能可靠的安全保护和报警装置、通道方向指示以及可扩展的大屏幕LED点阵显示界面。系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

（1）STM32微处理器模块：实现信号处理与协调控制。
（2）电机控制模块：实现通道闸门的开放和关闭操作。
（3）信号输入处理模块：输入信号主要包括刷卡信号，光电传感器的定位信号，闸门定位信号，上位机通信控制信号等等。
（4）人机交互模块：包括键盘和液晶显示。键盘显示用来完成系统参数设置以及动作方式指示等。
（5）报警系统模块：在非正常情况下，实现声光报警。
（6）通道方向指示模块：LED点阵显示进出通道方向。
（7）串行通信模块：采用RS485接口，实现远距离的多机控制。
（8）电源系统模块：主要包括正常工作电源、电源切换和蓄电池3个部分。整个电源系统内部协调运作，可实现闸门断电摆臂自动摆开、上电自动闭合，符合消防设计要求。
本系统的控制信号输入有4种，分别是刷卡信号、光电传感器的定位信号、闸门定位信号、上位机通信控制信号等。信号经STM32采集后，控制电机系统的运作，如遇到非正常情况，将启动报警和故障自检功能，并且能够使系统实现防夹、防冲功能，避免意外伤害。键盘显示模块可编程实现设备的运行状态。
2、系统硬件设计

2．1、核心微处理器STM32F103

本设计方案采用意法半导体（ST）公司的STM32F103微处理器，此处理器基于32位的Cortex－M3RISCCPU，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。此芯片的快速反应能力、低功耗以及稳定性，完全符合本设计的要求。
STM32F103对电机控制有强大优势：
（1）强大的Cortex－M3内核；
（2）带有死区产生功能的能产生6个PWM的高级定时器；
（3）众多的PWM输出使其可以驱动多个直流有刷电机、步进电机或者通用电机；
（4）2/3个ADC，各带有独立的采样保持电路，12位精度，1ms的转换时间；
（5）无传感器矢量控制算法时间小于21ms。
2．2、信号输入处理系统

输入信号主要有4路：一是刷卡信号；二是来自光电传感器的定位信号；三是来自闸门定位信号；四是上位机通信控制信号。本系统带有电机以及其他一些干扰因素，为起到信号隔离，防止干扰的效果，信号输入以后都先通过光电耦合后再被处理器采集。
2．3、电机系统

（1）电机驱动电路
电机系统电路是本设计最重要的部分，采用24V直流减速电机，且需对电机进行双向可调速控制，因此功率驱动电路采用MOSFET场效应管IRF9540和IRF540双极性H桥型开关电路。具体驱动电路如图2所示。

图2 电机驱动电路图

由于采用的驱动电路属于大功率驱动电路，因此驱动回路和控制回路之间需电气隔离，采用光电耦合电路来实现。电路中开关管有开通和关断时间，存在互补的桥臂直通短路的问题，这时会造成开关管发热，严重时甚至烧毁开关管。在此增加了组合门电路和软件弥补修正死去时间的办法。
（2）PWM控制
PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。电机的转速与电机两端的电压成正比，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。在这里利用STM32的定时器PWM模式产生所需要的PWM波。
（3）闸门定位
因为随时需要控制闸门的开关，所以闸门目前的状态需要随时知道，也就是需要对电机的转轴进行定位。而转轴在正常情况下，只能处于三种位置：左侧、右侧和中间。所以在三侧分别添加了光电感应装置，当转轴到达相应位置时，会发出相应的信号通知主处理器。
2．4、LED点阵模块

本设计采用双色8×8点阵双色LED模块，共有64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就点亮。此点阵模块单独用一个20脚小单片机控制，根据主处理器传来的指示信号，进行相应的显示，通过74LS164芯片扩展显示控制引脚。
2．5、串行通信模块

在该电路中，使用了一种RS485接口芯片SN75LBC184，电压在（＋3～＋5．5）V范围内都能正常工作。与普通的RS485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可以在总线上连接64个收发器。在图3中，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。

图3 RS485通信接口原理图

2．6、电源管理系统

（1）正常电源系统
本设计中需要多路直流电源，电源由市电提供，经变压器后，分别经整流桥、稳压和滤波后，得到所需电压。在所得各电压中，24V直流电用于给直流电机供电，15V直流用于给蓄电池充电，12V用于一些继电器等器件，5V用于显示和数字芯片，3．3V用于处理器等芯片。
（2）电源切换系统和蓄电池
根据设计要求，在掉电以后，为使摆臂能自动复位到打开状态，在此增加了电源切换系统和蓄电池。电源切换系统由6个继电器组成，经过巧妙配合能实现外接电源开启时，切断蓄电池电源，并能为蓄电池充电；外接电源关闭时，启动蓄电池电源，蓄电池电源直接连上电机，使电机自动复位到所需状态。
3、系统软件设计

主程序流程图如图4所示。在程序的设计过程中，采取了模块化的方法，首先设计主控程序，然后设计各分模块，包括各中断模块、键盘扫描模块、LED显示模块、掉电数据记忆模块、电机动作模块等等。

图4 系统软件流程图

中断模块中主要包含了外部中断和串口中断，通过外部中断完成了闸门的防夹功能；串口中断是完成RS485与上位机的通信，上位机可以控制255台下位机的运行，上位机发送帧格式：同步码＋设备地址＋命令码＋数据＋校验码，单片机发送帧格式：同步码＋设备地址＋数据＋数据＋校验码。
键盘扫描模块和显示模块共同协作可完成对设备运行状态的设置和监控。通过键盘可以设置闸门的工作方式（6种）、闸门运行速度、开闸停留时间和设备通讯地址。
掉电数据记忆模块主要是指对核心数据随时写入Flash模块进行保存，以防断电后丢失。
4、结语

本文提出的基于STM32的智能通道控制系统的设计方案，结合一定的外围器件构成了一个功能完善、性价比很高的实用系统，为实现人员进出有效管理提供了一条切实可行的途径。

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