基于單片機(jī)的智能家居門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余騰偉，童 旭

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

基于單片機(jī)的智能家居門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余騰偉，童 旭

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

智能家居已經(jīng)逐步進(jìn)入人們的生活，但是智能家居門控制系統(tǒng)面世的卻很少。本論文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制器的智能門系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝方便，可以應(yīng)用于一般居家生活門中。選用STM32單片機(jī)作為主控芯片，Power-HD公司的1501MG舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)帶動(dòng)連動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)家居門的開和關(guān)；將HC-SR501熱釋電紅外傳感器模塊安裝在門正上方用于識別人體紅外線，利用各種紅外傳感器將開關(guān)門信號和夾手信號傳輸給主控芯片，利用PWM技術(shù)控制驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對來人自動(dòng)開關(guān)門和防夾手的功能。

智能門；STM32F103ZET6；紅外傳感器

1 前言

智能門最先由應(yīng)用在商用建筑中，商用建筑中功能簡單的智能門叫做自動(dòng)門，具備自動(dòng)開關(guān)、防夾手等簡單的功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子行業(yè)的發(fā)展，而今自動(dòng)門早已出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪校t(yī)院、機(jī)場、商務(wù)樓盤、超市等公共場所中，經(jīng)常可見其身影。根據(jù)不同的客戶需求，智能家居門在自動(dòng)開關(guān)門功能的基礎(chǔ)上可以添加各種其他功能，比如模式選擇功能、防夾手功能、智能語音功能、智能感溫感煙、智能識別功能等等。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由主控芯片、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器部分、電源、顯示等部分組成。主控芯片用于接收傳感器信號、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、邏輯運(yùn)算和數(shù)值計(jì)算、驅(qū)動(dòng)外設(shè)等功能；執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控制門的開關(guān)動(dòng)作；傳感器識別外界物體，將其他形式的信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給主控芯片；電源用于給其他各個(gè)部件供給電源；顯示部分用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和顯示信息。

2.1 主控芯片

選擇STM32F103ZET6單片機(jī)，此單片機(jī)存儲容量大，指令周期短；擁有多個(gè)ΑDC、DΑC、PWM等多個(gè)片內(nèi)外設(shè)，PWM外設(shè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，易于開發(fā)，價(jià)格成本適中，操作簡單。和8/16位設(shè)備相比，ΑRM Cortex-M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個(gè)嵌入式的ΑRM核，所以可以兼容所有的ΑRM工具和軟件。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

考慮到步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)不方便安裝，減速直流電機(jī)需要增加位置傳感器，選用舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)舵機(jī)利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)門，進(jìn)行門的開關(guān)動(dòng)作。舵機(jī)主要由外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路等部分組成，屬于伺服直流電機(jī)的一種。主要用于控制模型的舵面，仿真機(jī)器人的關(guān)節(jié)也多用舵機(jī)工作。舵機(jī)輕巧，方便安裝，輸出扭矩較小，控制簡單。

2.3 傳感器選擇

反射式紅外線傳感器是利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度來判定前方障礙的有無。在距離適中的時(shí)候測量精度很高。由于使用的是紅外線，所以抗干擾能力很強(qiáng)。反射式紅外線傳感器還具有電路機(jī)構(gòu)簡單，易于操作；體積較小，便于安裝；工作穩(wěn)定，靈敏度高，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

STM32F103系列單片機(jī)自帶PWM外設(shè)，可以輸出多達(dá)14路PWM信號，通過控制寄存器，可以方便的調(diào)節(jié)PWM波的頻率和占空比。當(dāng)接收到開門或者關(guān)門的信號時(shí)，通過PWM調(diào)節(jié)占空比來控制電機(jī)執(zhí)行不同的動(dòng)作。先對PWM外設(shè)初始化，通過判斷語句實(shí)現(xiàn)開關(guān)門動(dòng)作。

3.2 信號處理模塊

送入主控芯片的信號一共有兩種，一個(gè)是識別人體的熱釋電紅外傳感器信號，另一個(gè)是防夾手的漫反射紅外傳感器信號。熱釋電紅外信號用循環(huán)掃描方式不斷掃描，漫反射紅外信號用中斷方式可以快速反應(yīng)夾手信號。

3.3 顯示模塊

顯示模塊需要完成彩屏的初始化還有觸屏的反饋，需要循環(huán)掃描是否有觸屏信號，如果有觸屏信號，根據(jù)觸摸位置的不同需要作出不同的處理，處理結(jié)果還要顯示出來。

4 系統(tǒng)測試

4.1 模型門選擇

實(shí)際門的標(biāo)準(zhǔn)大小為2100mmX800mm，選取750mmX400mm的模型木板代替實(shí)際門。

4.2 測試結(jié)果

開門時(shí)PWM波形的占空比會逐漸減小，占空比為5%。關(guān)門時(shí)PWM波形的占空比會逐漸增加，占空比增加至10%。

由測試結(jié)果可知，模型制作的智能門基本可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，可以完成自動(dòng)開關(guān)門和防夾手的動(dòng)作。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)來人時(shí)自動(dòng)開門，人走時(shí)關(guān)門，關(guān)門時(shí)有物體放在門沿時(shí)觸發(fā)防夾手功能，迅速開門。在液晶屏上選擇不同模式，可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)關(guān)門、自動(dòng)開關(guān)門、手動(dòng)開關(guān)門等。舵機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使門轉(zhuǎn)動(dòng)，STM32F103單片機(jī)輸出50HZ不同占空比的PWM波形給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度。防夾手功能由漫反射紅外傳感器將信號傳給單片機(jī)，高電平表示有物體在門沿處；程序選擇中斷形式，可以及時(shí)執(zhí)行開門動(dòng)作，防止夾手。識別人體功能由熱釋電紅外傳感器將信號傳給單片機(jī)，高電平表示有人進(jìn)過；程序選擇循環(huán)掃描形式。TFT彩屏顯示用戶可以修改的參數(shù)和開關(guān)門的狀態(tài)，用戶通過觸摸來選擇不同的模式，實(shí)現(xiàn)模式的切換。整個(gè)設(shè)備安裝輕巧，便于調(diào)試。

［1］許紅敬.再不智能家居就OUT了，智能家居在爆發(fā)還是一陣喧嘩［J］.消費(fèi)電子，2014（13）∶PP36-42.

［2］石建立.家用自動(dòng)門將開啟住宅空間的新體驗(yàn)［J］.城市環(huán)境設(shè)計(jì)，2013（Z2）∶PP314-315.

［3］焦麗娟.自動(dòng)門控制算法及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［M］.南京∶南京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］陳繼紅.微機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京∶高等教育出版社，2011.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.094

余騰偉（1981-），女，四川彭州人，博士，副教授，主要研究方向∶機(jī)械電子。