基于STM32单片机的自动门电路设计

摘要随着步入现代科技发展的高速时代，人们对美好生活的向往，对生活品质不断增长的的需求使自动门在商业、住宅、公共交通等领域得到了广泛应用。作为一种便捷、高效的出入控制设备，自动门通过电子技术和传感器技术实现自动开启和关闭，为人们提供了极大的便利。由于我国研究起步较晚，自动门控制系统的功能不够完备，但是在国家政策支持下，国内科技公司拓展业务开始研究提升自动门的功能。这些控制系统种类多样，功能参差不齐，操作复杂，结构不够简洁，因此难以向大众普及。针对以上问题，本次设计面向大众，以实际需求出发。将传感器技术与单片机技术结合，设计并实现了基于STM32单片机的自动门电路设计。以STM32单片机为核心结合红外传感器等模块完成硬件系统的设计，按照自动门控制要求设计系统功能，软件设计方面通过Keil5软件编译实现单片机控制电机转动，模拟门开关过程，并在实验过程中对系统进一步优化完成运行状态指示功能。最后，本文通过对系统功能测试，本次设计结果表明本文研究的基于STM32单片机的自动门电路设计能够满足普遍生活场景的要求，实现了操作简单，结构简洁的目的。关键词：红外感应；自动门控制；定时器中断；STM32单片机AbstractWiththehigh-speederaofmodernscientificandtechnologicaldevelopment,people'syearningforabetterlifeandthegrowingdemandforqualityoflifehavemadeautomaticdoorswidelyusedincommercial,residential,publictransportationandotherfields.Asaconvenientandefficientaccesscontroldevice,automaticdoorsareautomaticallyopenedandclosedthroughelectronictechnologyandsensortechnology,providinggreatconvenienceforpeople.DuetothelatestartofChina'sresearch,thefunctionoftheautomaticdoorcontrolsystemisnotcomplete,butwiththesupportofnationalpolicies,domestictechnologycompanieshaveexpandedtheirbusinessandbegantostudyandimprovethefunctionofautomaticdoors.Thesecontrolsystemsarediverse,functional,complexandunconcise,makingitdifficulttopopularizetothegeneralpublic.Inresponsetotheaboveproblems,thisdesignisorientedtothepublicandstartsfromtheactualneeds.Bycombiningsensortechnologywithmicrocontrollertechnology,anautomaticdoorcircuitdesignbasedonSTM32wasdesignedandimplemented.WithSTM32microcontrollerasthecore,combinedwithinfraredsensorsandothermodulestocompletethedesignofthehardwaresystem,thesystemfunctionisdesignedaccordingtotherequirementsofautomaticdoorcontrol,andthesoftwaredesigniscompiledbyKeil5softwaretorealizetherotationofthesingle-chipmicrocomputercontrolmotor,simulatethedooropeningandclosingprocess,andfurtheroptimizethesystemtocompletetheoperationstatusindicationfunctionintheexperimentalprocess.Finally,throughthefunctionaltestofthesystem,thedesignresultsshowthattheSTM32-basedautomaticdoorcircuitdesignstudiedinthispapercanmeettherequirementsofcommonlifescenarios,andachievethepurposeofsimpleoperationandsimplestructure.Keywords:Infraredsensing;Automaticdoorcontrol;Thetimerisinterrupted;STM32single-chipmicrocomputer目录1.概述 在主程序中，传感器判断状态有四种情况，系统接收来自传感器的开门命令，控制电机正转开门，接收到关门命令，控制电机反转关门。传感器状态判断流程图如图4.2所示。图4.2进出门传感器状态判断流程图对红外传感器状态进行检测，并根据检测结果控制门的开关动作。判断标志位AD2，如果AD2为0表示检测到有人靠近门并将CloseFlag2置为1；否则，将OpenFlag2置为1，标志位AD6同理。其核心代码如下。if（AD2==0）

{CloseFlag2=1;

}

else

{OpenFlag2=1;

}

if（AD6==0）

{CloseFlag6=1;

}

else

{OpenFlag6=1;

}

if（（OpenFlag2==1&&AD2==0）||（OpenFlag6==1&&AD6==0））

{

CW_Circle（265）;OpenFlag2=0;OpenFlag6=0;

}if（（CloseFlag2==1&&AD2==1）||（CloseFlag6==1&&AD6==1））

{

CCW_Circle（265）;CloseFlag2=0;CloseFlag6=0;

}如果第二个门的OpenFlag2为1且AD2为0，或者第六个门的OpenFlag6为1且AD6为0，则执行门的顺时针转动操作，即调用CW_Circle函数进行门的打开动作，并将OpenFlag2和OpenFlag6重置为0，表示门已经打开。如果第二个门的CloseFlag2为1且AD2为1，或者第六个门的CloseFlag6为1且AD6为1，则执行门的逆时针转动操作，即调用CCW_Circle函数进行门的关闭动作，并将CloseFlag2和CloseFlag6重置为0，表示门已经关闭。最后while循环的结束，实现了根据红外传感器的状态来控制门的开关动作。4.2子程序设计4.2.1定时器中断程序设计在定时器中断程序中，接到中断命令定时器开启中断。当计数值大于设定值时结束中断，关闭定时器。定时器3计数器循环流程图如图4.3所示。图4.3定时器3计数器循环voidTIM3_Init（void）{RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3，ENABLE）;

TIM_InternalClockConfig（TIM3）;

TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period=10000-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=7200-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter=0;TIM_TimeBaseInit（TIM3，&TIM_TimeBaseInitStructure）;

TIM_ClearFlag（TIM3，TIM_FLAG_Update）;TIM_ITConfig（TIM3、TIM_IT_Update、ENABLE）;

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;

NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;TIM_Cmd（TIM3，ENABLE）;}由上述定时器中断代码得到RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE)函数用于启用TIM3的时钟。TIM_InternalClockConfig(TIM3)函数用于配置TIM3使用内部时钟。定义TIM_TimeBaseInitTypeDef结构体TIM_TimeBaseInitStructure，用来配置定时器，并进行基础设置：将其时钟分频设置为1；计数模式为向上计数；TIM_Period=10000-1设置最大计数周期，当计数值达到最大周期时触发更新事件，即每1毫秒触发一次。TIM_Prescaler=7200-1设置时钟预分频为7200-1，即每7200个时钟周期计数器加1，相当于每1微秒加1。TIM_RepetitionCounter=0将重复计数器设置为0。TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure)函数用于初始化TIM3定时器。TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update)函数用于清除更新中断标志位，而TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE)函数用于开启更新中断。NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)将中断优先级分组设置为2，并用NVIC_InitTypeDef定义了结构体NVIC_InitStructure，用来配置中断优先级。在结构体中进行基础设置：NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn作用为指定中断通道为TIM3；通过NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE完成使能中断；NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2、NVIC_IRQChannelSubPriority=2表示设置抢占优先级与响应优先级为2，然后初始化NVIC并使能TIM3定时器。voidTIM3_Delayus（uint16_txus）{TIM_Cmd（TIM3，ENABLE）;while（TIM3->CNT<xus）;TIM3->CNT=0;TIM_Cmd（TIM3，DISABLE）;}voidTIM3_Delayms（uint16_txms）{intI;for（i=0;i<xms;i++）

{TIM3_Delayus（1000）;

}}上述定时器3延时函数程序代码用两个不同参数实现不同数量级的延时，其中voidTIM3_Delayus(uint16_txus)函数用来实现微秒级延时。参数xus表示需要延时的微秒数；同理voidTIM3_Delayms(uint16_txms)函数用来实现毫秒级延时。参数xms表示需要延时的毫秒数。然后启用TIM3定时器。当TIM3的计数器的值小于给定的微秒数时，进入循环。这个循环等待计数器的值达到给定的微秒数。当计数器的值达到给定的微秒数后，将TIM3的计数器清零，以便下一次延时使用。最后关闭TIM3定时器，结束延时。同时使用for循环来控制延时的次数，使延时达到给定的毫秒数。在每次循环中，调用TIM3_Delayus函数，传入参数1000，即延时1000微秒。对定时器3代码修改，得到定时器2，其计数循环框架与定时器3一致，区别在于初始化后无需对定时器2使能。图4.4定时器2计数器循环void

TIM2_Init(void){

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,

ENABLE);

TIM_InternalClockConfig(TIM2);

TIM_TimeBaseInitTypeDef

TIM_TimeBaseInitStructure;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision

=

TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode

=

TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period

=

10000

-

1;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler

=

72

-

1;

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter

=

0;

TIM_TimeBaseInit(TIM2,

&TIM_TimeBaseInitStructure);

TIM_ClearFlag(TIM2,

TIM_FLAG_Update);

TIM_ITConfig(TIM2,

TIM_IT_Update,

ENABLE);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

NVIC_InitTypeDef

NVIC_InitStructure;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel

=

TIM3_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd

=

ENABLE;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority

=

2;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority

=

2;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}void

TIM2_Delayus(uint16_t

xus){

TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);

while(TIM2

->

CNT

<

xus);

TIM2

->

CNT

=

0;

TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);}void

TIM2_Delayms(uint16_t

xms){

int

i;

for(i=0;i<xms;i++)

{

TIM2_Delayus(1000);

}}定时器2计数原理如图4.4所示。定时器2和定时器3进行同样配置，如上述代码所示。4.2.2步进电机转动程序设计首先对步进电机初始化，RCC_APB2PeriphClockCmd函数打开步进电机控制引脚所在的GPIO端口的时钟。然后配置各GPIO引脚为推挽输出模式并设置GPIO引脚的输出速度为50MHz，最后初始化每个步进电机控制引脚为低电平状态。接下来控制电机旋转流程图如图4.5、图4.6所示。这些函数通过控制步进电机的控制引脚LA、LB、LC、LD来实现顺时针旋转、逆时针旋转以及停止操作。以下是每个函数的简要说明：图4.5控制电机正转流程图图4.6控制电机反转流程图void

Step_Motor_CW(uint16_t

xms){

volatile

uint16_t

i;

uint8_t

temp

=

0;

for(i=0;i<8;i++)

{

temp

=

Steps[i];

LA

=

(uint8_t)((temp&PLA)

>>

0);

LB

=

(uint8_t)((temp&PLB)

>>

1);

LC

=

(uint8_t)((temp&PLC)

>>

2);

LD

=

(uint8_t)((temp&PLD)

>>

3);

TIM2_Delayms(xms);

}

Step_Motor_Stop();}void

Step_Motor_CCW(uint16_t

xms){

int

i;

for(i=8;i>0;i--)

{

LA

=

(uint8_t)((Steps[i-1]&PLA)

>>

0);

LB

=

(uint8_t)((Steps[i-1]&PLB)

>>

1);

LC

=

(uint8_t)((Steps[i-1]&PLC)

>>

2);

LD

=

(uint8_t)((Steps[i-1]&PLD)

>>

3);

TIM2_Delayms(xms);

}

Step_Motor_Stop();}void

Step_Motor_Stop(void){

LA

=

0;

LB

=

0;

LC

=

0;

LD

=

0;}void

CW_Circle(uint16_t

x){

uint16_t

i;

for(i=0;i<x;i++)

{

Step_Motor_CW(1);

}

}上述电机转动核心代码可得出Step_Motor_CW(uint16_txms)函数用于控制步进电机顺时针旋转。它根据传入的参数xms来控制每一步的延时时间，从而控制步进电机的旋转速度。函数通过循环遍历一个步进电机旋转顺序数组Steps[]，依次将每个旋转步骤应用到步进电机的控制引脚上，并通过TIM2_Delayms()函数进行延时控制。Step_Motor_CCW(uint16_txms)函数与Step_Motor_CW()函数类似，但是实现的是步进电机逆时针旋转。它同样通过遍历Steps[]数组，逆序应用每个旋转步骤，并通过延时控制步进电机旋转速度。Step_Motor_Stop(void)函数用于停止步进电机的运动，简单地将步进电机控制引脚设置为低电平。CW_Circle(uint16_tx)函数用于控制步进电机进行顺时针旋转多个圈数。它调用Step_Motor_CW()函数来实现，传入参数x表示顺时针旋转的圈数。这些函数实现了对步进电机的控制，可以方便地控制顺时针旋转、逆时针旋转和停止操作，以及指定圈数的旋转。4.2.3PWM输出程序设计该程序的作用在于初始化了TIM2定时器和GPIOA引脚，并配置了TIM2的PWM输出功能，然后提供了一个函数用于设置PWM的占空比。其流程图如图4.7所示。图4.7PWM输出函数流程图voidPWM_Init（void）{RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM2，ENABLE）;RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA，ENABLE）;

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_SPEED=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init（GPIOA，&GPIO_InitStructure）;TIM_InternalClockConfig（TIM2）;TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period=20000-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=72-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter=0;TIM_TimeBaseInit（TIM2，&TIM_TimeBaseInitStructure）;TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit（&TIM_OCInitStructure）;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0;TIM_OC1Init（TIM2，&TIM_OCInitStructure）;TIM_Cmd（TIM2，ENABLE）;}由上述代码可以看出是一个用于初始化PWM功能的函数以及设置PWM占空比。首先使能并启用TIM2、GPIOA的时钟的，再对GPIO进行初始化：配置GPIOA的工作模式为复用推挽输出；GPIOA的输出速率为50MHz。将GPIOA的第0号引脚为复用推挽输出。然后对TIM2定时器进行初始化，首先选择TIM2作为内部时钟源。并定义TIM2定时器初始化结构体变量；初始化定时器时钟分频、计数模式、计数器周期和预分频器。对PWM输出进行初始化，定义TIM2的输出比较初始化结构体变量；初始化输出比较结构体变量；设置PWM输出模式、极性、输出状态和初始占空比。完成TIM2的PWM输出初始化。最后使能TIM2，启动定时器开始工作。设置PWM的占空比，即设置CCR的值，以调整PWM输出的脉冲宽度。4.3本章小结本章从STM32程序开发环境、定时器中断、步进电机控制、PWM输出、主程序编译这5个主要部分完成系统软件设计。5.系统功能测试测试是检测系统设计中着重的部分，贯穿了实验的整个阶段。主要介绍具体的系统测试。测试包括了各模块的功能测试和整体性能指标的测试。系统实物设计如图5.1所示，由STM32单片机、两个红外传感器、一块OLED显示屏、一个步进电机构成。可以看到两个传感器所连接的跳线颜色不同，其中黄蓝线连接的为出门检测的传感器，用于检测出门时状态。而橙红线连接的是进门检测的传感器，用于检测进门时的状态。图5.1系统设计的实物模型5.1门的自动开关功能系统通过红外识别模块来实现自动门的开关功能。当红外传感器识别到物体时，控制电机转动，实现自动门打开功能。当传感器未识别到物体时，控制电机反转，实现自动门关闭。在测试时用手在传感器前模拟识别物体的过程。初始状态下两个红外传感器均未识别到物体时OLED显示屏上的进门、出门状态均为1，系统初始状态如图5.2所示。图5.2系统初始状态本次设计用硬纸壳模拟自动门，初始位置可以看到门是作有记号的一面。初始时门的位置如图5.3所示。当手在出门传感器前，即传感器检测到有物体时，电机开始转动，此时可以看到面对的是未作记号的一面，如图5.4所示。图5.3自动门初始位置图5.4自动门打开后位置若出门传感器之后未再识别到物体时，控制电机回转，自动门回归初始位置，此时面对的仍是作有记号的一面，如图5.5所示。同理，当进门传感器识别到物体时，电机转动与出门时一致。经过多次实验测试，系统自动开关门功能正常，测试通过。图5.5自动门回归初始位置5.2安全保护功能系统通过电机驱动模块来实现自动门的安全保护功能。当门在闭合时识别到有物体时，在自动门开关门进行延迟，即在识别到物体靠近时电机正转反转之间有一秒的延时。使系统设计更加人性化，避免夹伤。开门之后电机的转动位置，如图5.6所示。下图则是延迟一秒之后电机进行回转时的转动位置，经对比可以看出，自动门的安全性能得到一定程度的保障。经过多次实验测试，系统安全保护功能正常，测试通过。图5.6安全保护功能测试5.3运行状态指示功能在本系统中，运行状态指示功能通过红外传感器结合OLED显示模块实现的。当物体进入传感器的探测范围时，系统自动识别到有物体进入。可以看到与初始状态图5.2所示相比，当用手遮挡传感器模拟进门传感器识别到物体时，图5.7（左）所示，OLED显示屏上进门状态由1变为0，表示此时有人进门。同理出门传感器在识别到物体时，OLED显示屏上出门状态由1变为0，图5.7（右）所示，而进门状态由于未识别到物体则保持不变，表示此时有人出门。经过多次实验测试，系统运行状态指示功能正常，测试通过。通过安装的显示屏可以更直观的看出此时进出门的状态，使本系统更加美观便捷。图5.7运行状态指示功能测试5.4本章小结本章对系统实际的功能进行检测。分析系统检验的效果，实现系统自动开关门、安全保护和运行状态显示的系统功能。对系统各模块功能进行测试，测试结果表明，系统各模块主要功能基本实现。最后总体测试结果表明，基于STM32单片机的自动门电路设计能够满足设计系统的功能需求。6.总结与展望经过本次设计，使我学会了很多东西。本文查阅大量国内外相关资料和研究现状，从市场化方面进行需求分析，设计并实现了一种基于STM32的自动门电路设计。本文主要研究成果：（1）系统通过红外识别模块来检测周围是否有物体，配合电机驱动模块实现门的自动开关。（2）系统通过延时函数完成自动门开关延迟，防止系统工作中有人受伤，提高了安全系数。本文创新点如下：系统通过OLED显示模块结合红外识别模块实现运行状态的显，优化系统设计。本文的不足：（1）红外系统的识别准确性有待提升，在系统的两个红外传感器同时识别物体时，未进行优先级的划分。影响系统可靠性。（2）系统整体的美观性有待改进，设计初期未将美观性考虑进来。参考文献戴建国.我国自动门行业现状调研报告[J].中国建筑金属结构．2014(09)：60-64.它山之石：国外智能家居的发展状况[J].中国新通信,2011(23):67-67.肖俊峰,郑小琴.一种红外线自动门单片机控制系统[J].门窗,2008(10):45-48.高伟.智慧门系统的智能监控设计与开发[D].南京理工大学,2013.郑色深.旋转自动门安全控制系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2017.王强.自动门控制系统的设计及其系统软件开发[D].天津大学,2009.隋晓丽.创新安全规范——谈自动门行业核心竞争力的提升[J].中国建筑金属结构,2012(11):49-51.罗丹丹.基于指纹和人脸识别的安全专用门禁系统的设计与应用[D].四川:电子科技大学,2019.周伯