单片机车门控制系统论文设计.docx
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单片机车门控制系统论文设计
单片机车门控制系统设计
上海大学东方贱人
摘要：
通过单片机控制每一列车厢的车门的开关，通过一些单片机传感元器件检测车门的开启状态,检测车门运行时是否有发生异常情况，比如是否有异物堵住车门。
单片机给出车门电机转动信号，此时驱动电机的正转与反转正是反应列车车门运行状态，同时通过位置传感器检测门的位置状况，从而决定电机的转动与停止，系统要求具有一些指示灯，显示门的开关状态，采用51单片机为主控芯片，利用ULN2003芯片将单片机电平信号放大，驱动两个步进电机模拟屏蔽门与地铁车门，利用按键控制车门与安全门的开关，车站开门时有绿色指示灯提示开左或右方的车门，并在关门时有蜂鸣器三声警告提示乘客此时不适宜上车，请注意安全。
通过软件程序控制单片机并控制两个步进电机（一个模拟车门、一个模拟安全门）的开与关、并伴随警告提示。
关键词：
单片机；车门；电机
Designofthedoorcontrolsystemofsingle-chipmicrocomputer
Abstract:
throughthesingle-chipmicrocomputercontrolofeachcolumncompartmentdoorswitch,throughsomeSCMsensingcomponentsdetectiondooropeningstate,doordetectrun-timewhetherabnormalconditionsoccur,suchaswhetherthereareforeignbodiesblockedthedoor.SCMdoormotorrotationsignal,turningthedrivemotorandthereversereactionisthetraindooroperationstate,atthesametimebythepositionofthedoorpositionsensor,whichdeterminesthemotorrotationandstop,thesystemrequiressomelights,displayswitchstateofthedoor,using51single-chipmicrocomputer,asthemaincontrolchip,usingULN2003chiptheMCUsignalamplifier,drivethetwostepmotorsimulationofshielddoorandsubwaydoor,thedoorandthesafetydoorcontrolswitchbutton,thestationopenedthedoorwhenthegreenindicatorlightpromptsopenleftorsideofthedoor,andthedoorwhenthereissoundwarningbuzzerthreepassengersatthistimeisnotsuitableforthecar,pleaseCaution.Throughthesoftwareprogramtocontrolthemicrocontrollerandtwosteppermotor（simulatethedoor,asimulationofthesafetydoor）ontheopenandclose,andaccompaniedbywarningtips.
KeyWords:
；Singlechipmicrocomputer；Cardoor；Steppermotor；
1绪论
1.1课题的目的与意义
城市交通安全这一与人民的生活息息相关的问题，也到了必须解决的时候。
近几年来，国内外公共交通安全事故不断，如公交着火，车门夹人，车门制动失灵导致发生的事故时有发生。
所以车门系统的安全性与列车运行都是息息相关的，可靠性都有着密不可分的关系。
在城市交通方面，公共交通因为其承载量大，出行方便，价格便宜等优势，在人们的选择方面有着出租车，地铁，私家车不可取代的地位，在保障人民的出行安全方面发挥举足轻重的作用。
由于城市公共交通自身的特点和发展，交通车辆车门系统的可靠性和安全性已成为公共交通部门重点观众的问题之一。
在车辆设备中，制动系统和车门系统是事关乘客安全的重要环节。
在列车车辆运营停靠站的过程中，列车车门需要不断的开启和关闭，加上非常情况下的人为因素和外部因素发生的车门开启和关闭，导致车门故障时常发生，经常出现车门夹伤乘客的事件，尤其上下班高峰期，车门感应区域的失灵时常会造成无法挽回的伤害。
列车车门系统是列车车辆设备中十分重要的组成部分，最基本的功能就是控制列车车门的开启功能和关闭功能。
车门系统的安全也是直接影响着列车正常安全有效的运营。
为保证列车车门的性能，智能监控系统必不可少。
针对以上存在的问题，就需要一个能够准确解决问题的办法。
智能化车门系统，不仅要在车门系统结构、系统功能、远程系统维护等方面进行设计，实现对客车车门的智能化控制、诊断故障与车门售后维护功能。
新的智能车门系统对于提高车门系统的安全性，减少车辆在运营期间的发生的故障率有极其重要的意义，减少了因车门系统发生故障而停运的时间，避免了由于车门系统发生故障造成的重大交通事故，方便乘客出行的便利也是做出了重大贡献。
1.2国内外研究现状
城市车辆的车门主要有二大形式的驱动方式：
电动和气动。
根据门页的运动轨迹分为：
直线运动和非直线运动，通常称为：
外挂门、内藏门和推拉门。
车辆设计安全性要求，它们的控制方式都是通过列车导线传递指令，是属于集中式开、关车门和锁门，而它们的结果信息目前采用网络方式（软件通信）。
作为高铁、轻轨和地铁车辆重要使用部件的车门在列车车辆的运营中是十分重要的，小到从车门构造的设计、开关设置机构以及它们的生产加工制造与列车控制都直接或者间接地影响着城市轨道车辆的安全运营状况。
因此，列车车门的重要地位是不能取代的，也是在发展列车现代化进程的重要研究部分。
综合世界的上铁路的发展来看，德国和日本的铁路在世界上也是遥遥领先的，其中日本的铁路新干线不仅是日本铁路干线的一个重大的开端，也是在一定程度上推动了列车铁路的崭新发展，也是为其他发展中国家铁路的发展树立了榜样。
在列车车门的研究方面日本也有具有实质性的突破，尤其是在列车自动车门开机关机的开发上。
他们在设计高铁、地铁时，车门与车厢之间没有设有台阶，这也是以便旅客能平稳、安全、迅速上下车，并且显著减少了旅客上下车的时间，同时也是方便了老年人的行动，减少了儿童上下车时易造成的事故发生率。
1.3发展趋势
单片机地铁门控制系统是一个典型的现代化机电一体化产品。
车站站台与列车行车轨道间隔距离，判断其沿站台边缘布局的大小，不断调整，降低了车站空调通风系统的运行和能量损耗。
同时避免了车厢内因为车门的密封性能不能够达到要求，从而产生了一系列的噪音的这一后患，这提高了列车的服务水平，从简单的一个车门控制，延伸到了列车的安全和舒适度。
门页采用铝框架、铝蜂窝及铝蒙板的铝制夹层结构制造，热固化成型，铝板边缘卷边包裹在铝骨架上增强机械附着强度。
门页上均安装有密封玻璃，玻璃与门外表面齐平。
门扇周边安装有EPDM橡胶密封条，橡胶条符合DIN5510防火标准。
另外车体上还配有一个密封框，确保门扇与车体之间的密封效果。
门扇的后面放置了一根接地线，用以连接门扇和车体，以免门扇上的电流击伤人员。
1.4车门故障分析
根据车门故障分析，故障有明显的早晚高峰特征、工作日特征和季节特性征。
一天24小时，以6分钟为单位。
早高峰7:
30～8:
30间车门故障率比平峰时间高出许多，8:
00时刻车门故障率是平峰的10倍。
图1.4-1列车各大系统故障导致5分钟晚点的比例
市民早晨9点上班、下午17点下班。
结合上下班的平均出行距离与交通旅行速度，7:
30～8:
30是上班高峰时段，交通最为繁忙拥堵，客流量最大。
按周统计列车故障下线次数可见双休日车门故障明显低于工作日，所以工作日车门故障率高于平常工作日与出勤率吻合。
休息为主的周六、周日出行时大多数不是为了上班，乘客少了，车门发生事故的故障率显著降低。
车门的故障分析研究是可以作为车门开启，闭合的频率设定的最好研究方法。
通过对列车车门系统的升级和调整，也是降低列车在运行的过程之中事故的发生率。
2车门系统
2.1.车门结构
图2.1-1车门结构图中，每个门页
（1）
（2）均采用铝框架、铝蜂窝及铝蒙板的铝制夹层结构制造，热固化成型，铝板边缘卷边包裹在铝骨架上增强机械附着强度。
门扇除了必需的紧固、支撑和导向件以外，内表面是平滑的。
每扇门上均安装有玻璃（5），玻璃与门外表面齐平。
门扇周边安装有橡胶密封条（7）。
门扇前缘安装有专用的护指胶条（6），以防止乘客被夹伤。
在门页的每个上部后边缘上，平衡轮（14）（安装在车体门口上）在闭合位置与门页咬合，阻止由于任何垂直向上施加的作用力而使门页发生位移。
在每扇门的前边下部有一止挡销，当门关闭时止挡销与门槛嵌块（22）中的槽配合。
该固定装置可以阻止门扇在此区域内的偏移（由横向力引起），此外，门页上任意点的其它偏移也会由于固定装置而得到减少。
表2.1-1车门部件表
序号
部件
序号
部件
1
左门页
12
驱动丝杆
2
右门页
13
摆臂组件
3
切除装置
14
平衡轮
4
下导轨
15
紧急出口装置
5
门窗
16
紧急入口装置
6
护指胶条
17
门槛
7
周边胶条
18
EDCU
8
安装支架
19
上导轨
9
导柱
20
侧密封压条
10
携门架
21
上密封压条
11
直流电机
22
嵌块
图2.1-1车门结构图
图2.1-2门位置
（1）每节车左右定义：
站在每节车车内，面向1位端，左手边为车辆左侧，右边为车辆右侧。
（2）整列车左右定义：
站在激活的司机室内，面向列车前进方向，左手边为列车左侧，右手边为列车右侧。
（3）每节车厢客室门1和2的EDCU（电子门控制单元）为主车门控制单（MDCU），而每节车厢的客室门3－8的EDCU则作为本地车门控制单元（LDCU）来使用。
2.2.门驱动结构
门的运动由一个带减速箱的直流电机
（1）驱动丝杆
（2）来实现。
电机通过联轴节直接驱动丝杆，门扇安装在携门架上。
丝杠螺母（3）（4）通过铰链结构与携门架（6）柔性相连，车门通过上下车门的导轨实现运动。
在丝杆的右端设有解锁单元（8），一旦操作紧急出口/入口装置，在钢丝绳的拉动下解锁单元可将车门手动解锁。
长导柱（7）安装在3个挂架上，在导柱（5）上移动，短导柱安装在车体上。
长导柱为门的纵向移动提供自由度并保证在开/关门过程中门板与车体平行。
图2.2-1门关闭/锁闭开关
检测装置包含2组限位开关，用于检测驱动螺母是否进入关闭或锁闭位置，并提供“门关闭或锁闭信号。
每一个开关包含有NO（常开）及NC（常闭）触点,机械上联动，但电气上互相独立。
NC触点用于列车安全回路，NO触点用于门内部的检测电路。
在机构顶部安装有关到位开关组件
（1）与锁到位开关组件
（2）。
当门到达关闭位置时，左螺母上的撞板（3）拨动开关组件中的滚轮（6）使铰链臂（5）旋转脱开，释放关到位开关（7）。
当螺母中滚动销进入锁闭位置时，右螺母上的撞板（4）拨动开关组件中的滚轮使铰链臂旋转，释放锁到位开关（8）。
开门时，顺序相反。
图2.2-2携门架结构图
⏹丝杆螺母
（1）通过铰链板
（2）和携门架上的连接座（3）与携门架相连，携门架通过直线轴承（9）在长导柱上滑动。
⏹携门架通过其上面的螺钉孔（4）与门页螺栓连接，并提供了一个偏心轮孔（5），通过此孔安装偏心轮装置来调节门页的“V”形。
携门架自带有一个偏心装置（8），通过此偏心装置来调节门扇与车体之间的平行度。
⏹携门架通过滚轮（6）在上滑道中运动，缓冲头（7）为门页的全开提供定位。
图2.2-3门锁闭结构图
⏹变升程丝杆的螺旋槽分为三段：
普通工作段
（2）、零升程自锁段（4）和过渡段（3）。
在与门连接的传动螺母上，有2只滚动销
（1），滚动销
（1）在丝杆螺旋槽中滚动。
⏹在普通工作段螺旋槽中，电机驱动时，丝杆可以驱动传动螺母以实现电动开关门，无电时，传动螺母可以驱动丝杆以实现手动开关门，当传动螺母的滚动销进入丝杆的零升程自锁段时，仅丝杆能驱动传动螺母以实现锁闭或解锁，而传动螺母却不能驱动丝杆试图解锁，从而实现对门的锁闭和电机开/关门的自动切换。
2.3.车门故障指示
（1）I0-I15：
输入信号的逻辑电平（绿色）
（2）O0-O5：
输出信号的逻辑电平（红色）
（3）ERROR：
主要故障指示（红色）
（4）5VDC：
内部电压（红色）。
（5）O/C：
安全继电器状态，门驱动电机启动（开门方向或关门方向）（绿色）
（6）LED代码：
故障代码显示
图2.3-1车门故障显示
2.4.车门控制单元
2.4.1车门控制简介：
图2.4-1车门控制单元
通过上图可以看到每个客室门都设有一个独立的EDCU控制。
客室门中的EDCU配有MVB总线接口，方便车辆总线（MVB）能够实现与列车的信息交换。
单独接有MVB总线接口的EDCU（MDCU）接口是用来执行列车之间的通信任务。
另一个MDCU就是作为主控冗余，当MDCU故障时，该情况下自动接管主控功能。
其他客室门就不接在MVB总线接口的控制单元（LDCU）上，可通过一个CAN总线和一个MDCU进行单独通信。
EDCU串口包括内部电源、程序存储器、微控制器。
微控制器驱动车门电机，并控制电机转矩以及电机电流和速度。
EDCU是可以程序编程的。
输入信号和输出信号都是由操作软件控制，并可通过及时更新软件来实现列车车门功能的更改。
可以通过位于每个车门EDCU与"USB"接口实现操作软件。
接通电源电压激活车门EDCU可引发客室门的动作：
•客室门锁闭：
客室门被激活并保持关闭
•客室门未锁闭：
此时EDCU不能监测车门的位置。
在单独未锁闭的客室门上，将启动一个初始化程序，此程序将以匀速关闭车门直到车门达到关上和锁紧到指定位置。
障碍物检测系统正常在工作此过程中。
2.4.2车门主要参数：
客室门净开宽度范围：
（1300±4）mm。
客室门净通过高度：
1880mm。
客室侧门塞拉行程：
52mm。
客室侧门门页厚度：
32mm。
玻璃结构：
5+11（中空）+4（内侧）mm。
供电电压：
DC110V（供电电压波动范围77V～137.5V）。
功耗：
待机＜15W，正常操作≤160W，峰值＜440W（<500ms）。
EDCU服务接口：
USB。
EDCU通讯接口：
MVB、CAN。
EDCU工作温度范围：
-25℃～+70℃。
电机防护等级：
IP32。
EDCU防护等级：
IP32。
开门/关门时间：
3.0±0.5s。
开门、关门延长时间：
0～3.0s。
最小障碍物规格：
25×60mm（宽×高）。
防挤压力（遵循EN14752标准）：
峰值力Fp＜300N；在第一次试图关门过程中的有效力Fe＜150N；在进一步试图关门过程中的平均有效力Fe＜200N。
隔音量：
100-5000Hz时≥31dBA。
隔热性能：
K≤4.6W/m2K。
2.4.3车门可调整参数：
（1）车门运动参数可在司机室通过列车网络进行集中修改，单个车门的运动参数也可以通过车门维护软件进行修改。
（2）在列车网络处于工作状态时，车门运动参数仅可以在司机室集中修改，不得同时使用车门维护软件对单个门控器进行运动参数设置。
（3）当列车网络不工作时或门控单元与列车网络无连接时，需对本地车门进行调试试验，可允许使用车门维护软件修改车门运动参数。
2.5.车门开启条件
2.5.1允许开门条件
当满足以下列条件时，此时则允许EDCU驱动电机执行开门操作：
（1）没有操作隔离装置，且；
（2）没有操作紧急解锁装置，且；
（3）“零速”信号有效，且；
（4）“门允许列车线”为高电平，且；
（5）门处于并未开到位位置，且；
（6）没有产生过锁到位，开关故障，且；
（7）没有产生过关到位开关故障。
2.5.2通过激活“开门”实现开门
“开关门控制切换开关”在硬线位时，列车开门时是要将开门列车线激活的，当感应信号检测到“开门列车线”信号从低电平“0”跳变到高电平“1”时，且保持高电平状态“1”200ms以上，此时则认为“开门列车线”的信号是有效的；若此时满足“允许开门”的条件下，车门此时开始正常开启。
当列车出现紧急情况仅由蓄电池供电时，若门控器接收到MVB网络发送的“紧急操作信号”，则整列车门将进行顺次开门，每节车单侧每1s开1扇门。
门开启到开门终点位置后保持在这一位置，直到再次接收到关门指令。
如果在开门过程中，“开门列车线”信号从高电平跳变为低电平，门仍然会开启到开门终点位置。
开门时“门允许信号”将会自动失效，车门此时仍然会自动开启到终点位置，到达终点位置后，门保持不动。
2.5.3“网络开门指令”开门
“开关门控制切换开关”在网络位时，当检测到“网络开门指令”信号从“0”跳变到“1”，认为“网络开门指令”信号有效；若满足“允许开门”的条件，且无网络故障的情况下，车门开始开启。
2.5.4维护按钮开门
若满足“允许开门”的条件下，相关维护操作人员通过开启EDCU上的按钮，此时则会打开相应的门，当再次开启“维护”按钮时，此时若满足“维护按钮关门”的条件下，则开门顺序将会自动转变为关门顺序。
2.6.车门关闭条件
2.6.1通过激活“关门”实现关门
“开关门控制切换开关”在硬线位时，感应器此时检测到“关门列车线”信号从低电平跳变到高电平，此时认为“关门列车线”信号有效，若满足下述“允许关门列车线关门”条件，则计时器会延时3s后，车门开始关闭：
（1）没有操作隔离装置，且；
（2）没有操作紧急解锁装置，且；
（3）零速”信号有效，且；
（4）门未关锁到位
关闭至关锁到位位置后保持在这一位置。
如果在关门过程中，“关门列车线”信号从高电平跳变为低电平，门仍然会关闭到关锁到位位置。
2.6.2“网络关门指令”关门
“开关门控制切换开关”在网络位时，检测到程序中的“网络关门指令”信号从“0”跳变到“1”，认为“网络关门指令”信号有效，则延时3s时间后，车门开始关闭。
2.6.3“重开闭”列车线关门
检测到“重开闭列车线”信号从“0”跳变到“1”，低电平跳变到高电平时，且保持高电平状态200ms以上，认为“重开闭列车线”信号正常，门将打开至开指定的位置，延时2s后，列车线门重新关闭。
2.7.司机显示屏
图2.7-1司机显示屏图
2.8.司机室指示灯
（1）开右门按钮（81-S01）或开右门备用按钮（=81-S101）上的红色指示灯：
点亮表示ATC允许操作列车右侧门。
（2）开左门按钮（81-S02）或开左门备用按钮（=81-S102）上的红色指示灯：
点亮表示ATC允许操作列车左侧门。
（3）关右门按钮（81-S13）或关右门备用按钮（=81-S113）上的绿色指示灯：
点亮表示列车右侧客室门全部关好。
（4）关左门按钮（81-S14）或关左门备用按钮（=81-S114）上的绿色指示灯：
点亮表示列车左侧客室门全部关好。
（5）司机室操纵台右侧设置有“所有车门关闭（=81-P01）”绿色指示灯：
点亮表示左侧及右侧车门全关闭好。
2.9.车门操作按钮及开关
图2.9-1车门操作按钮
（1）ATC切除：
＝91-S105
合位：
车门允许信号不受ATC控制，此时允许信号由零速信号替代；左/右车门均有效，左/右车门的开门按钮的红色指示灯则点亮。
（2）车门使能旁路：
=91-S10
合位：
旁路ATC车门允许信号，此时允许信号由零速信号替代；左/右车门均有效，左/右车门的开门按钮的红色指示灯则点亮。
（3）门零速旁路：
=81-S109
合位：
当零速信号故障时，激活开关给门控“零速”信号
（4）门模式选择：
=91-S106
a）“全自动”：
通过ATC系统自动开启/关闭车门；
b）“OFF”按钮：
手动开启/关闭车门；
c）“半自动”：
ATC系统自动开启车门，手动关闭车门。
（5）门关好旁路：
=81-S110
合位：
绕过门安全回路，允许牵引。
（6）开关门控制切换：
=81-S112
硬线：
默认状态，此时EDCU响应列车硬连线发出的车门开关指令、零速信号。
（7）所有车门关闭：
=81-P01
绿色指示灯：
点亮表明所有客室车门全关好。
（8）关左门:
=81-S14
带绿色指示灯按钮：
按下按钮执行手动关左门操作；绿色指示灯亮，表明左侧车门全关好并锁闭到位。
（9）开左门:
=81-S02
带红色指示灯按钮：
按下按钮执行手动开左门操作；红色指示灯亮，表明ATC允许操作左门。
（10）关右门:
=81-S13
带绿色指示灯按钮：
按下按钮执行手动关右门操作；绿色指示灯亮，表明右侧车门全关好并锁闭到位。
（11）开右门:
=81-S01
带红色指示灯按钮：
按下按钮执行手动开右门操作；红色指示灯亮，表明ATC允许操作右门。
（12）车门控制:
＝81-F01
闭合后，给列车车门控制电路、列车安全回路供电。
（13）门控单元1、3、5:
＝82-F101
Tc车1、3、5号EDCU供电。
（14）门控单元2、4、6:
＝82-F102
Tc车2、4、6号EDCU供电。
（15）M1车门控单元1、3、5供电＝82-F201
M1车门控单元1、3、5供电。
3系统方案论证与器材选型
3.1.系统方案论证
在了解了车门系统的结构，车门驱动结构、车门主要参数、车门开启、关闭条件之后更加充分的知道了如何能准确，高效的控制车门，考虑到作出实物的可实施行，我决定采用系统仿真出车门控制的大致情况，用单片机的模拟仿真当人体走到感应区域时，列车车门开启和关闭。
这是需要很多的模块相互之间配合完全才能实现的仿真。
本论文中主要是采用单片机和一些驱动模块以及显示灯来简单的仿真出列车车门在规定时间内的开启和关闭。
本系统共有列车主控制模块、控制系统电源、驱动模块、报警模块。
首先设想一下当列车到站时列车员按动车门开启开关时，列车感应器通过传感器的检测，先开车门再开屏蔽门，LED灯闪烁，提示旅客下车方向，并且当按下关门按钮时蜂鸣器报警三声后先关屏蔽门再关车门。
单片机给出车门电机转动信号，驱动电机的正转与反转，同时通过位置传感器检测车门的位置状况，从而决定电机的转动与停止，伴随一些LED指示灯，显示车门的开关状态。
当出现异常情况，比如异物堵住车门，单片机给出相应的电机转动信号。
图3.1-1系统总体方案
3.1.1设计方案简介：
主模块采用AT89S52作为主处理器，模块分为几个部分：
列车触发模块、系统中心模块、驱动模块、报警模块、步进电机。
方案详细介绍：
1）触发模块——由激光收发器两个按钮开关检测信号。
2）控制模块——由系统单片机模块控制。
3）驱动模块——步进电机
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