防恐电子挡车器设计2.docx
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防恐电子挡车器设计2
毕业设计说明书（论文）中文摘要
本课题的任务是拟设定一种刚性挡车器，在重点进行抗冲撞设计的同时，充分发挥计算机控制技术的优势，实现系统的自动控制。
其设计成果可望形成一种有实用价值的现代化防恐设备。
得益于切换的快速性以及外形的美观，直杆类的挡车器应用得非常广泛，但是，各收费站使用的直杆类挡车器，对违章司机形同虚设，车辆冲卡现象相当严重，更有甚者，撞伤、撞死执情人员，有时也发生。
严重威胁收费站工作人员的人身安全，造成征费工作困难，直接影响我国公路事业的发展。
本论文以89C51单片机为核心对防恐电子挡车器进行各种信号处理和自动控制的，完成了简单的机械装置的设计及电气与单片机系统硬件、软件设计。
其中电气与单片机系统硬件、软件设计是本论文的重点，系统硬件设计主要包话了89C51单片机、光电耦合器、车辆检测器和脉冲记数器等的设计。
关键词刚性挡车器自动控制系统硬件软件设计
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleDesignofAnti-terrorElectronical
BoardBarrierSystem
--DesignoftheOverallPartsandControlSystem
Abstract
Thetaskofthissubjcetistodesignarigidboardbarrier.Takingfulladvantageofcomputer-controltechnologyitwillnotonlyhavethestrongresistanceofcollidingbutalsoasystemofautomaticcontrol.Thisdesignresultmaybecomeakindofmodernanti-terrorequipments.Barbarriorisverycommonbecauseofitsfastup-downchanginganditsbeautifulappreance.However,sometollstationswiththesebarbarriersareonlyunefficientnominaltotheillegaldrivers.Thisphenomenonisaseriousthreattosafetyofadministratorsinthesetollstations.Thedevelopmentofhighwaybusinesswilltobeconstraintde.89C51singlechipmicrocomputerisasacoretoprocessallinformationandautomaticallycontrolthisanti-terrorelectronicalboardbarrier.Thisthesiscontainsthedesigningofmachineryandthedesigingofhydraulicsystemandthedesigningofthecontrolsystemofsinglechipmicrocomputerandthesystemofsoftware，Amongothers,thelastisthethesis’smaincontent.Thehardwaresystemprimarilycontainsthedesigningof89C51singlechipmicrocomputerandlight-electricitytransformationandvechicledetectorandpulsecounteretc.
KeywordsRigidboardbarrierSystemofautomaticcontrolHardwaresystemSoftwaresystem
1引言
随着社会生产力的发展，科学技术的不断进步，我国的交通运输业也发生了日新月异的变化，各大高速公路如雨后春笋般地兴建，因此给电子挡车器的要求也越来越高。
如今在公路、桥梁、隧道、停车场收费站甚至在高级住宅小区、机场、体育场和集会场都安装了栏杆机。
因此挡车器也成为了现实生活中越来越不可缺少的一部分。
1.1当前电子挡车器的现状与需求
目前市场上有各式各样的挡车器。
就切换的速度上看有：
高速挡车器，动作时间一般为1.2S～2S；中速挡车器，动作的时间一般为2.5S～3S；低速挡车器，动作时间一般为4.5S以上。
就外形来看，有：
直臂型，主要用于公路收费站、停车场、住宅、机关及学校等；曲臂型，主要用于受高度限制的区域；栏栅型，外形很优美，主要用于海关等防止从杆下通过的场所。
就控制方式来看，有：
手动控制，遥控控制和通讯控制。
就机械传动上分有：
液压传动，这种传动结构简单、传动快、声音轻，但维护成本高，栏杆不宜太长，撞击后损坏率高,停电后的释放简单；皮带传动，这种传动成本低,但易拉伸磨损,声音响,传输平衡稳定性较差,要日常维护；减速箱传动，此种传动成本略低,机械结构复杂,机件多,调节维护复杂；复合一体化传动，此种传动电机和减速机构一体，根据不同的杆长选择不同的电机，无须调节减速机构，停电处理只需钥匙柄，卫生方便。
图1住宅区栏杆式自动挡车器
如图1所示得益于切换的快速性以及外形的美观，挡杆类的挡车器应用得非常广泛，但是，各收费站使用的直杆类道闸，对违章司机形同虚设，车辆冲卡现象相当严重。
更有甚者，撞伤、撞死执情人员，也时有发生。
严重威胁收费站工作人员的人身安全，造成征费工作困难，直接影响我国公路事业的发展。
众所周知好的事物有它好的一面，也有不足的一面。
图2直杆挡车器
图2所示目前就普通的挡车器存在的问题是：
结构不牢固，容易被强行冲撞，容易坏。
而达不到拦车的目的。
特别是近几年来，恐怖活动日益猖獗，特别是一些公共场所如：
机场、车站、港口、桥梁和政府部门机构等都是恐怖分子感兴趣的场所，为此各国采取了形式多样的反恐措施。
作为阻挡恐怖活动的第一道关卡，挡车器起到关键的作用。
而普通挡车器是没多大作用的。
所以必须要研究出结构牢固，强行冲撞不坏的挡车器来取而代之，其新的名字为防恐电子挡车器。
它是专门为之设计的，它可以有效的防止恐怖分子冲撞普通挡车器类似事件的发生。
1.2本课题研究的意义
目前市场上流行的挡杆类挡车器注重状态切换的快速性但忽视系统抗冲撞能力，形式上表现为一根由计算机控制抬起或落下的栏杆，成为一种意念上的关卡。
防恐电子挡车器采用挡板的形式，具有坚固耐用、可靠性高的特点，重点加强了抗冲撞能力，启动后，车辆无法通过，能有效地杜绝冲卡现象。
在国际恐怖主义猖獗、汽车炸弹等各种自杀式恐怖攻击大街其道的国际环境下，为了加强对海关、机场、重要政府机关抢救无效的保护，挡车器的障碍作用则明显应俦于对灵活性的考虑。
美国驻外大使管门前垒起的水袋可视为刚性挡车设施的代表，只是更多的让人联想起近现代的战争。
电子防恐挡车器正可以解决当前的恐怖冲卡现象，适用于公路、桥梁、隧道、停车场、企事业单位、旅游区道口、车辆通行管理领域和收费出入口。
电子挡车器的控制系统采用计算机控制，系统集成度高，逻辑功能强，具备高度智能化。
系统控制设计有多种运行模式供用户选用；有与自动控制系统、环路感应器、报警器、车辆计数器的连接的专用接口；用户可通过选择不同的运行模式，通过不同的搭配组合，灵活组成人工控制、半自动控制、智能控制等各种不同类型的控制管理系统。
本课题拟设计的防恐电子挡车器的特点是采用国内外先进的单片机控制设备，拟采用特殊的材料，具有寿命长、性能稳定、抗干扰性强、高性价比、高抗冲撞击能力、实现灵活、易扩展等优点。
而使用的微型单片机控制器具有体积小、使用简单、通用性强、快速高效等特点，便于方便控制与使用[1～4]。
1.3本课题的主要任务
本课题拟设定一种刚性挡车器，在重点进行抗冲撞设计的同时，充分发挥计算机控制技术的优势，实现系统的自动控制。
其设计成果可望形成一种有实用价值的现代化防恐设备。
1.3.1控制方面设计条件与要求：
（1）动作时间：
10S
（2）控制核心：
单片机
（3）控制方式：
（a）现场按钮控制。
（b）中央计算机集中控制。
（c）地感应智能控制。
1.3.2知识要求
（1）单片机控制系统软件设计知识。
（2）单片机控制软件开发能力。
（3）电子线路板并protel99se设计。
1.3.3成果要求
（1）总体方案设计与分析。
（2）设计使用说明书。
（3）单片机控制系统原理图、电子线路板图、单片机控制系统软件。
2防恐电子挡车器的机械结构
2.1四杆机构的选用
（1）曲柄摇杆机构
铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则称其为曲柄摇杆机构。
在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复摆动；若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周运动。
如图2.1所示的雷达天线俯仰搜索机构。
图2.1雷达天线俯仰搜索机构
（2）曲柄滑块机构
曲柄滑块机构是由四杆机构的基本形式演化而来的。
机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善受力状况以及满足结构上的需要。
如图2.2所示的自卸卡车车厢的举升机构ABC为例，其中摇杆3为油缸，用压力油推动活塞使车厢翻转。
图2.2自卸卡车车厢的举升机构
本设计的挡车器机械部分与上述两例的原理相似，采用四杆机构作为机械部分。
2.2机械部分要求
机械部分是直接阻挡车冲击的部分，也是外部结构主要支柱。
因此，必须具有以下基本要求：
（1）空间上足够的大。
挡车板在路的横向和高度方向能够阻挡住车
（2）强度足够。
当车以高速冲撞挡车板时，产生巨大的冲击力。
整个系统必须具有足够的强度来承受巨大的剪切应力，挤压应力以及弯曲应力。
（3）运动过程中不能干涉。
为了便于整个系统的装拆，我们尽量的要减小坑的体积，尤其是坑的深度，但是不能导致系统在工作中出现干涉，如杆碰到坑的壁面，液压缸和杆相互阻挡等导致系统强烈震动甚至不能运动。
（4）结构尽量简单。
此系统主要是满足刚度要求，对灵敏性要求和精密性要求不高。
减小结构的复杂性，可以提高系统的刚性，降低成本。
（5）重量尽量小尽量的减小系统的重量，可以减小启动液压系统的负荷，减小成本，便于装拆[3]。
2.3确定液压系统方案
下面借鉴搭档液压缸的设计。
初选液压缸工作压力，参考《液压传动》表10.3-1，结合本液压系统实际情况，初选系统压力
为18MPa。
（1）计算液压缸的主要尺寸
正向行程（无杆腔进油）时
其中
为有杆腔压力，此处取
≈0，
为机械效率（
=0.88～0.95），通常取
=0.95。
所以
即
其中D为液压缸内径
根据表23.1-9
，D取标准值125mm
故活塞杆直径d可由
求得
其中
为速度比
，
推荐值为1.33～2，查表4.8-1
取1.33
根据表23.1-10
，d取标准值63mm
液压缸具体如图2.3所示
图2.3液压缸零件图
则液压缸的有效面积
（2）液压缸其他尺寸的确定
活塞的宽度B按缸的工作压力和活塞的密封方式确定，一般为（0.6～1）D
故取
mm
导向套滑动面的长度
，当D>80mm时，取（0.6～1）d
故取
圆整为B=38mm
液压缸的长度S按其最大行程确定，一般不大于（20～30）D
L:
液压缸行程，本设计取760mm
H:
最小导向长度，它的大小影响到液压缸的稳定性和初始扰度。
要求
mm
C:
其他长度，比如密封件长度
故取
mm
液压缸缸体的壁厚
缸体厚度
的取值由强度条件决定，取
=24mm
所以根据要求及实际计算所采用的系统方案如图2.4所示
图2.4液压系统设计方案
2.4机械部分的设定方案
根据任务书要求并结合我搭档的设计理念，初步设定如下方案：
方案：
如图2.5所示
图2.5初步设定方案
此方案的特点：
结构紧凑，满足空间要求。
液压缸不直接承受负载，负载阻力小。
各杆位置得当，满足刚度要求。
机构传动角为45
，利于机构运动。
故采用此方案。
3防恐电子挡车器的内部控制系统设计
3.1单片机的比较与型号选择
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，世界上一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。
其中有Intel公司的MCS-48,MCS-51,Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501，6502等.此外，荷兰的PHILIPS公司，日本的NEC公司和日立公司等也不甘落后，也相继推出了各自的单片机产品。
尽管各个公司生产的单片机品种很多，但是自单片机问世以来，在我国使用最多的还是Intel公司的MCS-51系列的单片机及兼容单片机。
MCS是Intel公司生产的单片机的系列号。
MCS-51系列单片机包括三个基本型8031，8051，8751以及后来ATMEL公司扩展的8951等。
下面对8051与8751，8951间的比较：
8051是在8031的基础上，片内又集成有4KBROM，作为程序存储器。
片内数据存储器为128，I/O口线为32，计数器为2个，中断源为5个。
所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。
8051应用在程序已定且批量大的单片机产品中。
8751片内集成了4KB的EPROM，构成了一个程序不大于4KB的小系统片内数据存储器为128，I/O口线为32，计数器为2个，中断源为5个。
用户可以将程序固化在EPROM中，EPROM中的内容可反复擦写和修改，但价格比较贵点。
MCS-51系列的单片机中的8051是最早，最典型的产品。
美国ATMEL公司推出的AT89C5X系列。
尤其是该系统中的AT89C51单片机在我国面前的8位单片机应用中占有相当大的市场份额。
他在功能，引脚及指令系统方面完全兼容。
其中AT89C51单片机的时钟频率高达24MHz，Flash存储器允许在线（+5V）电擦除，电写入或使用编程器对其重复编程。
另外，AT89C51还支持由软件选择的两种掉电工作方式，非常适于电池供电或其他要求低功耗的场合。
由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而AT89C51就相当于87C51，只不过用芯片内的4KBFlash存储器取代了87C51片内的4KB的EPROM。
AT89C51片内的4KBFlash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此ATMEL公司的AT89C5X系列单片机受到了应用设计者的欢迎，AT89C51是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。
综上所述，总之8051与8751，8951之间的区别8051、8751、89C51的内部结构和指令集都是一样的，区别在于：
8051：
内部带有掩膜（由工厂直接编程烧死）的程序存储器，自己无法修改；
8751：
内部带有EPROM程序存储器，可编程，擦除则需要通过芯片上的玻璃窗口用紫外线擦除器擦除；
89C51：
内部带有Flash存储器可以电擦除和改写，字母C代表CMOS工艺。
他们的比较如表3.1所示：
表3.1各单片机的内部硬件资源
型号
片内程序存储器
片内数据存储器（B）
I/O口线
（位）
定时器/计数器（个）
中断源
（个）
引脚
（个）
8051
4KBROM
128
32
2
5
40
8751
4KBEPROM
128
32
2
5
40
8951
4KBFlash
128
32
2
5
40
3.2需求分析
80C51单片机的程序在做单片机时写入，一次性固化，用户不能改写；在87C51中为4KB的可编程、可改写的只读存储器是EPROM；在89C51中为4KB的可骗程、可改写的只读存储器是EEPROM；而80C31不设片内程序存储器，使用时必须由片外扩展。
89C51单片机是80C51含EEPROM的产品，是当前最新的一种电擦写的8位单片机，与80C51系列完全兼容，这种单片机有两级或三级程序存储器的保密系统，用于保护E2PROM中的程序，以防止非法拷贝，其片内的闪速存储器的编程和擦除完全用电实现，另外89C51单片机还可用智能法进行编程，可使每个字节编程的时间由50MS减少到4MS，速度快、效率高；其片内有4KB的PEROM代码存储器阵列，有低电压编程和高电压编程（12V）两种模式，低电压编程状态为用户在系统中编程89C51提拱了一个方便的途径，而高电压编程（12V）模式与一般常规FLASH或EPROM编程兼容。
由上可知，用电可擦除型的ROM给用户还来了更大的方便，特别是应用系统的现场调试，而且目前的市场体格已经下降得很快，所以被广泛采用。
所以本次选用89C51单片机较优。
随着大规模集成电路技术的发展，可以将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。
这样所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机。
所以本系统选用的要与8051单片机功能相似的且优于它的单片机。
8051基本组成图3.1所示。
设计本方案的核心部分是单片机。
在认真考虑CPU各方面的功能下，本人决定所使用的CPU的型号是：
8951。
首先设计分析。
分别用三个按钮，接高电平5V电源，并各自连接8951CPU的一端的三个引脚，CPU的另一端的三个引脚接红黄绿三盏灯，当按接红灯的按钮时，输入端的开关闭合，经CPU处理后由低电平输出，红灯亮时。
说明该CPU性能正常。
当按接黄灯的按钮时，黄灯亮时，说说明该CPU性能还是正常。
依次，如上。
如果红黄绿三灯有不亮的，说明系统出问题。
其次手动控制部分。
输入端为：
挡板，落板，停板三个按钮分别接高电平5V电源。
当挡板按钮闭合时，经CPU处理后，输出端输出，电机顺转，挡板抬起为正常工作。
当落板按钮闭合时，经CPU处理后，输出端输出，电机逆转，落板放下为正常工作。
同理在按停板按钮时，电机停止运转。
自动控制部分主要是前传感器和后传感器感应。
限位是限制挡车器的最大和最小的活动空间，用来保证挡车器的正常工作。
限制部分具体分为三部分。
分别为上限位，下限位和辅助工具报警器。
当挡板抬升为
时，上感应器自动感受到挡板，同时使电机顺转停止。
同理，当挡板下降时，下感应器自动感受到挡板的下降，使电机逆转停止。
当挡车器的挡板超过最大或最小活动空间时，CPU自动感受到，并且发出自动报警。
最后就是记数过程了。
当汽车经过挡车器后，有一个地面的感应器。
当经过一辆汽车，感应器就会自动感应输入CPU，经中央处理器处理后，并控制专门的车辆计数器计数所经过的汽车车辆。
电气与单片机控制系统的总体框架如下图3.2所示。
主要包括89C51单片机主控制系统，输入部分包括：
抬板、落板与停板按键开关，红灯、绿灯与雾灯按键开关，前后地感应按键开关，上、下限位开关，前后地感应模块控制拔码开关，抬板、落板最大时限设置拔码开关，定时自动落板设置拔码开关；输出部分包括：
电机的开停，抬板、落板及停板，红灯、绿灯及雾灯，脉冲记数器。
图3.2基本设计图
此电气与单片机系统的主要特点：
（1）采用单片机控制，简化了电路，提高了可靠性。
（2）内含线圈检测器，仅需在车道上布埋线圈，即可实现车辆的自动检测与挡板的自动控制。
（3）无触点光电开关，可靠耐用。
（4）可外加车辆计数器。
（5）防控装置，保护车辆与挡板。
此电气与单片机系统具备全方位安全防护附加功能：
（1）自动落板功能。
当铺设地感应线圈功能模块启用时，车辆进入被检测区时，挡板会自动下落。
（2）LED红灯、绿灯双显信号。
该装置在正常情况下为通行车辆自动切换显示红绿灯信号。
（3）声警示装置。
一旦系统发生故障或车辆违规通过时发出声警信号。
表3.2最后输入、输出需求分析输入如下
功能控制
I/O点数
抬板键
1
落板键
1
停板键
1
红灯开关
1
绿灯开关
1
雾灯开关
1
前地感应开关
1
后地感应开关
1
上限位开关
1
下限位开关
1
抬板最大限时
2
落板最大限时
2
等待抬板设时
2
前地感应模块
1
后地感应模块
1
表3.3输出如下
动作
电机停止
停板
抬板/落板
红灯
绿灯
雾灯
报警器
车辆计数
I/O点数
1
1
1
1
1
1
1
1
由上可知，输入口共有18个，用的是P1口、P2口及P3.2、P3.3；输出口是7个，用的是P0口。
3.389C51单片机的硬件结构与各工作原理
3.3.189C51的单片机由如下功能部件组成
（1）微处理器（CPU）
（2）数据存储器（RAM）
（3）程序存储器（4KBFlashROM）
（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口，P1口，P2口，P3口）
（5）1个全双工串行口
（6）2个16位定时器/计数器
（7）中断系统
（8）特殊功能寄存器（SFR）
其片内结构如图3.3所示：
图3.389C51单片机片内结构
上述各功能部件通过片内单一总线连接而成（如上图），其基本结构依旧是CPU加上外围芯。
片的传统微型计算机结构模式。
但CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式[16][17]。
3.3.2CPU
89C51单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的位处理功能。
单片机的中央处理器和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。
例如：
位处理、查表、多种跳转、状态检测、中断处理等，增强了实时性。
3.3.3数据存储器（RAM）
片内为128B（52子系列为256B）,片外最多可外扩64KB。
片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功率。
数据存储器由随机存取存储器RAM构成，用来存储随机数据。
它可分为片内数据存储器和片外数据存储器两部分。
片内数据存储器最高地址只有8位，因而最大寻址范围为256个字节。
（1）片内数据存储器
它是最灵活的地址空间，可分成片内数据RAM区和特殊功能寄存器SFR区两个独立的功能不同的区。
片内数据RAM区：
根据不同的寻址方式可分为以下几个区域。
工作寄存器区：
这是一个寄存器直接寻址的区域，是片内数据RAM区的00H～1FH，共32个单元，是4个通用工作寄存器组，每个组包含8个8位寄存器。
其选择是通过软件对程序状态字（PSW）中的RS0、RS1位的设置来实现的。
位寻址区：
是片内数据RAM区的20H～2FH的16个字节单元，共包含128位，是可位寻址的RAM区。
字节寻址区：
是片内RAM区的30H～7FH，共80个字节单元，可以采用直接字节寻址的方法访问。
堆栈区及堆栈指示器：
堆栈是在片内数据RAM区中，数据先进后出或后进先出的区域。
堆栈指示器在存放当前堆栈栈顶所指存储单元地址的一个8位寄存器。
进栈时SP的内容是增加的，出栈时SP的内容是减少的。
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