轨道车辆电动自动控制门系统设计Word下载.docx

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本课题主要实现光电漫反射开关阻拦和基于AT89C51的单片机控制系统。

关键词：

轨道车辆；

自动门；

AT89C51

Railvehicleelectricautomaticcontrolsystemdesign

Abstract

Electricautomaticcontroldoorsystemisoneoftheimportantpartsofrailtransitvehicles,itsreliabilityisdirectlyrelatedtothesafetyofthepassengers.Atpresentmostofthedomestichigh-speedrailEMUwithsingleslidingplugdoortoopenthedoor,thesubwaywithdoubleleavesslidingdoor.Theautomaticdoorismainlypneumaticdoor,suchaswinggasdynamicslidingplugdoor,aerodynamicwingsbuilt-intoopenthedoor,electricdoorasanewtypeofautomaticdoorsystem,isgraduallybeingpopularizedandapplied.

Railvehicleelectricautomaticdoorcontrolsystemadoptsphotoelectricdiffusereflectiveswitchasasensor,thedesign,thelightreceivedbythereceiverfromthetransmitter,whenpassengersreflectedbacktothetransmittertosendoutlight,photoelectricdiffusereflectiveswitchtodetectthedistancebecomesless,photoelectricswitchimmediatelyissuedasignalswitchimmediatelyitstransformationfortelecommunicationsnumber,andthentransmittedtothesinglechipmicrocomputer.ThedrivingdeviceadoptsaDCmotorasadoor.SystemthroughtheMCUtocontroltheDCmotor,sothatthedoorautomaticallyopen,afterthepassengerthroughdoortoautomaticallyclosethedoor,andthroughthephotoelectricdiffusereflectionswitchdetectiontopreventthephenomenonofclamppeoplewounding.ThemaintaskofthispaperistorealizethecontrolsystemofphotoelectricdiffusereflectionswitchblockingandAT89C51basedsinglechipmicrocomputer.

Keywords:

Automaticdoor 

railvehicles；

microcontroller；

第一章绪论

1.1论文选题背景及研究意义

近年来无论是国内还是国外，未来在不断的城镇化进程中，轨道交通装备都将扮演着十分重要的角色，市场发展空间巨大。

据统计，尽管当前全球经济不景气，但轨道交通装备行业还是呈现出了强劲的增长态势。

全球轨道交通装备行业产值，从2010年的1310亿欧元增长到2012年的1430亿欧元、2013年的1620亿欧元。

未来，每年还将有3.4%的年平均增长率。

预计到2018年，全球轨道交通装备制造业的产值有望突破1900亿欧元。

而从全球市场分布上看，中国、美国、俄罗斯拥有全球最大的铁路网，是全球轨道交通装备制造业最主要的三大市场，独联体、中东、南非、亚洲、南美等地区则快速呈现出轨道交通装备的巨量需求。

国内企业要想在这样一个大的市场中占有一席之地，就必须在产品质量方面具有突出优势。

自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用。

1930年，美国史丹利率先推出世界上第一樘自动门（此史料记载于纽约时报）。

其后，世界第一自动门品牌多玛在1945年将油压式、空气式自动门广泛推向市场，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式已开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

自动门控制是轨道车辆的一个重要组成部分之一，直接关系着乘客的安全，随着轨道运输业的发展，人们对出行质量要求的逐渐提高，使轨道车辆的自动门控制系统向着智能化、集成方向发展，并以实现最大化实用性和便捷性为目标。

由于轨道车辆的运行环境多变，因此自动门控制系统要求可靠性高，体积小、抗干扰能力强。

现在国内轨道车辆自动门的控制系统，主要依靠德国，加拿大，意大利等老牌轨道车辆强国的技术，鲜有独立自主的知识产权。

所以本项研究的意义是为了满足国内轨道车辆快速发展的需要，摆脱目前轨道车辆自动门控制系统依赖外国技术的现状，真正的实现轨道车辆自动门控制系统的国产化，研究和开发具有自主知识产权的技术和产品。

此项技术开发成功以后，不仅可以应用于高速列车组，而且可以应用到地铁，轻轨铁路，单轨铁路和新交通系统（包括橡胶轮胎自动导向列车、巴铁、超级高铁等），具有广泛的应用前景，所以本项研究具有重大的实际意义。

1.2国内外研究现状

20世纪90年代至21世纪的现在是中国城市轨道交通快速发展的新时期。

随着经济的快速发展，城市综合规模的迅速扩大，中国城市化进程的加快，轨道交通的作用愈发突出。

近30年来，中国城市轨道交通正逐步进入稳步、有序和快速发展阶段，尤其是近10年来，由于国家政策的正确引导和相关城市对规划建设轨道交通的积极努力，从发展速度、规模和现代化水平，突显了后发优势。

但是，与世界发达国家大城市的轨道交通发展现状相比，差距还很大。

中国城市还均未形成有效的轨道交通运行网络，总体规模不大。

从我国城市轨道交通行业发展现状来看，近五六年我国城市轨道交通保持快速发展势头，“十二五”前四年已完成投资8600亿元，建成1600公里，今年作为“十二五”收官之年，预计要完成3000亿元，建成400公里。

同时，按照2020年总里程达到6000公里计算，“十三五”期间每年要完成500公里，保持快速发展趋势。

2015年6月23日，发改委批准武汉、长春轨道交通建设规划，总投资规模近1298亿元。

截至目前，发改委2015年已批复8个城市轨道交通建设规划，投资规模超过4880亿元，其中最近两月达到6个，有明显加速之势。

上周国务院常务会议确定，在发改委去年推出7大工程包基础上，积极筹划城市轨道交通等4个新工程包。

“十三五”时期，我国将进入城市轨道交通建设大发展阶段，2020年规划线路里程将超过10000公里。

有关轨道交通行业发展现状统计数据显示，截止到2014年底，我国内地已有北京、上海、广州、天津、重庆、南京、武汉、长春、深圳、大连等22个城市先后建成并开通运营城轨交通线路，总里程达3137公里。

2014年，全国城轨交通客运总量达126亿人次，北京和上海分列世界城轨交通客运量的第一和第二。

到2015年，我国将有38座城市拥有158条线路，运营里程共计4190公里。

此外，我国还有城轨交通在建城市40个，在建线路4073公里。

伴随着中国经济的腾飞，中国城市轨道交通产业正步入了高速发展时期。

我国的自动门状况有如下几点：

1.厂家多，规模小近十年来，自动门在国内得到了高速的发展。

据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有70多家，但普遍生产规模小，自主研发能力弱。

从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。

2.专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。

近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。

3.高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。

4.产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。

其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。

同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。

自20世纪90年代中期我国引进国外技术以来，经过多年的消化吸收，现在国产自动门主要为电控气动门，被大量应用于轨道车辆上。

现有国产轨道车辆自动门有以下几种:

1.用于25T型客车及160km/h速度级轨道车辆的电控气动自动门。

此类自动门基本仿制了第1批进口的自动门，其结构形式和性能与原进口产品近似。

2.用于200km/h动车组的电控气动门。

此类自动门主要针对200km/h动车组设计，相对上述电控气动自动门在形式重新作了调整，增加了锁闭点。

3.充气密封自动门。

此类自动门是针对270km/h动车组项目研制的，借鉴了法国TGV车门密封形式，采用充气密封胶条密封及门前二点定位、门后二点锁闭的形式，同时在门板的结构形式上做了改进。

试验证明，此门在密封、强度、隔热、隔声等性能上都有很大提高，但充气密封胶条的寿命仅为1.5年，未装车运用。

综上所述，我国160km/h速度级轨道车辆用的电控气动自动门与国外相应自动门为同类产品，经多年装车运用，技术已基本成熟。

但电控电动自动门技术仍然依靠进口，对于目前运行在高速环境中的动车组的自动门控制系统国内尚无生产能力，还处在比较低的研究水平上。

在国外，进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经很成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。

从目前国外的发展现状来看，由于欧美国家在对高速轨道车辆行驶中的振动以及外界干扰问题的研究比较深入，所以一些欧美国家已经开发了自动门控制系统的相关产品并将其运用到实际中。

世界上高速轨道车辆自动门控制系统的研制领域中，技术比较先进的有奥地利IFE公司、加拿大BOMBARDIER和德国BODE公司。

现有的比较高档的高速轨道车辆（诸如阿尔斯通、庞巴迪等公司生产的动车组）的自动门以及大城市地铁自动门大多采用的是这几家公司的技术及其产品。

世界城市轨道交通一百多年来发展很快，尤其是在日本、欧洲、北美等国家和地区。

国外大城市通过城市轨道交通组织城市公共交通的趋势日益显著，以巴黎为例：

巴黎的轨道交通工具包括地铁、轻轨铁路和市郊铁路。

轨道交通承担巴黎公共交通70％运量，市内和郊区汽车承担30％。

地铁有15条线，共199km，是内城公共交通的骨干，乘客徒步5分钟就可到达地铁站，列车最小运行间隔95秒。

市郊铁路有16条线，长760km。

许多国家的二线城市由于经济、社会发展的需要也建立了相应的城市轨道系统，例如英国的格拉斯哥、韩国的大邱市、法国的里尔、德国的慕尼黑，人口都在150万到300万左右。

相对于大城市二线城市的地铁线路虽少，但是换乘系统较为成熟。

通过合理的规划实现线路之间及与其他交通方式之间的换乘。

国外轨道交通的发展有如下几个特点：

1.发展趋势多样化。

目前，国际上技术比较成熟、已经上线运营的城市轨道交通有地铁、市郊铁路、轻轨、单轨、导轨、线性电机牵引的轨道交通及有轨电车等七种类型。

其中以市郊铁路、地铁、轻轨和有轨电车应用最为广泛，以线性电机牵引系统最有发展前途。

2.纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京等轨道交通较发达的地区，基本形成一定的规模和网络，可以延伸到城市的各个方向，城市结构更加合理。

3.发展中国家的轨道交通主要集中在200万人口以上的大城市。

一般只有少数特大城市发展地铁，更多的则是优先发展轻轨交通。

4.城市轨道交通发展具有稳定资金来源。

1.3论文研究的主要内容

当列车停止时打开车门。

乘客上下车，当关门时安装在门上侧的光电漫反射感应传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门，保证乘客的人身安全。

当列车行驶过程当中，车门旁有紧急按钮，遇到紧急情况，按下按钮，打开车门。

轨道车辆自动门构造的技术参数：

工作电压：

220V交流电50Hz

电机的选择：

直流电机

开关门速度：

0~~~500mm/秒（可调）

开关门时间：

0.1~~~~10秒后关门（可调）

探测角度:

大于150°

自动门是指可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

按启闭形式分：

可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门；

按门体的材料分：

不锈钢门有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等。

目前应用在轨道车辆的自动门从驱动方式上划分，可分为气动门和电动门。

国内常用的自动门主要是气动门，如单翼气动门、双翼气动内藏式对开门等，但是电动自动门作为一种新型的自动门系统，不仅控制方便、自动化程度高，而且可以与列车中央控制系统通讯，实现集中操控等功能，所以被逐渐推广应用开来。

首先是硬件系统的设计，以高稳定性为原则对各个传感装置、驱动装置、控制装置进行选取。

接下来是对整个轨道车辆运行时自动门控制过程的分析，分别列举出各种运行状况和安全要求，然后就是软件系统的设计，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的轨道车辆自动门系统，该系统以AT89C51作为控制核心，直流电机、光电漫反射开关、磁开关相结合的系统，充分发挥了单片机的性能，具有一定的使用和参考价值。

对于整个自动门行业是一次技术革新，提高了自动门的使用率，因此本次的课程设计，是对于自己一次很好地学习机会，也是对所学的知识的一次检验的机会，对以后从事专业方面知识的一个很好的储备。

第二章方案论证

2.1系统设计要求

本设计题目主要是完成轨道车辆电动自动门控制系统的设计，通过采用可行的软件、硬件设计及控制算法，实现轨道车辆自动门开闭的准确控制。

本设计主要应用单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。

在门的两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。

感应探测器探测到有人靠近时，将脉冲信号传给主控器单片机，主控器判断后通知电机运行，同时监控电机的转数，以便通知电机在一定时候加力和进入慢行运行。

直流电动机采用H桥驱动。

检测人进出的传感器采用光电漫反射开光。

下图2-1是自动门系统整体框图。

图2-1自动门整体框图

2.2系统方案论证

方案一：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

FPGA可以实现系统的各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以利用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的输入方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

加以按钮、无线遥控、红外感应三种驱动方式，既可自动控制又可人工控制，操作简单并且适用范围广；

采用EDA技术设计主控制器的状态转换，可软件诊错；

采用自动复位以及电机专用控制芯片来保证系统的可靠运行。

由于设计采用了EDA技术的VHDL设计而非传统的单片机设计，是一种自上向下的设计方法，使得系统的开发周期短。

但是由于本设计对数据处理的速度要求不是很高，FPGA高速处理的优势得不到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的操作。

方案二：

采用PLC（可编程控制器）为核心。

PLC具有以下优点：

首先，功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。

以开关量控制为其特长；

也能进行连续过程的PID回路控制；

并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

其次，使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。

它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。

再次，安装简单，容易维修。

PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。

最后，抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。

隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。

对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。

另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。

正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。

通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。

方案三：

自动门测控系统的主控制器采用TIDSP，型号为TMS320C2812，是先进的32位定点DSP芯片，它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，特别适合于有大批量数据处理的测控，利用DSP技术建立有效的信号处理模型以抑制干扰噪声，达到信噪比最大，对本系统的直流无刷电机的测控完全能够保证其实时性。

配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行均具有超越的宁静性，达到了超静运行。

测控系统设计为智能化控制，可随意设定门扇的运行速度，并可设定任意开度状态；

可自矫正使门扇保持平稳动作；

能够自动检测门的宽度以保持最佳运行状态；

具有防夹功能，即当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，运行过程中，由高速至低速平滑过度。

方案四：

设计以单片机为核心,并通过机械直线运动单元驱动列车门。

在硬件上实现了系统报警显示,人员进出信号的采集与转换,监控报等“看门狗”技术,电机驱动控制。

在软件方面,主要采用汇编语言对单片机控制系统进行编程。

采用ATMEL公司的AT89C51作为系统的控制器,统一控制光电漫反射开关和直流电机,单片机算术运算功能强，软件编程灵活,自由度大,可用软件编程实现各种算法,并且具有功耗低,体积小，技术成熟，成本低廉等优点，使其在各个领域应用广泛。

与此同时,比较以上四种方案，方案四的设计考虑到实用性及性价比,所采用的芯片和器件均为通用器件,因而整个系统的造价并不高,并且有较强的应用价值和良好的发展前景。

因此采用方案四。

2.2.1单片机选择论证

单片微型计算机简称单片机[]，是典型的嵌入式微型控制器（MicrocontrollerUnit）,常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

方案一

FPGA可以实现系统的各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以利用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的输入方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

方案二

采用ATMEL公司的AT89C51作为系统的控制器。

单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛。

综上所述，选择方案二，采用单片机AT89C51构成系统控制部分。

2.2.2传感器选择论证

根据传感器

工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类。

传感器工作原理的分类[]：

物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应[]，磁致伸缩现象[]，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附[]、电化学反应[]等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

在感应器的选择方面是很灵活的，在高档酒店、写字楼向中央处理器提出申请，可以选择高灵敏度的感应器；

在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，可以选择特定区域有效的感应器；

在医院手术室门前可以采用压力感应器；

而车库的门可以采用固定光照感应器。

对于自动门控制系统，就是传感器在接收到外界有人存在时，进行开门动作，之后再关门，控制器不但要单独控制车门，而且还要进行整车通信及其他联系，因此能否有效开门及及时关门，保持车内有效环境都取决于控制器的设计。

光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。

由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用。

采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。

这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。

具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗