地铁屏蔽门控单元设计

基于 51 单片机的地铁门控单元设计 —— 李伟杰
摘要：地铁屏蔽门系统是车站设备系统之一，本文给出了一个以 51
单片机为控制内核的门控单元（DCU）的控制系统设计方案，主要完 成了包括各个功能模块的硬件设计及相应的程序软件仿真。
关键字： 地铁屏蔽门 DCU 51 单片机
1.地铁屏蔽门的背景
随着我国经济的建设的飞速发展，城市地铁的建设水平也在逐渐提升。但是， 地铁车站站台的安全事故却不断发生，并且能耗非常大。在这样的情况下，地铁 屏蔽门系统应运而生。随着地铁投入运营的数量越来越多，作为地铁安全保障和 节能措施中的重要组成部分，屏蔽门控制系统已经得到了越来越广泛的应用。
图（3）
工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分
信号进行传输；最大传输距离可以达到 1.2 km；最大可连接 32 个驱动器和收
发器；接收器最小灵敏度可达±200 mV；最大传输速率可达 2.5 Mb/s。由此
可见，RS－485 协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。
此模块有信号口和功率口两类。 信号口：（1）正反转控制：高电平正转信号，低电平反转信号；
（2）PWM 口：用来进行电机调速的信号口； （3）过电流信号：反应电机发生堵转等障碍情况； 功率口：功率电源入口及直流电机的三相输出。
图（10）驱动模块的硬件设计图
3.5.1 关于电机的选择
电机的选择要考虑一下多个方面： （1） 机械特性； （2） 启动性能； （3） 调速性能； （4） 过载能力； （5） 经济效益；包括初期投资和运行费用 （6） 对工作环境的耐受度；
2.主要的功能要求
如图（1）所示：作为屏蔽门控
制系统的一个主要部件，门机控制器
(DCU)担负着接收来自主控机的控制
命令，驱动电机执行开关门动作，通
过总线网络反馈门状态信息。
作为控制门单元的核心部件，门
机控制器(DCU)应至少具有以下功能：
（1）够执行系统级控制、站台级控
图（1）
制发出的开、关命令；开启时间为 2．5 s～3．O s 范围内可调，关门时间为 3.0
当门完全打开时，行程开关（J1）触动闭合， 红色 LED 灯亮同返回；
当门关到底时，行程开关（J2）触动闭合， 绿色 LED 灯亮同时 D_close 端口变为高电平将门 状态信号返回；
当门在运动过程中时，黄色 LED 灯亮。
图（5）
图（6）逻辑状态图
3.4 手动控制模块
时间内没有有效信号到来时,DS1232 的 RST 和 RST 端将产生复位信号以强迫微
处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是非常有效
的。看门狗定时器的定时时间由 DS1232 的 TD 引脚确定。看门狗定时器的周期
输入信号 ST 可以从微处理器的地址信号、数据信号或控制信号中获得, 不论哪
s—3.5 s 范围内可调；
（2）开、关门无故障使用次数不少于 100 万次；
（3）执行开门动作时，先打开锁机构，然后按照事先设定好的速度曲线进行开
门动作；
（4）关门时，按照事先设定好的速度曲线进行关门动作，直到门关到位。要求 关门时最大动能≤10 J，最后 100 mm 行程范围内≤1 J，并检查锁状态； （5）采集并发送屏蔽门状态信息及各种故障信息至主控机，然后通过人机界面 显示或向信号系统报警； （6）通过 DCU 内设置的编程／调试接口，可在线或离线调整参数和软件组态， 并可进行重新编程和参数设置，也可通过外接测试设备来进行单门体调试。
此模块有以下两个主要功能： 1.利用看门狗 DS1232 实时检测单片机的工作和复位功能， 2.提供单片机 INT0 和 INT1 中断信号进行开门和关门操作。
3.4.1 看门狗 DS1232
集成电路 DS1232 具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点,应用在单片机
产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力。
种信号都必须能够周期性的访问 DS1232 , 对于 51 系列单片机, 推荐使用 ALE
信号。
3.4.2 开关门中断脉冲
图（7）是硬件结构图，中断脉冲信号由一个拨动开关 S2 和两个按钮 S3，S4 开关构成联动产生。S2 闭合到 Vcc 时，按钮开关才有效，不需要时将 S2 拨到 GND， 防止出现误操作，提高系统的稳定性。C1 和 C2 为硬件去抖动，R1，R2 为泄放电 阻，同时具有上拉作用。经过电容去抖动后再利用反相施密特触发器 74LS14 修 正波形，同时使边沿信号变成下边沿。过程如下：
图（8）
DS1232 能够实时监测向微处理器供电的电源电压,当电源电压 VCC 低于预置
值时,DS1232 的第 5 脚和第 6 脚输出互补复位信号 RST 和 RST 。预置值通过第
3 脚( TOL) 来设定;当 TOL 接地时,RST 和 RST 信号在电源电压跌落至 4. 75V 以
下时产生; 当 TOL 与 VCC 相连时,只有当 VCC 跌落至 4. 5V 以下时才产生 RST 和
RST 信号。当电源恢复正常后, RST 和 RST 信号至少保持 250ms ,以保证微处理
器的正常复位。同时。DS1232 提供了可直接连接复位按键的输入端 PBRST (第 1
脚) , 在该引脚上输入低电平信号, 将在 RST 和 RST 端输出至少 250ms 的复位
信号。在 DS1232 内部集成有看门狗定时器, 当 DS1232 的 ST 端在设置的周期
3.DCU 的总系统硬件结构
整体硬件电路包括 51 单片机为内核的控制器和 4 个功能模块：1.通信模块 （Signal），2.门状态反馈模块（D_state），3.手动操作模块（PSL），4.电机驱 动模块（Load）。
3.1 控制器---STC89C52RC
微处理器芯片的选择是自动化控制装置的一个重要环节，它直接影响到系统 性能、成本及开发难度。51 系列单片机有一套完整的按位操作系统，又称作位 处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不仅能对片内某些特殊功能寄存 器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能对位进行逻辑运算。其 I／O 口的设置和使用非常简单，引脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电 平(复位时，各 I／O 口均置高电平)，作输出脚使用时，则为高电平或低电平均 可。I／O 口低电平时，吸入电流可达 20mA，具有一定的驱动能力；内置计数器， UART 异步串行通信结构等功能。故利用 51 单片机即可完成基本的的通信，控制 输出和信号采集功能。本文选取 STC89C52RC 增强型 51 单片机，其主要功能如下： ●8 位字长 CPU： ●振荡器和时钟电路，全静态操作；
该通信模块设置了 3 个接口：收发信使能端（R/D），收信（RO）和发信（DI）。 其中 RO 和 DI 分别与单片机的 TXD 和 RXD 连接，R/D 利用一个 I/O 口线进行逻辑 控制。
为了使模块正常稳定的工作，做了如下的设计： A．单片机上电复位时，各引脚都为高电平，为防止误发信，增加了反相器， 使主从机都应该处于接收状态。 B．总线匹配：位于总线两端的差分端口 VA 与 VB 之间应跨接 120Ω 匹配电阻， 以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰。 C．R0 及 DI 端配置上拉电阻。 D.为了防止由于静电等因素影响导致电位浮动，将所有 DCU 的信号地都连接 到一起。
城市轨道交通站台屏蔽门安装于地铁、轻轨等交通车站站台边缘,将轨道与站 台候车区隔离, 与列车门相对应。 地铁屏蔽门系统属于车站设备系统之一, 它 在地铁设置的主要目的是: 将车站站台公共区与轨行区隔离,简化环控系统,降 低车站空调系统的运行能耗; 减少列车运行噪音及活塞风对车站站台候车乘客 的影响,为乘客提供一个更加舒适、安全的候车环境;防止人员跌落轨道产生意外 事故,为以后地铁车辆的无人驾驶创造条件。
如果发生重大安全事故或者系统出现故障，比如因其他原因造成的系统电源 缺失、部分屏蔽门故障、火灾等，这时经过授权的站台工作人员可以使用专用的 钥匙，乘客则通过手动解锁装置进行手动操作，打开地铁屏蔽门。当其他优先级 别的控制方式都不能完成屏蔽门的开关时，才启动手动操作这一最优先级别的控 制方式。
图（7）
图（9）
这样最后的负脉冲信号加到 51 单片机的 INT0 和 INT1 端口，产生中断，作出相 应的动作来打开或关闭屏蔽门。
3.5 驱动模块
接收来自主控机的控制命令，驱动电机执行开关门动作，通过总线网络反馈 门状态信息，实现强弱电之间的交互。
这里采用基于 TOSHIBA 公司生产的三相无位置传感器无刷直流电机控制器 TB6537 和驱动集成电路 TA84005 的一种单片机实现无位置传感器无刷直流电机 的控制方案。
RS-485 具有以下特点：
1） RS-485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2 至+6 V 表示；逻
辑“0”以两线间的电压差为-2 至-6V 表示。接口信号电平比 RS-232 降低了，就
不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连
接。 2） RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 3） RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强， 即抗噪声干扰性好。 4） RS-485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际上可达 3000 米，另 外 RS-232-C 接口在总线上只允许连接 1 个收发器， 即单站能力。而 RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发器。即具有多站能力,这样可以利用单 一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。
Door_open 和 Door_close 接到单片机的两个 I/O 口线 P1.6 和 P1.7 上以检测信号。R1 和 R6 为三个 LED 的限流电阻，计算式为（5-3.2）/Id， 3.2 为估取值，随 LED 不同而改变，Id 为 LED 的正常工作电流，一般为几十 mA。电解电容 C1 和 C2 是为了去除电位变化时的抖动，使信号正 确的被检测到，R4 和 R5 是 C1 和 C2 对应的泄放 电阻，防止电容放电时过电流烧坏。R2 和 R3 是 上拉电阻。图 5 为限位开关的原理图。