基于单片机的地铁自动门设计仿真

【摘 要】随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便生活的自动控制系统开始进入人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。本文设计了基于单片机的地铁自动门，该系统以单片机为主体，直流电机、PWM调速、转速测量为核心，并检测地铁到站时是否稳定并与屏蔽门相重合，关门后发出报警声，提示乘客地铁即将启动，提高了乘客安全进出的保证，实现了地铁门安全的自动控制。

【关键词】8051；地铁自动门；直流电机；防挤压保护；转速测量

0.引言

高速轨道客车，特别是地铁已成为人们生活中重要的交通工具之一。自动门是地铁车身的一个重要部分，随着人们对生活质量要求的逐步提高，使地铁的自动门控制系统向着智能化、集约化方向发展，并以实现最大的安全性、应用性和方便性为目标。我国电控电动自动门技术还处在比较低的研究水平上。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务， 得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统， 实现了安全开门控制和防挤压等功能。该系统以8051作为控制核心，直流电机、防挤压模块、限位开关等硬件相结合的系统。

1.地铁自动门设计思路

本系统共有检测模块、主控制模块、驱动模块、执行模块、报警模块等。首先地铁到站时通过测速仪检测地铁的车速，当车速为零时，即地铁停车稳定，再利用激光收发器，在屏蔽门上安装信号发射装置，在车门上安装接收装置。当地铁到站时车门与屏蔽门重合，车门上的接收装置接收到信号开启车门，先开车门再开屏蔽门。自动门快速打开，然后保持开门状态（保持时间由程序设定），开门保持状态结束后，自动门慢速关闭，如果在关门过程中遇到障碍物时，系统将控制自动门重新快速打开，然后保持开门状态，当开门保持状态结束后，自动门将重新慢速关闭。当自动门到达关门的限位位置时，发出关门信号，蜂鸣器报警三声，提醒乘客车门已经关闭，地铁马上要启动，同时，关闭屏蔽门。

地铁门与屏蔽门因其所在的环境决定了它必须具有以下功能：

（1）电机的转动角度可以用脉冲控制。

（2）电机旋转的精度高，可控。

（3）电机转矩不应太大，当有人阻挡时不能伤害人。

本文主要应用51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。直流电动机采用双极性H桥驱动。

2.各功能模块设计

2.1地铁到站及开关门子程序设计

列车到站检测地铁车速：应用光电编码器测量驱动地铁的电机的速度，从而测得地铁速度。转速测量是用一个圆盘固定在电机轴上，圆盘上相同半径的圆环上相隔180度的两个位置钻两个小圆孔，用于透光。有红外发光二极管从圆盘一侧照射到小孔上，红外光透过小孔照射到圆盘那一侧的光敏三极管上，于是光敏二极管发出脉冲。再经过脉冲整形送入T0计数。从而测得电机的转速。

列车到站检测地铁门与屏蔽门是否重合：在屏蔽门上安装激光发射器，发射装置发出信号，在车门上安装接收装置。当地铁进站时，屏蔽门激光发射器开始发射激光，当车门接收器接收到激光时，产生一个高电平信号。

地铁开门信号：地铁车速为零时进行地铁自动门与屏蔽门相重合的查询，若重合则产生的高电平信号发送到单片机的P1.2引脚。

主程序的入口只有检测到地铁车速稳定时，地铁门接受屏蔽门发射的激光信号，检测到屏蔽门与地铁门相重合时的信号才能开门，检测地铁的车速信号为零后进行屏蔽门向地铁发射的激光信号的查询，屏蔽门与地铁门是否相重合的信号与单片机的P1.2口相接，控制开门信号。程序流程图如下：

检测是否接收到了开门的信号：屏蔽门发出的信号和车速为零的共同信号由于系统功能实现的需要，本设计采用了查询的方法。因为若使用中断的方法，在中断服务程序中开门的速度很难确定。如果不能准确判断自动门日前所处的位置，就不能正确的调用相应的PWM信号，使电机实现不同的转速。系统中有多个请求源，均采用了对输入引脚查询的方式。

2.2 PWM信号发生程序设计

PWM信号就是脉冲宽度信号，一定时间的高电平和一定时间的低电平的循环即可形成PWM信号。于是本程序采用将P0.0清0和置l的方法来实现。首先在程序开始初始化的时候将P0.0清0，调用PWM信号产生程序时，先将P0.0置1，然后经定时程序延时一段时间后再将P1.0置1。然后判断有没有中断要执行，如到达限位开关时。如果以上情况都没发生就继续调用这一个方波的发生程序。直至有中断打断时，执行清0 P0.0或调用另一个方波发生程序实施变速。

变速是根据程序的顺序执行顺序而判断门所处的位置来实现的。此程序严格按照自动门开关一次的顺序来编写的，考虑了各阶段可能遇到的所有问题，因此根据程序执行的控制器可判断自动门是该快速还是慢速。具体程序如下：

其中DEL所标号的子程序就是基本的延时程序，实现延时0.1秒。它的设计采用了多重循环定时。

多重循环定时加长了定时时间，最简单的多重循环为由DJNZ指令构成的软件延时程序，他是较为常用的程序之一。DJNZ指令的机器周期为2，则如果单片机的晶振频率为l2MHz则一个机器周期是l us，因此执行一条DJNZ指令的时间为2us。

2.3转速测量模块程序设计

本程序采用定时和技术结合的方法来实现。因为前边已经有了基本延时程序，为了使程序更简便并且有更高的利用率，因而仍采用软件延时的方法。具体程序如下：

当调用关门程序的过程中才有必要测速，其他部分不需要设置此程序。在调用关门PWM信号的过程中，调用测速程序。计数器采用的Tl计数。首先将计数器Tl启动并设置初值为0，然后开始定时，定时l秒后，将计数器所计数值传给寄存器A，在将此计数值与电机正常状态下最低转速的二倍相比较（因为圆盘上设有两个孔，因此是最低转速的二倍）。如果计数值小于最小值的二倍则代表有障碍物，从而转到开门程序执行。

当GATE位为0时，仅由运行控制位TRX（x=0，1）=1来启动定时器/计数器运行。

TRl为计数器控制位，TRl为1启动定时器/计数器工作（GATE为0的时候仅由它来控制定时器/计数器）。该位可由软件置l或清0。

2.4 报警子程序

3.总结

本设计主要应用8051作为控制核心，直流电机、磁开关等相结合的系统。通过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；直流电机采用双极性H桥驱动；通过检测电机转速，测得转速为零时向单片机发出堵转信号，从而自动开门，形成了防挤压功能，充分发挥了单片机的性能。其优点是电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的使用和参考价值。

【参考文献】

[1]张金锋，金欢阳等.传感器及其应用，西安电子科技大学出版社，2002.

[2]陈志旺，李亮.51单片机快速上手，机械工业出版社.

[3]于洋，葛斌，苏晓璐.基于单片机技术的自动门只能控制系统，2008.