基于列车速度优化控制的联动系统设计--毕业论文.docx

题 目： 基于列车速度优化控制的联动系统设计摘 要列车到站速度控制及车门与屏蔽门系统是关系到乘客安全的重要子系统。针对当前轨道交通中急需解决的地铁速度优化控制和列车门与屏蔽门安全联动问题。设计了一套列车速度测量及优化控制下的车门与屏蔽门联动系统，主要通过红外传感器来自动获取列车进站的运行速度信息，同时将速度信息与列车当前的运行状态进行比较，并通过红外通信子系统将列车速度信息及车门与屏蔽门位置状态传输到车载和地面主控制中心，主控中心将相关信息进行综合分析与数字信号处理并作出车速优化方案、引导提示采取相应的措施等，同时将该信息结果通过数据总线传输到液晶显示屏上，起到一个优化和自动控车的作用，确保地铁高效、安全的运行。主要研究内容为：研究并设计了列车和屏蔽门主要硬件电路，主要包括主控制板选型及外围电路设计、液晶显示屏与主控制器信息传输电路及外围电路设计、电源供电及稳压输出模块电路设计、列车与屏蔽门位置检测硬件电路设计和交互红外通信系统电路设计；研究并设计列车和屏蔽门主控系统以及各子系统的软件流程，主要包括系统初始化程序设计、列车运行及车门与屏蔽门数据采集程序设计、系统主控制程序设计、列车运行数据处理及车速优化控制信息显示程序设计、基于车门与屏蔽门位置关系下的系统红外通信程序设计、车门与屏蔽门开/闭状态及联动程序设计、数据记录模块程序设计等；研究并设计了实验装置平台，利用模拟实验平台对地铁进站运行状态和车门与屏蔽门位置进行数据采集和列车到站速度优化控制下列车门与屏蔽门联动时序进行测试，由测试数据分析得出最佳车速优化控制和两门联动机制。测试结果表明该系统高效可靠，具有较高工程应用价值。关键词：速度测量；优化控制；联动系统；红外通信；自动控车AbstractTrain speed control into the station and train doors and shield door system is an important subsystem related to passenger safety. In view of the current rail transit in urgent need to solve the optimal speed of the subway and the door and the screen door security linkage problem. A set of train speed measurement and optimization under the control of the door and the shield door linkage system, mainly through the infrared sensor to automatically obtain the train station running speed information, while the speed information and the current state of the train to compare, and through the infrared The communication subsystem transmits the train speed information and the position of the door and the screen door to the vehicle and ground main control center. The main control center will carry out the comprehensive analysis and digital signal processing and make the speed optimization plan, guide and take corresponding measures, At the same time the information through the data bus transmission to the LCD screen, play an optimization and automatic control of the role of the car to ensure efficient and safe operation. The main research contents are as follows: The main hardware circuit of train and screen door is designed and designed, which mainly includes the selection of main control board and the design of peripheral circuit. The liquid crystal display and main controller information transmission circuit and peripheral circuit design, power supply and regulated output Module circuit design, train and screen door position detection hardware circuit design and interactive infrared communication system circuit design; research and design of the train and PSD master control system and the subsystems of the software flow, including the system initialization program design, train operation and doors With the screen door data acquisition program design, the system master control program design, train operation data processing and speed optimization control information display program design, based on the door and the screen door position relationship between the system infrared communication program design, door and screen door open / closed state And the program design, data recording module programming, etc .; research and design of the experimental device platform, the use of simulation platform for subway station running status and door and screen door location data acquisition and train station speed optimization control the following doors and shielding Gate linkage timing test, from the test data analysis to obtain the best speed optimization control and two linkage mechanism. The test results show that the system is efficient and reliable, and has high engineering application value.Keywords: speed measurement; optimal control; linkage system; infrared communication; automatic control vehicle目 录摘 要2Abstract31 绪论71.1选题背景及研究意义71.1.1选题背景71.1.2研究意义71.2国内外研究现状71.2.1车门与屏蔽门监控系统研究技术现状分析71.2.2列车速度控制系统技术现状分析81.3本文主要工作81.4本章小结92 列车速度优化控制及两门联动系统设备构成102.1系统整体构架102.2系统设备选型102.2.1车载主控制器模块102.2.2 液晶显示模块112.2.3 屏蔽门信号模块112.2.4 列车控制室与屏蔽门通信模块122.3本章小结123 系统硬件电路设计133.1系统总体硬件电路设计方案133.2主控制器硬件电路设计133.2.1主控芯片引脚介绍143.3 显示模块电路设计163.4电源电路设计183.5 槽型传感器电路设计193.6 红外通信模块电路设计193.7 本章小结204 系统软件功能设计214.1 数据采集模块主程序设计214.2主控制器模块程序软件设计214.3显示模块软件设计224.4红外通信模块软件设计234.5 车门与屏蔽门位置及联动软件设计234.6本章小结245 系统测试与分析255.1系统测试255.2系统试验255.3实验结果与分析26总结28致谢29参考文献30附录311 绪论1.1选题背景及研究意义1.1.1选题背景我国城市人口众多且城市轨道交通对当地经济发展有着重要作用。尽管我国轨道交通安全控制技术在不断发展，但是地铁到站速度控制和列车门与屏蔽门联动仍是这个阶段内列车运行控制的重点。为解决由列车速度控制引起车门与站台屏蔽门和联动故障频发且故障发生原因复杂，严重影响地铁运营秩序和广大乘客的人身安全1。目前，城市轨道交通运营总里程和客流量不断增加，城市轨道交通的运营压力和运营事故发生的概率也随之增大，截止2016年末，国内获批建设地铁的城市达42个，已开通运营的有22个，总里程达3155km。预计到2020年，城市轨道交通运营线路全国总里程将达到6100公里2，中国将进入城市轨道交通建设发展的高速时期。地铁速度控制及车门与站台屏蔽门作为轨道交通的重要运行设备系统，其可靠性和安全性应当引起重视。1.1.2研究意义列车运行速度直接影响到车门与站台屏蔽门联动，其联动开/关门不同步和联动故障等问题会对乘客乘车的安全造成极大的影响。近几年，北京、上海和广州等地都曾出现车门或屏蔽门“夹人”事故，造成重大伤亡。由车辆与控制中心信息实时交流的列车进站速度优化及车门与站台屏蔽门的联动控制需要多个系统之间的资源共享，如何精确而稳定地实现有车速控制不稳引起的车门与屏蔽门的联动控制机制是一个重要的研究课题，这方面的研究，国内外都相对缺乏3。鉴于以上的列车速度优化及车门与屏蔽门联动问题分析，需要对列车速度控制及车门与站台屏蔽门的联动进行监测，提前预警并研究新型监控机制。因此，研究列车运行速度引起的车门与站台屏蔽门联动监控系统对城市轨道交通运营安全具有较强的实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1车门与屏蔽门监控系统研究技术现状分析目前，列车车门监控系统与站台屏蔽门监控系统作为车门系统与屏蔽门系统的子系统相互独立，并通过相应的接口把所有状态信息及故障信息传递到列车控制系统与车站综合监控系统，车门与屏蔽门的联动没有形成统一的监测机制。同时，车站监控室对屏蔽门的故障“只监不控”，一些轻微故障也需要较长时间才能得到处理；列车车门与屏蔽门的故障检修基本依赖厂家；若发生一些不能及时解决的故障，地铁运营方与厂家往往因为相关应急处理机制的缺陷，使故障长时间难以解决，这些隐患都极大地威胁城市轨道交通的运营安全4。车门与屏蔽门的故障预警及相应的处理方式也存在不合理之处。针对列车车门与站台屏蔽门的联动监测系统，国内外已有许多设计方案，如张楚潘等5对广州地铁1号线的联动方案进行优化，该线路使用广州地铁和中国铁道科学研究院研发的一种独立于信号系统的联动控制系统，此联动控制系统仍然由轨旁、车载和车地子系统构成，通过修改接口电路和控制逻辑，利用可编程逻辑控制器使门控精度达到单门级。1.2.2列车速度控制系统技术现状分析国外对城市轨道列车速度控制的实现方式有比较多的研究，主要有欧洲列车运行控制系统(European Train Control System，简称ETCS)。按照功能和设备分为四个等级，从ETCS0级到ETCS3级，其中对列车速度控制的方式略有不同6。ETCS1级分为只采用欧洲点式应答器以及采用欧洲应答器及欧洲环线两种方式。在ETCS1级当中，列车靠站速度控制信息主要靠应答器传送到车载设备上。ETCS2级采用欧洲点式应答器和欧洲无线GSM-R构成，大大减少了信息采集设备，通过GSM-R将速度控制信息由轨道辅助设备发送到列车控制中心，地面上通过点式应答器对列车进行定位。ETCS3级：查询应答器GSM-R。与二级相比是靠车载设备来检查列车完整性，不需要轨道电路；点式设备、GSM-R是系统的主要设备。取消地面信号机和轨道电路后，室外线路上的信号设备减少到最低程度；列车追踪间隔依靠点式设备和无线移动闭塞中心实现，具有明显的移动自动闭塞特征7,8。1.3本文主要工作本文主要分析了列车运行速度优化控制下的车门与站台屏蔽门联动对地铁正常的运营秩序和运营安全的影响并设计了一套基于速度优化控制的两门联动系统。主要研究内容有： (1)设计车载主机硬件电路，包括主控制板、液晶显示屏、列车控制室与屏蔽门通信电路和电源控制电路等。 (2)设计了车载主机对屏蔽门和车门控制信号共享机制，并输出相应的速度信息及应采取的提示引导信息。 (3)设计了车载主机、屏蔽门与列车通信和显示器的软件，包括系统初始化、速度优化信息处理、通信数据处理、数据记录模块等。 (4)模拟了联动监控系统的稳定性，系统运行的可靠性与实用性，以及模拟系统在列车进站中可能遇到的复杂问题并对测试结果进行了分析。1.4本章小结本章首先介绍了论文的选题背景和研究意义；然后分析了国内外列车速度优化控制和车门与站台屏蔽门的联动监测系统使用现状，最后提出了一种基于列车速度优化控制的车门与站台屏蔽门的联动监测系统设计方案。2 列车速度优化控制及两门联动系统设备构成2.1系统整体构架列车进站速度优化控制系统用于控制列车门与屏蔽门联动装置，屏蔽门信号发射器发射红外信号；车门定位信号接收器接受该信号并将信号传输到列车控制中心，控制中心将信号进行处理并计算出列车运行状态。最后当列车进站停靠后经列车门和屏蔽门信息共享后将控制两门联动装置4。系统由车载设备、信息显示模块、站台屏蔽门设备和红外通信模块等部分组成9，示意图如下图2.1所示。列车门与屏蔽门联动控制系统红外通信系统信息显示器列车控制中心车速监测系统屏蔽门信号发射器车门定位信号接收器图2-1列车速度优化控制及两门联动系统2.2系统设备选型设计车载主机硬件电路，包括主控制板、液晶显示屏、列车控制室与屏蔽门通信电路、屏蔽门信号电路和电源控制电路等，下面将对其系统参数和性能进行简单介绍。2.2.1车载主控制器模块按照系统设计方案要求，控制器主要用于接收列车在地铁站时运行速度及车门与屏蔽门位置信号，然后通过Keil软件编写的监测控制程序，显示列车实时速度信息及控制车门与屏蔽门联动信号并保证城市轨道车辆能按照系统最优方案进行运行。方案一：可以选用ARM作为系统的控制器，其主要优点是该系统功能较为齐全，片上外设集成度高，密度高，增加了其稳定性，并且系统具有较高的处理速度，适用于大规模实时控制系统。方案二：通过采用STC89C52作为列车速度控制和两门联动控制系统主控制器。STC89C52单片机运算功能强大，软件编程方便、灵活度大，耗电量较低、外围接线操作简单、单片机应用技术成熟，成本也比相应AT89S52低10。综上所述两种方案都能达到本设计要求，考虑到性价比问题，本设计选择用STC89C52单片机做列车主控制器。2.2.2 液晶显示模块列车运行速度及车门与屏蔽门联动系统的信息提示装置为系统显示提示装置，具备智能的速度信息显示、操作提示并对系统的工作状态进行及时显现等功能。显示器由主控制板、液晶显示屏、外围电路、电源指示灯、外部存储组成11。方案1：1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。因此，它不能很好地显示图形。方案2：LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字，也可完成图形显示，它具有低电压低功耗的显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。该显示器设计方案所采用的模型具有简单、方便和价格低廉等，在基于STC单片机的列车主控制模拟条件下具有数字和文字显示功能，实时显示列车速度及地铁站屏蔽门与列车门的位置信息。因此，通过综合分析各种因素，在本次设计中采用LCD12864液晶显示器作为系统显示模块。2.2.3 屏蔽门信号模块根据设计方案需要，检测元件主要用于检测列车的实际运行位置，其检测信号为单片机提供准确的车门与屏蔽门位置信息。必须要求灵敏度高，抗干扰能力强，可靠性高。一般位置检测元件用光电检测、电感和电容谐振来采集路面信息。方案一：应用光电传感器来采集列车运行信息 红外光电传感器又称光电开关，分为槽型、对射型、反光板型与扩散反射型四大类。本设计采用的是槽型，槽型光电传感器发出的红外光信号遇到目标物体后光敏管接收不到对面信息，从而实现对对象的检测。这种检测方式优点是，相应速度快、效率高、抗外界干扰能力强，调节灵敏度方便。方案二：采用电感与电容谐振来采集路面信息使用电感与电容谐振的优点是原理简单（通过电感产生的感应电动势与电感线圈所处位置的关系），价格便宜，体积相对较小，频率响应快。缺点是易受到外界电磁干扰，光电传感器发射的低电平信号很小，需要与之相应的放大电路把信号放大，故传感器电路较复杂。本次设计方案所采用的模型很简单，就是在平面上采用激光对射式的信号采集来检测地铁站屏蔽门与列车门的位置信息。通过综合各种因素，在本次设计中采用型号为TCRT5000的多个槽型光电传感器作为信息采集元件。2.2.4 列车控制室与屏蔽门通信模块该列车控制中心与屏蔽门联动控制系统设计是基于车-站台双向无线定点通信原理的安全门接口控制系统。车门-屏蔽门通信采用红外通信技术，包括车载模块、红外通信模块、信号处理模块等。以下是通信模式的三种控制方法12。1）系统自动级：系统自动级控制模式是将屏蔽门门控制系统和列车运行状态及车门信息交互后，执行信号系统命令的运行模式；2）站台人工控制级：站台人工级控制模式是将列车运行状态和车门于屏蔽门信息通过执行屏蔽门站台人工操作器发出命令的控制模式；3）人工（手动）操作：手动操作控制模式是指站台工作人员或列车司机在站台侧或端门通过专用钥匙解锁或由乘客在轨道侧推动解锁装置打开安全门。经过上述分析，这3种通信控制模块都能达到设计要求，根据设计要求，只需列车控制中心监测车门与屏蔽门联动控制系统，并且系统自动级成本低廉，列车运行效率高，因此最后该设计选择第一种模式。2.3本章小结本章首先介绍了列车进站速度优化的控制与列车门与屏蔽门联动装置，描述了其组成部分，然后对其电路和通信组成部分的车载控制器、车载显示器、红外通信和车站屏蔽门与列车速度监测系统的模块介绍及选型。3 系统硬件电路设计3.1系统总体硬件电路设计方案本章将重点介绍列车进站行进速度控制系统的核心部分车载主控制器和显示器的硬件电路设计；屏蔽门和列车门联动通信系统及车速监测电路设计。其车载主控制器通过嵌入式控制芯片采集列车运行过程中的整个状态和两门位置状态，控制器对信号进行处理后通过输出电路将信号进行显示和状态提醒。屏蔽门和列车门联动通信系统及车速监测电路通过驱动激光管发射激光，对向光电接收管采集传输信息，从而实现信号传输。其系统硬件架构如图 3.1所示，下面将将对其各个电路和通信部分的设计进行详细描述9。图3.1系统硬件电路原理框图3.2主控制器硬件电路设计该单片机由宏晶公司生产，其片内带有8K字节闪速可编程、可擦除寿命1000次程序存储器。它是40引脚，随着半导体工艺的成熟和生产的工业化，使它的价格越来越低，是经济型系统首选机型13。STC89C52具有丰富的I/O接口，内置定时计数器和中断系统、PCA/PWM块，STC89C52（40脚）引脚图如图3.2所示。图3.2 STC89C52(40脚)引脚图3.2.1主控芯片引脚介绍STC89C52是一种高性能、低功耗的8位微控制器，其片内带有8K字节闪速可编程Flash存储器。其使用宏晶公司先进存储器技术制造，与工业80C51产品的引脚与指令完全兼容14。在单芯片上，具有8位微处理器和可编程Flash，使得STC89C52得到广泛的应用。STC89C52的主要功能：与 MCS-51系列单片机产品相兼容；0Hz-33MHz；8K字节Flash存储器。各引脚功能如表3.1所示15。表3.1 引脚功能名称 功能VCC 电源电压GND 接地端RST 复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平使单片机复位。PSEN 程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP 外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。STC89C52单片机的P3口作第二功能口时，它的特殊功能定义如表2所示。表2 P3口特殊功能定义引脚 功能P3.0 TXD(串行输出口)P3.1 RXD(串行输入口)P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 TO(定时/计数器0)P3.4 INT1(外中断1)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(片外数据存储器写选通信号端)P3.7 RD(片外数据存储器读选通信号端)STC89C52具有片内 RAM/ROM 的单片机，故此种芯片构成的最小系统灵巧、可靠。只要将单片机接上复位电路和时钟电路就可以构成单片机的最小开发系统，如图3.2.1所示为STC89C52单片机最小系统。出于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用的最大特点是：有可供用户使用的大量 I/O 口线，应用系统开发具有特殊性。图 3.2.1 STC89C52单片机最小系统（1）时钟电路设计STC89C52内部有振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。STC89C52单片机有2种时钟产生方式:一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计采用的时钟电路是基于芯片内部的震荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元器件，内部的振荡电路便会产生自激振荡。本文中采用常见的内部时钟方式，即用外接晶振和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体选择12MHz。电容选取30pF。 图5 时钟电路图（2）复位电路设计 STC89C52的复位电路采用外部电路来实现复位。复位引脚RST通过一个施密特触发器来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路有上电自动复位和按钮复位两种方式。其中上电复位最为简单。 除了上电自动复位方式外，还可以使用按键手动复位方式。本文就是采用按键手动复位方式。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。其中电平复位方式是使用电阻经RST端与电源VCC接通而完成的。如图4-4所示为按键手动复位电路。图4 手动复位电路图STC89C52的复位要求就是在复位端加上一个高电平，时间超过两个机器周期就可以完成单片机的复位。按下按键，VCC直接接到单片机的复位端RST上，时间将远远大于2us，所以将完成单片机的复位。3.3 显示模块电路设计系统显示模块主要由单片机、显示存储器、电源电路及液晶显示模块接口电路组成。其显示模块电路图如图3.3所示：行驱动器行驱动器显示控制器液晶显示屏LCD12864列驱动器列驱动器列驱动器液晶显示模块接口显示存储器电源偏置电源电路单片机EEPROM图3.3 显示模块电路原理图在我们常用的人机交互显示界面中，除了数码管、LED，有一种LCD12864使用的控制芯片是ST7920。ST7920一般和ST7921(列驱动芯片)配合使用，做成显示2行每行16个汉字的显示屏25632LCD，或这做成4行每行8个汉字的显示屏12864LCD。12864LCD提供三种接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口。包含显示RAM，字形产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理器系统就可以方便操作模块，内置2M位中文字型ROM总共提供8192个中文字型且含多功能指令11，指令如下表1所示：表1 LCD多功能指令表多功能指令 命令符画面清除 Display clear光标归位 Return home显示打开/关闭 Display on/off光标显示/隐藏 Cursor on/off显示字符闪烁 Display character blink光标移位 Cursor shift显示移位 Display shift垂直画面旋转 Vertical line scroll反白显示 By_line reverse display 待命模式 Standby mode 单片机与LCD显示模块接口通信采用间接访问，间接控制方式在硬件电路上需要一个8位并行接口与模块的数据线连接，作为数据总线，还需要一个3位并行接口作为时序控制信号线。如STC89C52单片机的P3.2作为C/D，P3.3作为WR，以及P3.4作为RD。显示接口电路的片选信号可以直接接地作选通态，间接控制方式的接口电路与时序无关，时序完全靠软件编程实现。单片机与LCD显示模块接口电路如下3.4所示。图3.4单片机与LCD显示模块接口电路位（DB7DB4）的指令资料将会被放在第一个字节的LSB 部分，而较低4 位（DB3DB0）的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都为0。串行传输讯号请参考下图说明：在我们常用的人机交互显示界面中，除了数码管、LED，有一种12864液晶屏用的比较多。顾名思义，12864表示其横向可以显示128个点，纵向可以显示64个点。我们常用的12864液晶模块中有带字库的，也有不带字库的，其控制芯片也有很多种，如KS0108、T6963C，ST7920等等。本产品是以ST7920为主控芯片的12864液晶屏的一种基本资料在我们常用的人机交互显示界面中，除了数码管、LED，有一种在我们常用的人机交互显示界面中，除了数码管、LED，有一种12864液晶屏用的比较多。顾名思义，12864表示其横向可以显示128个点，纵向可以显示64个点。我们常用的12864液晶模块中有带字库的，也有不带字库的，其控制芯片也有很多种，如KS0108、T6963C，ST7920等等。本产品是以ST7920为主控芯片的12864液晶屏的一种。3.4电源电路设计工作电源是系统电路的重要组成部分，输出电源的稳定性直接影响到控制芯片的工作性能。为了防止外部电源出现波动和瞬间大电流，在电池输出处加稳压电源电路以及滤波电容以保护整个工作电路板的电源系统4。本设计采用的三端稳压集成电路LMXXX系列产品中，最常见的三端稳压集成电路为正向电压输出的LM78XX系列和负向电压输出的LM79XX系列。本设计采用的是LM78XX正向电压输出集成电路，因此，此LM7805芯片起着稳定输出电压的作用，从下图可以看出有三个触角，分别是输入端、公共端、输出端。从外观上看，和我们熟知的三极管很是相似，稳压芯片把输入的信号转变为稳定的给系统供电的电压。LM78XX后两位数字表示的是经变换后输出的稳定压，比如LM7805表示就是输出为+5V直流电压。电源电路设计如图3.4所示。图3.4 电源稳压电路图3.5 槽型传感器电路设计TCRT5000槽型光电传感器采用标准的凹字形结构，其光电发射管和接收管分别位于凹形槽的两边，并形成一光轴。当被检测物体经过凹形槽并阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关信号。槽式光电开关安全可靠，适合检测高速变化的生产监测场所。光电开关内部结构简单，工作电流较小，主要有NPN型和PNP型两种。下图为列车门和屏蔽门传感检测系统电路设计。图3.5 槽型光电传感器电路图3.6 红外通信模块电路设计本系统中在列车进站过程中，通过在屏蔽门上安装对射式光电发射器和在列车门上安装光电接收器。主要通过屏蔽门上的发光二极管发射的红外光线直射进入被列车光电管接收器接收，当被检测物体经过发射器和接收器之间阻断光线时，光电传感器就产生开关信号。与反射式光电开关不同之处在于，前者是通过电-光-电的转换，而后者是通过介质完成。对射式光电开关的特点在于：可辨别不透明的反光物体，方向性好，可以感知固定方向的光源，有效距离大，不易受干扰，高灵敏度，高解析，低功耗，响应时间快，使用寿命长等。红外通信系统电路设计如下图3.6所示：图3.6 列车与站台红外通信系统电路该传感器对环境光强敏感，在无光或者光强度达不到阈值时，D0口输出高电平，当红外光源发射光强超过阈值时，D0输出低电平。输出口与单片机直接相连，通过检测其电平高低，实现列车车门与屏蔽门间位置关系和信息共享。3.7 本章小结本章系统地介绍了列车进站速度优化控制系统及车门与屏蔽门联动的电路设计原理和硬件实现过程。其中第3.1系统总体硬件电路设计方案；第 3.2 小节从硬件方面详细的绍了系统主控电路设计；第 3.3 小节详细介绍了显示器硬件电路设计；第 3.4小节介绍了电源电路硬件设计；第 3.5 小节槽型传感器电路硬件设计；第 3.6小节详细介绍了红外通信模块电路设计。4 系统软件功能设计本设计单片机软件部分采用单片机 C 语言编写，用 Keil uVision3编译环境进行编译和调试。在列车进站速度控制及车门与屏蔽门状态监测过程中，需要主控模块选择合适的控制方法以实现对整个系统的精确控制，本设计采用STC89C52单片机作为系统的核心控制模块，采用站内屏蔽门发射红外，列车门接收的红外传感器来采集车速信息和屏蔽门与车门位置信息来实现对地铁运行的优化控制功能。4.1 数据采集模块主程序设计本文中列车与站台数据采集主程序通过单片机数据采集系统进行操作运行的程序，主要负责调用各个子程序，完成系统初始化和数据采集等，数据采集模块流程图如图4.1所示。是否启动A/D转换单片机初始化开始输入中断信号数据采集模块中断读取A/D转换数据串口输出数据处理结束图 4.1 数据采集模块流程图程序运行过程中，当STC89S52单片机进入数据采集阶段时，采集程序首先初始化各个数据采集端口，一旦中断请求响应，便进入相应的中断服务子程序，通过 A/D 转换器检测列车运行速度和车门位置信息，并分别对列车速度、列车门与屏蔽门位置信息进行采集，并将最终数据通过串口进行传输。4.2主控制器模块程序软件设计本设计以单片机STC89C52为控制核心，采用安装在地铁站屏蔽门上的5个光电传感器检测列车进站运行速度信息，根据红外传感器反馈的实时信息来改变列车运行速度并在显示模块上显示车速和速度优化提示16。列车到站后列车门与屏蔽门之间的位置关系采用红外通信的方式将信息相互共享并发送到列车控制中心，通过预设参数使单片机产生相应控制命令，精确计算并保证列车停车后车门与屏蔽门在其对应位置。通过显示模块显示车门与屏蔽门之间的联动信息并进行提示来保证乘客的安全和满足列车高效的运行9。具体的程序流程图如图4.2所示。是否是否结束信息处理，两门联动传感器检测两门状态两门开启系统数据处理红外通信数据上传车门与屏蔽门位置检测低于标准速度速度优化控制列车停靠速度优化控制大于标准速度判断车速红外传感器检测初始化开始图4.2 主程序流程图4.3显示模块软件设计该程序设计要求LCD上能实现汉字和字符。液晶显示模块软件程序设计包括初始化部分和显示应用程序两部分。 初始化部分包括对液晶显示模块的初始化设置、液晶显示模块的显示RAM清零、单片机内部RAM的清零。其中液晶模块的初始化设置包括设置显示方式、显示区域的首地址、光标位置。显示应用程序部分包括上电显示部分的程序和红外通信数据实时显示程序两部分。写指令状态检测写参数指令状态启动状态检测写指令状态检测状态读取写入显示内容清屏初始化结束图4.3 显示模块程序流程图4.4红外通信模块软件设计本设计红外通信模块软件主要实现列车运行状态和两门位置数据传输，两门开/闭状态的信息传输。同时还包括实现驱动发射模块和红外接收模块的程序设计功能。否是结束接收成功红外接收模块驱动发射模块屏蔽门开闭状态列车门开闭状态列车运行状态信息传输数据载入模块初始化开始图4.4 红外通信模块程序流程图4.5 车门与屏蔽门位置及联动软件设计列车到站后列车门与屏蔽门之间的位置关系采用红外光电传感器采集速度参数并通过红外通信的方式将信息发送到列车控制中心，通过预设参数分析列车进站速度使单片机产生相应控制命令，精确计算车门与屏蔽门位置并保证列车停车后车门与屏蔽门在其对应位置。通过逻辑微处理器实现车门与屏蔽门的联动并显示车门与屏蔽门之间的联动信息17。具体的两门位置及联动程序流程图如图4.5所示。开关门信号灯逻辑微处理器控制速度参数速度分析位置分析主控制器显示器位置参数分析开始结束图 4.5 两门位置及联动程序流程图列车进站速度监测单元和逻辑处理单元中均通过微处理器以保证数据信息共享，它们之间不仅通过串口相联，还通过硬件电路相联。速度测量参数和分析结果存储在逻辑单元中，故可存储产生大量所需的速度运行方案17。最后，通过传感器检测两门位置是否达到联动要求的开/关状态，并在显示器上显示两门开/关状态。 4.6本章小结本章建立了基于列车进站速度监测及控制下车门与屏蔽门联动模型，首先，根据前期理论研究和模型分析，结合论文前几章节的设备选型参数及原理分析和硬件电路设计要求，建立模型分析的流程图。首先，详细设计了数据采集模块程序，建立了数据采集流程图；然后，综合设计了主控模块程序软件流程图，使其满足整体设计要求；最后对系统中的显示模块软件、红外通信模块软件和车门与屏蔽门位置及联动部分进行了软件设计，实现各部分设计要求和实验目的。5 系统测试与分析基于列车速度优化控制的车门与屏蔽门联动系统测试分析主要分为两部分：(1)列车进站时的实时速度控制及速度优化操作；(2)列车车门实时位置及与屏蔽门联动开闭状态。5.1系统测试单片机系统的时钟稳定性是否正常是检测单片机正常运行的必要条件。在实际调试中，各种原因会导致系统时钟电路不能正常工作使系统显示模块和红外通信模块无法正常工作。因此，检查单片机时钟电路是否工作是首要环节15。在单片机系统通电后，使用万用表电压档分别测量单片机的18和19引脚电压是否正常。在调试过程中，测得单片机18引脚电压为2.05V，19引脚电压应为2.15V。启动Keil软件编写一个简单的红外通信程序和LCD显示程序，通过STC-ISP软件把程序烧录到STC89C52单片机里，然后将系统上电运行测试程序，如果红外通信能够准确将屏蔽门与车门位置信息显示在显示屏上，说明系统各个模块之间的导线连接正确，元器件选型正确。如果在测试中红外通信和LCD显示屏不能按照试验方案进行工作，应运用万能表进行认真的检测电路和元器件型号。(1) 供电电压是否为7.2v电压；(2) 经LM7805稳压芯片输出的电压是否为5v；(3) 检测单片机与红外通信模块以及显示模块之间的电路接线是否正确。(4) 测试单片机晶振电路的两个起振电容是否损坏，各电路外接电阻是否烧坏。启动Keil软件新建一个工程，并命名为列车主控程序，采用单片机C语言编写功能程序，使其按照设计方案主程序图编写程序，并进行编译和调试，直到编译无错误并生成Hex文件。本设计采用stc-isp软件，使用51单片机烧录器把程序烧录到STC89C52单片机里面，然后将该单片机正确安装到列车主控制器上。5.2系统试验本文在设计列车进站速度优化控制下实现两门联动系统的制作,主要核心是以STC89C52单片机作为整个系统的控制核心，根据红外光电传感器检测车门与屏蔽门位置信息，然后发送到单片机中进行信息处理，通过多次测量数据分析列车运行速度和两门位置关系，采用两块槽型光电传感器模块检测列车门和屏蔽门开闭状态，并使车门与屏蔽门的开/关门位置对准下根据相关设计要求在系统联动控制下实现开/关门动作同步进行。模拟系统测试流程图如下图5.2所示：开始系统启动，数据采集车速优化控制及速度显示屏蔽门与列车门联动控制屏蔽门与列车门位置提示优化处理模式下综合评判结束图5.2系统测试流程图根据测试流程图中列车门与屏蔽门位置关系采取相应的列车速度优化控制并实现模拟列车车门与站台屏蔽门的联动和监测两门开闭状态，同时向列车和地面监控中心发送整个系统状态信号，并将信息快速处理和显示及做出相应信息提示1。5.3实验结果与分析该列车进站速度优化控制及车门和屏蔽门联动系统的静态车门与屏蔽