轨道车辆电动自动控制门系统设计毕业设计论文

长春工业大学毕业设计、毕业论文题目轨道车辆电动自动控制门系统设计学院电气与电子工程学院专业班级自动化指导教师XX姓名XX2016年6月日指导教师签字2016年6月日评阅人签字2016年6月日摘要电动自动控制门系统是轨道交通车辆的重要部分之一，它的可靠性直接关系着乘客的安全。目前国内的高铁动车组多数采用单翼塞拉门，地铁采用双翼对开门。国内常用的自动门主要是气动门，例如单翼气动塞拉门、双翼气动内藏式对开门，电动门作为一种新型的自动门系统，也逐渐被推广应用。本次设计是轨道车辆电动自动门控制系统，采用光电漫反射开关作为传感器，通过接收器接收发射器发出的光线，当乘客反射回发射器发出的光线时，光电漫反射开关探测到的距离变少，光电漫反射开关立即发出开关信号，立即其转化为电讯号，进而传给单片机。驱动装置采用直流电机作为门。系统通过单片机控制直流电机，使门自动打开，当乘客进门后使门自动关闭，并且通过光电漫反射开关检测防止夹人现象。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；AT89C51RAILVEHICLEELECTRICAUTOMATICCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTELECTRICAUTOMATICCONTROLDOORSYSTEMISONEOFTHEIMPORTANTPARTSOFRAILTRANSITVEHICLES,ITSRELIABILITYISDIRECTLYRELATEDTOTHESAFETYOFTHEPASSENGERSATPRESENTMOSTOFTHEDOMESTICHIGHSPEEDRAILEMUWITHSINGLESLIDINGPLUGDOORTOOPENTHEDOOR,THESUBWAYWITHDOUBLELEAVESSLIDINGDOORTHEAUTOMATICDOORISMAINLYPNEUMATICDOOR,SUCHASWINGGASDYNAMICSLIDINGPLUGDOOR,AERODYNAMICWINGSBUILTINTOOPENTHEDOOR,ELECTRICDOORASANEWTYPEOFAUTOMATICDOORSYSTEM,ISGRADUALLYBEINGPOPULARIZEDANDAPPLIEDRAILVEHICLEELECTRICAUTOMATICDOORCONTROLSYSTEMADOPTSPHOTOELECTRICDIFFUSEREFLECTIVESWITCHASASENSOR,THEDESIGN,THELIGHTRECEIVEDBYTHERECEIVERFROMTHETRANSMITTER,WHENPASSENGERSREFLECTEDBACKTOTHETRANSMITTERTOSENDOUTLIGHT,PHOTOELECTRICDIFFUSEREFLECTIVESWITCHTODETECTTHEDISTANCEBECOMESLESS,PHOTOELECTRICSWITCHIMMEDIATELYISSUEDASIGNALSWITCHIMMEDIATELYITSTRANSFORMATIONFORTELECOMMUNICATIONSNUMBER,ANDTHENTRANSMITTEDTOTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERTHEDRIVINGDEVICEADOPTSADCMOTORASADOORSYSTEMTHROUGHTHEMCUTOCONTROLTHEDCMOTOR,SOTHATTHEDOORAUTOMATICALLYOPEN,AFTERTHEPASSENGERTHROUGHDOORTOAUTOMATICALLYCLOSETHEDOOR,ANDTHROUGHTHEPHOTOELECTRICDIFFUSEREFLECTIONSWITCHDETECTIONTOPREVENTTHEPHENOMENONOFCLAMPPEOPLEWOUNDINGTHEMAINTASKOFTHISPAPERISTOREALIZETHECONTROLSYSTEMOFPHOTOELECTRICDIFFUSEREFLECTIONSWITCHBLOCKINGANDAT89C51BASEDSINGLECHIPMICROCOMPUTERKEYWORDSAUTOMATICDOORRAILVEHICLES；MICROCONTROLLER；AT89C51目录第一章绪论111论文选题背景及研究意义112国内外研究现状213论文研究的主要内容4第二章方案论证621系统设计要求622系统方案论证6221单片机选择论证8222传感器选择论证823总体方案设计图11第三章硬件电路设计1231电动自动门工作原理1232系统原理框图1233AT89C51单片机系统13331单片机AT89C51各个引脚的作用15332AT89C51主要特性16333晶振电路设计16334复位电路设计17335报警显示电路设计1834“看门狗”监控控制电路1835RS485通信19351总线驱动器芯片SN7517619352RS485方式构成的多机通信原理2036光电漫反射开关2137BISS0001芯片介绍和典型电路22371BISS0001的内部22372BISS0001的特点23373BISS0001管脚图23374BISS0001管脚说明23375BISS0001工作原理2438电机控制单元设计26381LM629的特点27382LM629的引脚图及引脚功能27383LM629的系统框图2839直流电机驱动29391LMD18200主要特性30392LMD18200典型应用30393LMD18200内部结构和引脚说明30394LMD18200工作原理32第四章软件设计3341系统软件结构3342各部分程序设计33总结36致谢38附录1程序清单41附录2原理图46第一章绪论11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34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。12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15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。13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0500MM/秒（可调）开关门时间0110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21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21是自动门系统整体框图。单片机脉冲信号PWM功率接口电动机负载传感器接口电流反馈信号正/负位置反馈脉冲绝对零位脉冲图21自动门整体框图22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。221单片机选择论证单片微型计算机简称单片机2，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。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。222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1的分类3物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应4，磁致伸缩现象5，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6、电化学反应7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、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强的优点。光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。常用的红外线光电开关，是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光的强弱而检测物体的存在与否来实现功能的，光电传感器首先发出红外线光束到达或透过物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在。红外光电开关的种类也非常的多，一般来说有镜反射式光电开关、漫反射式、槽式、对射式、光纤式等几个主要种类。光电开关快易优自动化选型有收录。在不同的场合使用不同的光电开关，例如在电磁振动供料器上经常使用光纤式光电开关，在间歇式包装机包装膜的供送中经常使用漫反射式光电开关，在连续式高速包装机中经常使用槽式光电开关。利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。按检测方式可分为漫射式、对射式、镜面反射式、槽式光电开关和光纤式光电开关。对射型由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。漫反射型是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一般到3米。特征有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。镜面反射由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从01米至20米。特征辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。由于工程需要检测角度为150以上，故选择漫反射光电开关。23总体方案设计图人体信号光电漫反射开关BISS0001单片机485通信门开关“开门狗”监控电机驱动报警显示控制图22总体方案设计图第三章硬件电路设计31电动自动门工作原理自动门的工作原理为门板由支架支撑在导轨上，导轨连接到驱动装置，驱动装置通过导轨带动门板滑动。每个门都有锁闭机构，在门关闭到位时，锁闭机构实现机械锁闭。车门具有零速保护和安全连锁电路，开关门有报警装置。电动门的驱动装置是一组电机组件，每节车有一个主控制器来控制本节车的车门。主控制器是自动门的指挥中心，通过内部指令程序，发出相应指令，指挥电机或电锁类系统工作；同时人们也可通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数外部信号由感应探测器完成，当有移动的物体进入他的工作范围时，他就给主控制器一个脉冲信号；电机提供开门与关门的主动力，控制自动门门扇加速与减速运行。自动门门扇完成一次开门与关门，其工作流程如下感应探测器将探测信号传至主控器，主控器判断后控制电机运行，同时监控电机转数及电流，以便控制电机在一定时候加力和进入慢行运行及反转。电机得到一定运行电流后做正向运行，将动力经传动机构使自动门扇开启；自动门扇开启后由控制器作出判断，控制马达作反向运动，关闭自动门扇。32系统原理框图轨道车辆自动门控制系统的硬件组成如图31。主要由AT89C51单片机及其外围电路、红外检测电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方式切换电路等七部分组成。单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。如门在关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序。按钮光电漫反射检测AT89S51单片机复位电路直流电机控制电路故障显示图31原理框图33AT89C51单片机系统单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。其结构如图32所示CPU外部设备ROMRAM计数器中断I/O口图32单片机结构框图由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。单片机从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了越来越多的应用。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，外形及引脚排列如图33所示。图33AT89C51引脚图图34AT89C2051引脚图331单片机AT89C51各个引脚的作用VCC/GND供电/接地电源。P0口可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器访问时的高八位地址。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。332AT89C51主要特性13与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0HZ24HZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路333晶振电路设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。晶振电路如图35。图35晶振电路334复位电路设计手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如图36所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。复位电路如图36。图36复位电路335报警显示电路设计报警控制以显示灯的方式给出。当有人员进出时,若系统正常工作,显示灯为绿色。若系统发生故障,显示灯变为红色,此时不允许人员的进出。由于系统中AT89C51本身的I/O口线资源紧张，要控制的闪光报警的LED数目较多，所以可采用扩展一片74LS3778D锁存器芯片，锁存器输出8个LED。在电路中将共阴极LED发光二极管的阳极连接在一起,通常将此公共阳极接电源，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮,这样我们就可以控制是进出灯亮还是报警灯。接口电路如图37所示。图37报警显示电路34“看门狗”监控控制电路当AT89C51受到干扰而失控时,会引起程序跑飞而脱离用户程序,导致系统无法正常完成任务。例如本系统如果出现程序跑飞,可能导致自动门的开合无法控制,报警灯无法正常显示,这将给客户带来众多不便。指令冗余和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱困境,这时系统将瘫痪。若工作人员在场，可按下人工复位按钮,强制复位。但工作人员不可能一直监视着系统,即使监视着系统,也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。因此,设置可靠的“看门狗”是防止单片机死机、提高系统抗干扰性的一14种重要手段。另外，“看门狗”电路还提供了掉电保护作用，避免了电源掉电时系统数据的丢失。12345678U6MAX812LRESETP17D2IN4148R310KR222KVCC图38“看门狗”监控控制电路35RS485通信RS485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的1能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，而且一般采用RS485串行总线接口标准的系统都使用8044芯片作为通信控制器或各分机的CPU。8044芯片内部集成了SDLC，HDLC等通信协议，并且集成了相应的硬件电路，通过硬件电路和标准协议的配合，使系统的通讯准确、可靠、快速。8044在市场上日渐稀少，虽然有8344可替代，但几百元的价位与普通单片机几元至几十元的价位相差甚远，用户在开发一般的单片机应用系统时，都希望能用简单的电路和简单的通信协议完成数据交换。譬如利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器如SN75176等组合成简单的RS485通讯网络。本文所述的方法已成功地应用于工程项目，一台主机与60台从机通讯，通讯波特率达64KBPS。351总线驱动器芯片SN75176常用的RS485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS485总线驱动芯片。SN75176及其逻辑如图39所示。图39SN75176芯片及其逻辑关系352RS485方式构成的多机通信原理在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用RS485构成的多机通讯原理框图，如图310所示。17图310采用RS485构成的多机通讯原理框图在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A和5电源间接一个10K的电阻；正端A和负端B间接一个10K的电阻；负端B和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A的电平大约为32V，负端B的电平大约为16V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。总之，发送和接收控制信号应该足够宽，以保证完整地接收一帧数据，任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。总线接口示意图如图311。图311485总线接口示意图36光电漫反射开关该传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测18图312漫反射光电开关原理图示意图漫反射式光电开关由发射器和接收器组成。37BISS0001芯片介绍和典型电路BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传19感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成。BISS0001采用16脚标准型塑料封装结构。脚（A）为触发方式控制端，当16A1时，电路可重复触发；当A0时，电路不可重复触发。脚（V0）为控制信号输出端，当有传感信号输入时，V0输出高电平。脚（RX）和脚（CX）为输出定时控制器T的外接元件端，定时时间为TX50103RXCX。脚（RI）和脚（CI）为锁定时间控制器TI的外接元件，锁定时间TI24RICI。脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般接VDD，若按VSS，可使定时器复位。脚（VC）为触发禁止端，当VCVR时禁止触发；当VCVR时，允许触发，VR02VDD脚（IB）为偏置电流设置端，由外接电阻RB接VSS端，RB一般取1M的电阻。12脚（OUT2）和13脚（IN2）分别为第二级运放的输出端和反相输入端。14脚（IN1）和15脚（IN1）分别为第一运放的同相和反相输入端。16脚（OUT1）为1脚第一运放的输出端。11脚（VDD）和7脚（VSS）分别为电源正、负端。371BISS0001的内部图312热释红外传感器处理芯片BISS0001的内部电路上图中，运算放大器OPL将光电漫反射开关传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COPL和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器，输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。372BISS0001的特点CMOS工艺，功耗低数模混合具有独立的高输入阻抗运算放大器内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰内设延迟时间定时器和封锁时间定时器采用16脚DIP封装内置参考电源工作电压范围宽（3V5V373BISS0001管脚图图313BISS0001管脚图374BISS0001管脚说明引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触。2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使VO输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间TX之外和无VS的上跳变时，VO保持低电平状态。3RR1输出延迟时间TX的调节端4RC1输出延迟时间TX的调节端5RC2触发封锁时间TI的调节端6RR2触发封锁时间TI的调节端7VSS工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VCVR时允许触发VR02VDD10IB运算放大器偏置电流设置端11VDD工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132INI第二级运算放大器的反相输入端141INI第一级运算放大器的同相输入端151INI第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端375BISS0001工作原理BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。1、不可重复触发工作方式以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明工作过程。首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二