【《某屏蔽门驱动系统的硬件和软件设计案例》7100字（论文）】

某屏蔽门驱动系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25435某屏蔽门驱动系统的硬件和软件设计案例 126194第1章总体设计思路 2230513.1功能描述 2303843.2工作模式 412351第2章硬件电路设计 5123642.1微控制器 5226352.2硬件电路 871482.2.1 控制芯片电路 8163142.2.2 电源电路 8254852.2.3 接口电路和下载电路 9316912.2.4 传感器电路 9214052.2.5 三相全桥驱动电路 11101022.2.6 整流电路 1190022.2.7隔离电路 11283542.2.8中断电路和指示灯 128844第3章软件设计 1329223.1开发工具 13113423.2软件流程 14160323.3子程序设计 1621084（2）防夹子程序 1731229（3）PWM控制信号 18209423.4PID控制算法 18145123.2.1PID控制概述 18270693.2.2电流环PI控制 20213583.5测试结果分析 21第1章总体设计思路本项目的屏蔽门驱动系统由单片机、电机驱动电路、传感器检测电路、无刷直流电机组成。总体电路选用红外传感器和微波传感器检测共同完成检测，由于stm32在protues中存在兼容性等问题开发困难，单片机最终选用C51芯片输出六路PWM控制信号，通过驱动器电路和三相全桥驱动电路来控制无刷直流电机的旋转调速。图3-1总体设计框图3.1功能描述列车进站后在指定地区停稳，逻辑单元接收到传感器发出的开门信号，判定信号是否有效。若有效则向门控单元发出开门信号，电机正传带动滑动门开门至指定位置停止转动；若无效则控制器可能存在故障问题需站台工作人员或驾驶员对控制器进行排查，同时切换人工操作。当屏蔽门完全打开到开门位置时，开门状态指示灯保持常亮状态，开门流程图如3-2所示。图3-2开门流程开门状态保持一定时间后，逻辑控制单元接收到列车将要离站时发出的关门信号，判断关门信号是否有效，若有效则电机反转带动滑动门关门，至完全关闭；若无效则需站台工作人员或驾驶员对站台控制器进行人工操作。关门时，门上状态指示灯以固定频率闪烁至滑动门完全关闭熄灭。若关门时出现夹人现象或遇到障碍物不能正常关门，此时应由站台工作人员或驾驶员进行手动操作，避免事故发生。比如立即制动电机，使其停止关门，或选择从关门流程跳转到开门流程重启滑动门。关门流程图如3-3所示。图3-3关门流程3.2工作模式（1）开门模式开门信号有效时，屏蔽门迅速开启。关门模式关门信号有效时，滑动门关闭，若有障碍物则停止运转。常开模式开门后，站在屏蔽门滑道上保持屏蔽门开门，固定滑动门。待机模式系统得到屏蔽门紧闭且锁定的状态信号后，传感器进入待机状态，等待下次开门信号再次启动运转。第2章硬件电路设计本项目以平移屏蔽门为主要研究对象，其硬件电路主要包括:控制器电路、传感器电路、驱动电路、隔离电路等。本章首先说明微控制器的类型，接着分别介绍各模块电路的结构和功能。2.1微控制器嵌入式系统是软硬件的结合体，是一种嵌入到对象体系中的计算机系统。它具有可裁剪性、强时效性、接口统一、操作方便、强稳定性、固化代码等特点。通常使用的处理器有微处理器、微控制器、数字型号处理器三种类型的芯片。本项目采用的C51是微控制器的一种。图4-1嵌入式系统结构简图本项目采用AT89C51工艺单片机来处理告诉计算和快速的输入输出。它有4k字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。空闲方式体制CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。AT89C51引脚功能Vcc:电源电压。GNE：地线。PO口:PO口是一组8位漏极开路型双向IO口，也即地址/数据总线复用。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，PO口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（lIIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（lIIL）。在访问外部程序存储器或16位四肢的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据，在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@Rl指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器(SFR）区中R2寄存器的内容)，在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和其他控制信号。P3口:P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IL）。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。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将使单片机复位。ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR）区中的8EH单元DO位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOV×和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN:程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通型号，当89C51由外部存储器取指令（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，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。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。如EA端为高电平(接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使用12v编程电压Vpp。XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5。外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对电容C1、C2虽没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30Pf±10Pf而如使用陶瓷谐振器建议选择40Pf士10Pf。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端XTAL2则悬空。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字符，要对整个芯片的EPROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方法将整个存储器的内容清楚。2.2硬件电路2.2.1 控制芯片电路电路选用AT89C51作为控制芯片，外部连接晶振作为时钟源。图4-2AT89C51接线电路图4-3晶振电路2.2.2 电源电路为使系统正常运转，需要稳定可靠的电源进行供电。系统采用标准12V直流电源为整个系统供电。单片机所需5V电压经降压电路提供，稳压电路设计中采用LM7805来输出5V电压，其可以提供的输出电流超过500mA，散热充分。图4-45V稳压电路2.2.3 接口电路和下载电路I/O电路用来完成单片机和外部设备的通讯，实现数据传输。开发板上常用的接口有JTAG和USB。为了实现单片机程序的下载，观察电机转速运行曲线等，需要用到USB转串口芯片。图4-5USB接口电路和串口下载电路2.2.4 传感器电路为了实现对移动物体进行检测需要用到传感器。本项目采用红外传感器和微博雷达共同完成检测。微波雷达能对移动的物体进行迅速反应，在列车行驶高峰期有较好的适应性，但微波雷达不能捕获静止的物体。此时用红外传感器进行补偿就可以弥补微波雷达的缺陷，只要在传感器感知范围内存在红外辐射，红外传感器就能迅速应答。但相比于微波传感器红外传感器的响应速度较慢，可能会出现较长的无效等待时间。同时采用两种传感器，既保证了反应速度，又避免了屏蔽门夹人夹物的情况发生。微波雷达采用主元器件是光耦合器，简称光耦。它通常将发光二极管和受光器封装在同一个管壳下。发光二极管通电发出光线后，由受光器接受，再次转换为电信号，达成两次光电信号转化。它具有体积小、抗干扰能力强、反应速度快等优点。在使用过程中能够快速感应到人的通过,然而对于静止的物体却无法检测,可能会有夹人的危险。图4-6微波雷达电路红外感应电路既能够感应到移动的物体也能够感应到静止的物体，弥补了微波感应电路的不足，而其缺点是反应速度较微波感应电路要慢。在红外传感器电路中，我使用了BISS0001芯片，这是一个用于传感器信号处理的高性能集成电路。配备热释电红外传感器和少量外部元件构成无源热释电红外开关，可用于自动照明、报警系统、自动门等。图4-7红外传感器电路2.2.5 三相全桥驱动电路全桥电路中有六个功率场效应管控制输出电压，电路每次只有两个管子导通，每过60°换向一次，利用MOS管的开关特性，完成电机控制。由于控制要求的电机为220V。MOS场效应管选用SMP60N06，其极限电压为60V极限电流60A。图4-8全桥驱动电路2.2.6 整流电路对220V电源电压进行整流录播后给无刷直流电机供电。图4-9整流滤波电路2.2.7隔离电路要保证电路系统长时间可靠运行，除了对电路合理性设计要求，同时抗干扰设计也是系统稳定的重要保证。由于电路系统工作环境的复杂性，来自环境的电磁干扰以及硬件本身存在的干扰，往往大大影响了系统的安全性。随着系统运行时间的加长，各模块可能出现测量误差加大，系统程序可能出现死机等异常，最终造成巨大的损失。在复杂系统环境下，控制器电路系统的电流电压信号容易受到其他因素的影响。来自系统内部电磁信号互相干扰以及外部电磁信号对系统的干扰、不合理系统设计、元器件的选型失当、安装制作误差等因素，都有可能对系统造成影响。硬件可靠性设计是电路设计人员非常重视的方面。在弱电系统中，大量的设备相互连接，地作为系统基准的地线为系统内的各种设备提供稳定的基准位点，又被称为信号地。因为模拟电路有时会涉及微弱的信号，而数字电路抗干扰能力要强些，从而数字电路对电源的要求就比模拟电路低些。为此，在设计本电路系统时，为防止模拟电路和数字电路器件之间相互干扰造成误差，分别将模拟地与数字地进行隔开，中间通过接零欧姆电阻进行隔离防止干扰。电源作为整个电路系统的能量源头，如果输入端的引脚存在波纹或者有噪声混进来，必将通过线路传递耦合到负载从而产生干扰降低负载的工作效率。因此，在本电路系统各电源正负极之间增加适量的电解电容和小电容，这样能够起到滤波作用，减小电源噪声，尤其是对高频干扰信号有过滤作用。电机位置传感器为霍尔元件，对其输出信号在电路上进行光电隔离。使单片机控制单元和电机仅保持信号联系，而不发生直接电联系。实现完全的电气隔离，能够有效抑制噪声干扰。图4-10光电隔离电路2.2.8中断电路和指示灯异常情况能进行紧急处理:例如出现夹人夹物等无法正常关门的情况，可以进行手动操作，来避险更危险情况的发生，等待维修人员的处理。通过中断电路SI2来停止系统运行。图4-11中断电路图4-12电源指示灯图4-13传感器指示灯软件设计本项目软件部分由KEIL、proteus进行开发，本章从软件流程图设计、相关程序及模糊PID算法的实现几个方面进行论述。3.1开发工具KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，运行该软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。它有很多个版本，本文探究的是采为单片机系统的虚拟仿真，uVision4中包含了源程序文件编辑器以及项目管理器和源程序调试器等。其具有强大的管理功能，包含有一个器件数据库。可以进行软件仿真，也可以利用硬件仿真器进行实时仿真。Protcus软件是由英国LabcenterElectronics公司于1989年推出。Proteus最具特色的功能:①它既能实现模拟和数字电路及数/模混合电路的设计与仿真:②可以提供相应的软、硬件设计和虚拟仿真给单片机应用系统。Proteus支持目前各种流行的单片机机型以及嵌入式微处理器ARM7的仿真，并且提供了功能强大的软硬件调试手段给单片机系统的虚拟仿真利用单片机进行开发的过程是:①利用Proteus软件提供的各种功能，将设计好的硬件电路图画出来;②利用KeiluVision4集成开发环境，并采用C语言进行程序的编写。再编译链接后生成一个HEX文件:③将这个HEX文件加载到Proteus设计的硬件电路中的芯片中进行仿真以及调试。观察仿真后的结果，如果没有达到预期的效果，再反复进行调试，直至调试成功，达到预期的效果为止，再根据仿真的电路图进行实物的搭接，最终完成实物的制作。3.2软件流程图5-1软件流程图上图为系统总流程图，首先打开电源系统初始化以及或红外传感器和微波雷达的初始化。然后传感器以每2ms一次的频率进行车辆检测。车辆行驶到站后，单片机输出6路PWM信号驱动无刷直流电机旋转带动滑动门开门。此过程为PID调节，为了快速完成开门动作，刚开门时电机转速较快。当滑动门将要到达指定开门位置时电机放慢转速，保证稳定开门。之后启动定时器等待乘客上下车，检测车辆关门信号启动关门，若没有检测到关门信号则继续等待。关门时电机旋转状态同开门相同，为保证关门迅速且平稳，PWM输出信号由快到慢。最后电机停止运转，系统等待下一次开门信号的产生。3.3子程序设计（1）自学子程序屏蔽门系统往往有多个门控单元，而每个门控单元间由于工艺原因每扇门的行程和摩擦力等都会有所差异，同时不同线路的门宽也有差异，这对于屏蔽门的开关到位有至关重要的作用。通过自学子程序使每个屏蔽门安装完成后，系统可以自学计算出每扇门所需的行程参数。图5-2自学流程图防夹子程序防夹检测主要应用于屏蔽门的关门过程，驱动器除了其他保护功能以外，最为重要的一个功能是能在任意关门过程中检测障碍物，当异物阻碍门的正常运行时，门控器能迅速识别到障碍信号，此时门立即反转保护系统同时并将此事件记录保存。图5-3防夹流程图PWM控制信号设计中选用的是C51为控制芯片，考虑其处理速度问题，对高速旋转的无刷直流单机产生的位置信号无法快速应答，在程序中用列表的方式帮助单片机完成处理。表5-1电机正传时霍尔信号与PWM控制信号对照表电机位置传感器输出信号六路控制信号HAHBHCAHALBHBLCHCL0010001000100000100110000101000000011011000001100100003.4PID控制算法3.2.1PID控制概述PID（proportionintegrationdifferentiation）既指比例、积分、微分控制。PID控制被广泛应用于工业自动化、农业自动化甚至航空航天领域。即使是各种智能控制算法百花齐放的今天，PID控制算法由于具有良好的稳定性和可靠性以及简单的结构等特点，其在控制算法中依然占有重要地位。图5-4PID控制一般形式PID数学模型如下：(5-1)其中Kp是比例系数，Ti是积分时间系数，Td是微分时间系数。比例控制比例控制根据系统产生的偏差，比例调节立即产生作用来减小偏差，较大的比例作用可以加快调节速度，迅速减小偏差，但却不能完全消除稳态误差。同时会使系统容易发成振荡导致系统不稳定。比例控制数学表达式：(5-2)积分控制只要误差存在，积分作用就会随着时间变化将误差数值进行积累，将小偏差累积放大，从而输出足够的控制量来消除稳态误差。积分参数越大积分作用越弱消除误差所需要的的时间就越长，反之积分参数越小积分作用越强但是缺会给系统带来较大的超调量。积分控制数学表达式：(5-3)微分作用微分控制增大系统阻尼，减少系统超调量和调节时间，但不能改变系统的稳态误差和自然频率，改善系统的