列车速度优化系统的硬件设计与实现

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1、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

2、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

3、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Train 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 ra

4、il 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

5、 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

6、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 automati

7、c 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

8、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 des

9、ign 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 sp

10、eed 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 d

11、esign 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 andshielding Gate linkage timing test, from the test data analysis to obtain

12、 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摘要IAbstract II1绪论

13、11.1选题背景及研究意义11.1.1选题背景11.1.2研究意义11.2国内外研究现状11.2.1车门与屏蔽门监控系统研究技术现状分析11.2.2列车速度控制系统技术现状分析21.3本文主要工作21.4本章小结32列车速度优化控制及两门联动系统设备构成42.1系统整体构架42.2系统设备选型42.2.1车载主控制器模块42.2.2液晶显示模块52.2.3屏蔽门信号模块52.2.4列车控制室与屏蔽门通信模块62.3本章小结63系统硬件电路设计 73.1系统总体硬件电路设计方案73.2主控制器硬件电路设计73.2.1主控芯片引脚介绍83.3显示模块电路设计103.4电源电路设计123.5槽型传感

14、器电路设计133.6红外通信模块电路设计133.7本章小结144系统软件功能设计 154.1数据采集模块主程序设计154.2主控制器模块程序软件设计154.3显示模块软件设计164.4红外通信模块软件设计174.5车门与屏蔽门位置及联动软件设计174.6本章小结185系统测试与分析195.1系统测试195.2系统试验195.3实验结果与分析20总结22致谢23参考文献24附录251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

15、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，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

16、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。 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

17、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囹。车门与屏蔽门 的故障预警及相应的处理方

18、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

19、车速度控制的方式略有不同。 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

20、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

21、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

22、囹。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。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

23、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

24、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5x7或者5x11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128x64，内置8192个16*16点汉字和128个16*

25、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8x4行16x16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

26、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

27、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，

28、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

29、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

30、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【。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。(T2)P1.0(T2 EX)P1.1P1.2P1.3P1.4(M

31、OSI)P1.5(MISO)P1.6(SCK)P1.7RST(RXD)P3.0tTXD)P3.1(INWP3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(?1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GND1402393384375366357348STC89C593210311130122913281427152616251724182319 22 U兰uuczuuuuuuuuuczuu兰P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3) P0.4(AD4)P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0 7(AD7) EA/VPP -AbE/PROG

32、PSENP2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13) P2.4(A12) P2.3(A11)P2.2(A10) P2.1(A9)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Ml。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

33、能如表3.1所示凹。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

34、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P3.0TXD（串行输出口）P3.1RXD（串行输入口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3TO（定时/计数器0）P3.4INT1（外中断1）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（片外数据存储器写选通信号端）P3.7RD（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

35、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

36、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

37、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：单片机液晶显示屏LCD12864液晶显示模块接口行驱动器行驱动器显示控制器EEPROMI列驱 动器I列驱 动器I列驱 动器显示存储器电源电路电源偏置图3.3显示模块电路原理图LCD12864使用的控制芯片是ST7920O 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

38、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多功能指令表命令符多功能指令画面清除光标归位显示打开/关闭 光标显示/隐藏 显示字符闪烁 光标移位 显示移位 垂直画面旋转 反白显示 待命模式Display clearReturn homeDisplay on/offCursor on/offDisplay character blinkCursor shiftDisplay shift

39、Vertical line scrollBy_line reverse displayStandby 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。心VCC图3.4单片机与LCD显示模块接口电路3.4电源电路设计工作电源是系统电路

40、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

41、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。+UV*LMTS05-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。I OUTTCRT5000Op0i.D9a1orl图3.5槽型光电传感器电路图3.6红

42、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

43、，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

44、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。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

45、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

46、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凹。具体的程序流程图如图 4.2所示。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。图4.3显示模块程序流程图4.4红

47、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。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。图

48、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I。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

49、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

50、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

51、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

52、，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：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门位 置关

53、系和列车动态运行速度优化测试结果比较理想，各项功能都能够良好的实现。 在列车动态运行速度优化调试过程中，当车速过高或过低时系统计算后自动改变 列车运行速度并将列车运行信息实时显示。结果表明在动态实验中光电传感器能 够准确测出列车运行速度并经过数据处理后进行速度优化，使进站列车稳定停靠。 测试结果列车门与屏蔽门能够稳定在一条直线上固定位置。在列车静态调试过程 中槽型光电传感器能够真确检测出站台屏蔽门和列车门的开闭状态及列车门与 屏蔽门的联动状态并将测试结果显示在车载显示屏上。经系统综合测试红外通信 系统能够实时交换列车与屏蔽门位置信息和数据并将数据上传到系统控制中心。 通过实验分析测试误差主要是

54、因为多个光电传感器生产批次和做工略有不同，因 此造成数据有一定误差。试验中由于模拟列车运行受到人为作用的影响和外界光 线干扰也使传感器测试数据产生一定误差。由于以上各种因素使系统产生很多不 足，如系统的速度范围相对较小，达到稳定状态时间相对较长，缺少联动故障报 警、速度预测显示、列车上下车人数统计等功能。接下来的工作，主要是提升系 统，使得系统更精确、更稳定、更高效，并且着手研究地铁列车自动驾驶监控、 显示当前车站上下车人流量信息、网络控制等。总结本文完成了列车进站速度优化控制和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，整个系统硬件电路简单，根据红外 光电

55、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。在该系统模型制作过程中，首先完成了系统的 设计、芯片选型、方案的论证、硬件设计和程序开发、信息显示、软件调试等任 务。应用Keil软件编写系统测试程序，经过无数次的系统调试直到调试成功。 应用stc-isp烧录器驱动软件，向STC89C52单片机里烧录程序并在模型上测试 实验数据。通过对列车速度优化控制及两门联动整体设计，开阔了自己的思维和 提高了对自动控制这门学科的理解。采用控制算法来实现列车高效运行，灵活应 用电气自动化等

56、相关学科的理论知识使理论与实践相结合的过程中加深了对控 制理论的理解和认识。虽然本文的系统研究是基于前期调研和充分联动控制理论 研究，但由于条件限制和本人能力有限，系统还有很多不足，如系统的速度范围 相对较小，达到稳定状态时间相对较长，缺少故障报警、速度实时显示等功能。 接下来的工作，主要是提升系统，使得系统更精确、更稳定、更高效。增加故障 监控、显示当前上下车人数、网络控制等功能。这些知识我在今后的工作中会尽 力查缺补漏，加以完善。致谢参考文献I 夏军.地铁车门系统可靠性分析及应用研究D.南京理工大学.2014. 周小纯.广州市轨道交通十三号线工程勘察安全管理对策与技术措施J.科 技与企业,

57、2012,09:14-16.3 金碧筠，周巧莲.列车车门及站台屏蔽门的开/关门时序研究J.城市轨道交 通研究,2013,08:86-91+96.4 张楚潘,都洪民.车站屏蔽门与列车车门联动优化控制方案研究J.技术装 备,2008,4:16-18.5 张楚潘，都洪民.车站屏蔽门与列车车门联动优化控制方案研究J.现代城市 轨道交通,2008,04:16-18+8.6 范丽君.ETCS技术在列控系统中应用的探讨J.中国铁道科学,2003, 24(3): 98-103 .7 邓卫升.ETCS及其在高速铁路中的应用J.铁道通信信号，2006, 42(6): 31-33 .8 Dimmer D. Inte

58、rnational Standards For CBTCJ. Alcatel Telecommunications Review, 2004(2): 5.9 刘军宇.列车速度控制系统的硬件设计与实现D.广州:华南理工大学,2011.10 苗雪芫,贺春,陈剑云.车机联控管理信息系统的设计与实现J.华东交通大学 学报,2005, (4): 72-76.II 袁晓溪.基于单片机的LED显示系统D.长春：吉林大学,2015.12 张雷.车门与安全门联动控制系统J.科教文汇,2015.8(323):187-189.13 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计及应用M.合肥:中国科学技术大学 出版社,200

59、1.14 马成.列车车门与站台屏蔽门联动监控系统研究D.上海,上海工程技术大 学,2015.15 黄春平.基于51单片机的智能寻迹小车设计J.仪表技术,2011.16 何燕玲.雷达测速算法研究与软件实现D.武汉：华中科技大学,2012.17 阚庭明，王富章，魏奇.城市轨道交通站台安全门系统门控制单元设计J.制造 业自动化,2012.12(34).附录系统电路原理图：LCD程序 #include “reg52.h” #include “intrins.h”Sbit i0_LCD12864_RS=P1A0;Sbit i0_LCD12864_WS=P1A1;Sbit i0_LCD12864_EN=P

60、1A2;#define i0_LCD12864_DATAPORT P0#define SET_DATA i0_LCD12864_RS=1;#define SET_INC i0_LCD12864_RS=0;#define SET_READ i0_LCD12864_RW=1;#define SET_WRITE i0_LCD12864_RW=0;#define SET_EN i0_LCD12864_EN=1;#define CLR_EN i0_LCD12864_EN=0;Void v_lcd12864checkbusy_f()/忙检测函数 unsigned int ntimeout=0;SET_IN

61、CSET_READCLR_ENSET_ENWhile(io_LCD12864_DATAPORT &0x80)&(+ntimeout!=0);CLR_ENSET_INC SET_READ Void v_lcd12864sendcmd_f(unsigned char bycmd)发送命令 v_lcd12864sendbusy_f();SET_INCSET_READSET_WRITECLR_ENio_LCD12864_DATAPORT=bycmd;_nop_();_nop_();SET_EN_nop_();_nop_();CLR_ENSET_READSET_INCVoid v_lcd12864sen

62、dData_f(unsigned char byData)/发送数据v_lcd12864checkbusy_f();SET_DATASET_WRITECLR_ENio_LCD12864_DATAPORT=byData;_nop_();_nop_();_nop_();SET_EN_nop_();_nop_();CLR_ENSET_READSET_INC void v_delayms_f(unsigned int ndelay)/延时unsigned int i;for(;ndelay-)for(i=125;i0;i-);void v_lcd12864sendcmd_f(0x30);/初 始化v_

63、lcd12864sendcmd_f(0x30);/基 本指令集v_delayms_f(50);v_lcd12864sendcmd_f(0x01);/清屏v_delayms_f(50);v_lcd12864sendcmd_f(0x06);/光标右移v_delayms_f(50);v_lcd12864sendcmd_f(0x0c);开显示v_lcd12864setaddress_f(unsigned char x,y);/地 址转换unsigned char byaddress; switch(y)case 0:byaddress=0x80+x;break;case 1:byaddress=0x90+x;break;case 2:byaddress=0x88+x;