1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 城市轨道交通安全门控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着城市轨道交通在我国的快速发展，人们对站台候车环境要求的不断提高，站台安全门系统有了广泛的应用。安全门将地铁车站站台与 列车运行空间隔开，避免了冷量损失，节省了大量空调运行能耗，同时为乘客提供了一个安全舒适的候车环境。 安全门在设计、制造、安装过程中需要充分考虑其自身的可靠性以及乘客安全、行车安全，并且需要具备多重安全保护措施。 本文对安全门系统进行了以下几个方面的设计。 针对城市轨道交通实现站台安全门进行
2、了电气控制系统设计。论文采用上位主控计算机，下位采用安全门控制 C8051F 单片机，上下位机之间采 CAN 总线通信；下位单片机控制电机来实现对安全门开启、关闭及防夹等功能。 关键词： 城市轨道交通；站台安全门； - 2 - Abstract With the urban rail transport in Chinas rapid development, people are waiting on the platform the continuous improvement of environmental requirements, site security door system
3、 has been widely used. Security goalkeeper subway station platform and train space separated, to avoid cooling loss, saving a lot of air conditioning energy consumption, while providing passengers with a safe and comfortable waiting environment. Security door in the design, manufacture, installation
4、 need to fully consider their own reliability and passenger safety, traffic safety, and need to have multiple security measures. In this paper, a security door system, the following aspects of the design. Platform for the realization of urban rail transit security gate electrical control system desi
5、gn. Master thesis, host computer, the next bit with security door control C8051F MCU, Upper and Lower CAN bus communication between the mining; the next bit microcontroller to control the motor to achieve the security door open, close, and anti-pinch functions. Key words： Urban track transit； Platfo
6、rm Secure door(PSD) - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1安全门系统的发展概况 .1 1.2 安全门的分类 .1 1.3 安全门的国内外研究现状 .2 2 安全门控制系统结构 .3 2.1 安全门系统结构图 .3 2.2开关门控制系统总体设计 .4 2.3 防夹总体设计 .5 2.4 车载主控制计算机与安全门控 制单片机的 CAN总线通信 .6 2.4.1 CAN总线的概述 .6 2.4.2 CAN的工作原理 .6 2.4.3 车载主控计算机与安全门控制单片 机的 CAN通信原理 .7 3.1 安全门控制系统硬件总体结构框图 .8 3.2 C8051F502单片机及外围
7、电路设计 .8 3.2.1 C8051F502简介 .8 3.2.2 时钟电路 .10 3.2.3 电源电路 . 11 3.2.4 复位电路 .12 3.3 CAN总线收发器电路设计 .12 3.4光电开关电路设计 .15 3.5开关门大功率驱动电路设计 .16 3.6 安全门启闭功能实现 .17 4 安全门控制系统软件设计 .18 4.1 C8051F系列单片机开发平台 .18 4.2 软件程序 .18 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .24 附件 1 电路实验原理图 .25 - 1 - 1 引言 1.1 安全门系统的发展概况 城市轨道交通运营的特点是行车密度大、停站时间短、运送
8、客流量大，而城市轨道交通车站的宽度有限，为乘客提供一个安全舒适的候车环境是随着交通轨道事业的发展而提出的 -项新的要求。 站台安全门是设在站台边缘，把站台区域和列车运行区域相互隔开的设备。列车未进站时，安全门处于关闭状态；列车进站后，列车门与安全门严格对准，并使列车门与安全门联动开启，以供乘客上下车，待乘降结束后，列车门与安全门同时关闭。它的两个主要的作用就是节能和保证乘客候车安 全。 1.2 安全门的分类 从目前各国设置的安全门系统来看，主要有敞开式和全封闭式两种类型，不同形式的选择是根据当地的气候条件和所要实现的功能决定的。全封闭式安全门是安装在站台侧面，从地板到顶棚全部遮挡起来，将站台公
9、共区域同列车停靠区域完全分隔开的玻璃隔墙和活动门。这种安全门不仅可以增加乘客的候车安全，而且对于采用空调系统作为主要环控手段的车站具有明显的节能作用。在热带、亚热带城市的城市轨道交通系统中有着显著的节能效果，应用越来越广泛。 另一种是敞开式安全门，它的安装位置与第 -种相同，只是隔离一定的高度，其 余部分敞开，空气可以通过安全门上部流通。对于采用车站进风、区间排风的车站来说，这种安全门有利于站台和区间的通风和排烟。敞开式安全门的造价比第 -种要低，主要起到乘客安全的作用，在这个意义上可以称之为“安全门”，主要应用于气候比较凉爽城市的城市轨道交通站台中，在无人驾驶的城市轨道交通系统或由高速列车通
10、过的车站。如法国吐鲁斯轻轨系统、巴黎十四号线无人驾驶系统、日本多摩都市高架线均采用半高- 2 - 或不封闭安全门 (即开式系统 )。 1.3 安全门的国内外研究现状 安全门在国外的应用较早，已经比较成熟。 1981年在日本城市轨道交 通的Portdown线路中采用了半封闭式的安全门系统，主要是用来保证在站台上乘客候车安全。 20世纪 80年代投入运营的法国 Lille市的城市轨道交通采用全自动无人驾驶技术，从确保乘客和列车行驶安全因素考虑采用了安全门系统。安全门系统在国外城市轨道交通系统得到了推广应用。 1988年新加坡城市轨道交通主要基于节能的目的考虑，在 NEL线上首次使用了安全门系统，并
11、且取得了很好的效果。之后欧洲 -些国家如英国、法国、比利时等出于乘客安全方面的考虑，也安装了安全门系统，主要类型是敞开式的，目的仅仅是将乘客和列车隔开，防止自 杀和无意跌入隧道，大大减少了乘客被列车撞伤的危险。 20世纪 90年代，香港城市轨道交通根据十几年年运营实践经验，认识到采用开 /闭式环境控制系统存在系统设备容量、用房面积、工程投资大，车站建筑布置设计困难，运营成本高且不安全的缺点，在后续新线建设中 (例如场线、将军澳线以及九广铁路等 )均采用安全门系统，并对已运营的 38个车站的三条地下铁路线进行改造，加装安全门系统。 2002年 12月 28日建成开通的广州城市轨道交通2号线成为我
12、国国内第一个应用安全门系统的城市轨道交通系统，随后该项目在上海、深圳等城市新建城市轨道交 通线路中得到推广应用。安全门系统在以后的新建城市轨道交通或旧城市轨道交通线路改造中的应用将会越来越广泛。 城市轨道交通在我国起步较晚，安全门系统的应用更是在 2002年才开始应用，积累的实践经验不多。由于目前安全门系统主要采用进口设备，投资昂贵，而且不是轨道交通所必需的设备，应有条件的设置。安全门是 -项高新技术产品，目前世界上只有少数公司能生产，由于安全门系统涉及自动控制、通讯、计算机、电子、机械等诸多行业，要求各系统能统 -管理和控制。目前我国对安全门技术的研究她于起步阶段，还不能独立生成该产品。 -
13、 3 - 2 安全门控制系统结构 站台安全门 (Platform Secure Door，简称 PSD)系统是现代化城市轨道交通工程的必备设施，已得到日益广泛的应用。而我国城市轨道交通大量已开通的运营线路并未预留站台安全门接口。随着城市化步伐的加快，这些线路客流密度迅猛增加，加装站台安全门成为必然趋势。实现信号系统与站台安全门系统之间的安全高效联动，是提高运行效率、降低人工劳动强度的关键环节。 安全门控制系统设计包括如下两部分： （ 1）控制系统设计：包括控制系统控制方案确定，总体设计，硬件设计，电气设计等部分； （ 2）防夹 设计：控制系统的目的是实现安全控制，防夹设计可以保护人身财产安全，
14、具有设计的必要性。 由于城市轨道交通安全门控制系统本身的特点是多系统高度集成，联锁机构比较多，所涉及的电气操作较多，所以如果合理设计，协调各部分正常无差运转是控制系统实现的核心。由于交通安全门安装的目的就是保证乘客的安全上下车，所以如何做到安全运行是控制系统的重点。 2.1 安全门系统结构图 MMMM光 源驱 动 电 机光 电 开 关如图 2-1 安全门结构 - 4 - 如图 2-1所示为单组安全门机械结构图，单组安全门由两扇门体和玻璃幕墙 组成。安全门控制系统主要由电机、单片机、 CAN总线通讯、光电开关等设备，负责安全门的动作完成。在图中，左门安装了两个电机分别为左门开电机和左门关电机，右
15、门也同样安装了右门开电机和右门关电机。在安全门的两侧安装了光源和光电开关，左下角和右下角为光源，左上角和右上角为光电开关。 2.2 开关门控制系统总体设计 车 载 主 控 计 算 机安 全 门 控 制 计 算 机接 口 电 路C A N 通 讯 总 线左 门 开 电 机 右 门 关 电 机右 门 开 电 机左 门 关 电 机图 2-2 系统构成图 如图 2-2所示，开关门控制系统部件包括车载主控计算机、安全门控制计算机、接口电路以及开门电机组成。系统通过安全 I/O 采集门控光 电开关导通条件，获取列车门的当前工作状态，并把这些信息通过内部 CAN 通信总线，传送至车载主控计算机。再通过车载主
16、控计算机发出开门或者关门信息传送至单片机，单片机通过 I/O口控制电机，由电机来启闭安全门。 - 5 - 2.3 防夹总体设计 MMMM光源驱动电机光电开关图 2-3 安全门正常关闭示意图 MMMM光 源驱 动 电 机光 电 开 关图 2-4 安全门不能正常关闭示意图 如图 2-3 所示为光电开关接收到光源光线正常关闭。 如图 2-4 所示为若有人或物在安全门间，光电 感应开关的电阻阻值产生变化，经过分压电路输入到单片机的 AD 进行检测。再通过单片机控制电机开启。 - 6 - 2.4 车载主控制计算机与安全门控制单片机的 CAN总线通信 2.4.1 CAN 总线的概述 对于一般控制，设备间连
17、锁可以通过串行网络完成。因此 BOSCH 公司开发了CAN 总线 (Controller Area Network 局域网控制器 )， 而且 取得国际标准化组织认证 (ISO11898)， 它的 总线结构可参照 ISO/OSI 参考模型 ，是目前国际上应用最为广泛的开放式现场总线之一 。 同时，国际上一些大的半导体厂商也积极开 发出支持 CAN 总线的专用芯片。通过 CAN 总线，传感器、控制器和执行器由串行数据线连接起来。它不仅仅是将电缆按树形结构连接起来， 它的 通信协议 与 ISO/OSI 参考模型中的数据链路层 相似 ，因电磁干扰而产生的数据错误网络可根据协议探测和纠正数据传输。 关于
18、CAN 网络的配制 相对 比较容易，允许任何站之间直接进行通信，而无需将所有数据全部汇总到主计算机后再行处理。 对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处， 比如说 较低的成本、较高的实时处理能力和在恶劣的强电磁干扰环境下可靠的工作。奔驰 S型轿车上采用的就是 CAN 总线系统 ；美国商用车辆制造商们也将注意力转向 CAN 总线；美国一些企业已将 CAN 作为内部总线应用在生产线和机床上。同时， 因为 CAN 总线可以提供较高的安全性， 所以 在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。 2.4.2 CAN 的工作原理 当 CAN 总线上的一个节点 (站 )发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的 11 位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识 符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。 当一个站要向其它站发送数据时， 该 站的 CPU 把 要发送的数据和自己的标识符传送给本站的 CAN 芯片，并处于准备状态；当总线分配 到 它时， 转为发送报文状态。 CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它
