闸机控制器硬件设计

闸机控制器硬件设计1 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.2 国内外研究现状1.3 本论文的主要内容2 闸机的工作原理2.1 闸机的简单介绍2.2 闸机的通行控制2.3 闸机组成3 闸机扇门控制系统总体方案设计3.1 系统功能描述3.2 系统目标描述3.3 系统方案分析与总体框架4 闸机扇门控制系统硬件设计4.1 闸机中的人体识别概述4.2 检测模块设计4.2.1 通道检测传感器4.2.2 通道检测的设计思想4.2.3 闸机传感器设计区域分类4.2.4 闸机传感器各区域设计方案4.3 扇门控制子模块4.3.1具体方案的描述4.3.2 硬件具体结构4.3.3 ARM控制单元4.3.4电源管理单元4.3.5电机控制与驱动单元4.3.6 扇门极限位置检测单元4.3.6.1 限位开关电路4.3.6.2 传感器的布局4.3.6.3 传感器的接口电路4.4 报警电路的设计4.5 电源模块4.6 存储器扩展模块4.7 显示模块5 闸机扇门控制系统软件设计5.1 主控模块5.2 采集模块5.3 显示模块5.4 识别模块6 总结闸机控制器硬件设计1 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着轨道交通的快速发展，自动售检票系统也变得越来越重要，它不仅为乘客提供便捷的自动检票与自动售票服务，而且也给轨道交通部门提供了可靠的数据，以便进行更加科学有效的管理。

我国城市轨道交通自动售检票系统和设备，最初是从美国引进的，近年来我国已进行了大量的开发和研制工作，提供了多种形式的产品，技术水平也在不断提高。

（轨道交通AFC系统发展介绍）随着近几年轨道交通建设的快速发展，自动售检票机的需求量也是与日俱增，但是国内生产的自动售检票设备不管是从功能上还是质量上都远远不能满足类似我国这种人口大国的需求，如果采用进口的方式解决问题，投资成本势必会增大很多，此外研究出更加功能强大的自动售检票设备还有以下的意义：有利于提升轨道交通行业的社会形象和服务区域形象有利于提高运营管理水平，保障票务收益有利于管理责任的落实，保证交易数据和票务信息的安全有利于简化操作，方便出行，提高乘客的出行效率有利于提供准确的客流及票务统计分析数据有利于减少现金交易，人共记账及统计工作，提高准确率和效率（城市轨道交通自动售检票系统概述）因此，我国必须加大对自动售检票设备的研发力度，争取早日使我国的轨道交通系统更加智能化和高效化，以适应轨道交通快速发展的要求。

1.2 国内外研究现状地铁自动售检票系统是伴随着轨道交通事业的发展应运而生的，时至今日已有二三十年的历史，其各项性能和指标日臻完善，是一个完整的自动化运营体系。

在国际市场上具有自主研发和生产能力的AFC公司不乏其多:如法国泰雷兹、澳大利亚亿雅捷、美国摩托罗拉·日本信号、日本东芝、日本欧姆龙、瑞典固力保、瑞士亚斯康集团、韩国三星[徐岩宇，地铁自动售票系统国产化讨论，城市轨道交通研究，2001，3]等。

我国自动检票系统经历了一个从无到有的过程，现在己经处于高速发展时期，地铁、公交、铁路客运系统都对AFC有迫切的要求。

国内一些研究单位和厂家都在积极进行这方面的研发。

一些公司己经可以自主研发和生产自动售检票设备。

例如，中软AFC事业部己完成了北京地铁13号线AFC系统升级改造工程和首都机场线AFC系统的建设，为其提供了拍打门式自动检票机(己做过实际测试)，和剪式门自动检票机;上海华铭智能终端设备有限公司为天津地铁1号线自动售检票系统项目和广州地铁3号线自动售检票系统项目提供两种型号的剪式门自动检票机[博科资讯ERP成功进驻智能终端设备行业，][]。

为了加速自动检票系统性能的提高，有一大部分企业采取了将系统组件拼装的方式，通过简单的组合和替换完成产品的更新，而忽视了其中核心部件核心技术的研发，例如工控机管理调度系统、闸门系统、乘客检测系统，这样以来虽然表面上有所改进，但实质上对运营能力并未有大的改善，这些核心模块的劣势导致了自动检票机在推广过程中遇到了重重困难，很多场合使用人工检票反而效果更佳。

目前我国高速铁路技术和城市轨道交通技术并驾齐驱，正在或已经达到世界先进水平，那么如何构建与之匹配的同样高科技的自动售检票系统便是当务之急。

以深圳地铁为例，自动售检票系统设计之初的承载量在几年内便成倍的增长，如若不予升级和改造将无法继续胜任。

实际运行中发现在多线路换乘站，列车到达和离开时_均会形成乘客拥堵现象，由于闸机阻挡机构的存在使得其放行速度无法与乘客出站的通行速度相匹配，一部分乘客不愿排队等待，于是采取各种非法通行的手段越过闸机，不少乘客携带储值票离开，致使地铁票务管理部门损失大量的储值票，票务紊乱，同时大规模人群会对闸机造成一定的破坏性(如扇门等机构失效);此外付费区空间有限，如果乘客长时间堆积，密度大很容易造成踩踏事件，一旦发生火灾或其他异常状况很难及时的疏散，其后果不堪设想【方锦煌.提高地铁自动售检票系统设备的技术性能[[J].城市轨道交通研究，2007: 58】。

由此可见我们需要从我国人口密度大的国情出发，开发出一套既满足各项性能参数又安全可靠的闸机系统，才能够适应现代人的出行要求。

1.3 本论文的主要内容第一章，绪论。

主要对课题的背景和意义进行了叙述，指出了闸机研究的必要性，然后还谈到国内外自动售检票系统的发展现状。

第二章，闸机的工作原理。

主要对闸机、闸机的通行控制以及闸机的组成进行了介绍。

第三章，闸机扇门控制系统总体构架。

首先提出了本系统的具体功能和需要达到的目标，之后根据这些要求分析了几种方案并相互比较，从而确定系统组成框架。

第四章，闸机扇门控制系统硬件设计。

2 闸机的工作原理2.1 闸机的简单介绍闸机，是一种通道阻挡装置（通道管理设备），用于管理人流并规范行人出入，主要应用于地铁闸机系统、收费检票闸机系统。

其最基本最核心的功能是实现一次只通过一人，可用于各种收费、门禁场合的入口通道处。

中国最早应用闸机是80年代期间，用于地铁项目中。

闸机作为“自动售检票系统AFC”中的“自动检票机”的主要设备，也是目前国人对闸机最早和最广泛的理解。

90年代后期，闸机才渐渐出现在普通民用和商用场合，包括写字楼、商场超市、景区乃至高端小区等。

需要指出的是，闸机和检票机不是完全相同的概念。

检票机包括自动检票机和便携式检票机，自动检票机是闸机结合票务系统的一种具体应用。

闸机的范围更广，只要是用于管理人流出入且能满足一次只通行一人的设备都可以视为广义的闸机。

根据对机芯的控制方式的不同，分为机械式、半自动式、全自动式，。

有些厂商会把半自动式称为电动式，把全自动式称为自动式。

机械式：是通过人力控制拦阻体（与机芯相连）的运转，机械限位控制机芯的停止；半自动式：是通过电磁铁来控制机芯的运转和停止；全自动式：是通过电机来控制机芯的运转和停止。

通过控制机芯的运转和停止，从而进一步控制拦阻体的开启和关闭。

根据同一台闸机所含机芯和拦阻体数量的不同，闸机可分为单机芯（包含1个机芯和1个拦阻体）和双机芯（包含2个机芯和2个拦阻体，呈左右对称形态）。

根据拦阻体和拦阻方式的不同，可以分为三辊闸、摆闸、翼闸、平移闸、转闸、一字闸等。

2.2 闸机的通行控制站台被闸机分成付费区和非付费区两部分，当乘客进站时也就是从非付费区前往付费区时，此时需要进行刷卡，扇门打开，顺利进入；当乘客出站时也就是从付费区前往非付费区时，则需要把票卡送到回收装置内，扇门打开，顺利出站。

如图2.1，闸机组由三部分构成：分别是主闸机，从闸机和中间闸机。

其中中间闸机可分为左右两个独立的部分，它们之间没有任何联系但是却集中在一个闸机壳内。

左部分受闸机左通道控制，右部分受闸机右通道控制，每个通道都有功能相互联系的两个部分构成，安装通道控制模块的一边被称为主闸机，负责控制并保证闸机功能的实现，剩下的部分被称为从闸机，用来接收命令，配合主闸机完成所要求的功能。

图2.1 闸机组示意图2.3 闸机组成从外向内闸机可以分两大部分闸机外壳和闸机内部各模块组成，闸机外壳一般由一个不锈钢机箱组成，闸机内部一般包含电源模块、单程票回收模块、乘客信息显示模块、非接触式票卡读写模块、闸机状态显示模块、扇门控制系统模块、主电路模块、维护模块和加热模块等。

从而组成闸机的组成结构框图2.2【宁斐，滑蓉，周子杜铁路客运专线自动检票机关键技术研究，铁路计算机应用，2009，18（8）；18-2】图2.2 闸机组成结构框图3 闸机扇门控制系统总体方案设计3.1 系统功能描述闸机扇门控制系统需要完成两大功能的设计；乘客在搭乘地铁时，在闸机入口处，闸机能够对乘客进出口方向和乘客通过次序以及乘客通过人数等方面问题能够进行有效的控制，能够及时的检测乘客在通道中的通行情况，并对乘客的通行行为进行有效的监控。

当乘客刷卡成功后，阻挡装置系统管理通道，扇门打开，将乘客放行到付费区。

3.2 系统目标描述（1）闸机一次只允许一位持有效车票的乘客通过。

（2）闸机应该能够区分乘客和与其一起的身高不满1.2米的儿童以及手拉箱、背包、挎包、宠物等物品。

（3）闸机应该能够监测、辨别并且能够阻止非正常通过的情况。

（4）闸机扇门的动作方式和开关速度应保证持有效车票的乘客可以无停滞的通过，并能够快速地、无伤害地阻挡试图非法通过闸机的乘客。

（5）当扇门关闭时，如果安全区检测到有物体时，能够立即反转打开。

（6）扇门的开关应该保证完全到位。

当扇门完全开启时，扇门不能影响乘客的正常通过。

（7）闸机扇门应该可以通过调整参数使得扇门处于常开或常闭状态。

当闸机处于常开状态时，如果有乘客试图非法通过时，闸机扇门能够及时关闭。

此外在暂停或者处于关闭模式状态时，闸机扇门能够自动关闭。

当闸机处于常闭状态时，如果闸机接收到一张有效车票后，扇门打开。

乘客通过后，扇门在参数设置的时间段内若没有接收到下一个乘客的有效车票或检测到有乘客试图无票通过时，将关闭扇门。

在断电情况下，扇门应能自动打开。

（8）由于闸机扇门使用频率高，因此要保证其可靠性和一定的使用时限，且如果遇见故障需要维护时，控制板可以很容易的拆卸与更换。

3.3 系统方案分析与总体框架4 闸机扇门控制系统硬件设计4.1 闸机中的人体识别技术研究4.2 检测模块设计4.2.1 通道检测传感器通道检测传感器的作用是对闸机系统中通过的行人进行计数，具体做法是将传感器安装在闸机的外壳上，通过传感器的状态检测乘客的位置和方向，这里选用的传感器是红外对射式传感器，它是由一对红外线发射接收管经过电路变换成开关信号后的成品，其内部集成了放大电路。

通常为集电极开路输出（PNP）。

传感器的受光器和投光器分别被安装在通道内左右两侧的闸机上，当乘客通过时，根据受光器是否接收到红外光束来判断乘客的通行状态，通过逻辑电平“1”和“0”来表示状态，“1”表示无人通过，“0”表示有人通过。