基于51单片机列车车门自动开关测试台开发

一、  概述

车门自动开关测试台是基于51单片机控制技术开发的一套面向DG2号线电客车车门系统的功能测试工装。该工装具有多种车门开关控制模式：单侧门集控、双侧门集控、独立门控制，可应用于多种车门系统作业场合，如车门800次开关测试，配合车门夹紧力测量等。该工装的使用可明显地节约人力成本，提高作业效率，减轻作业劳动强度。

二、  项目背景

该项目是在DG2号线电客车再调试与预验收阶段提出来的。电客车验收阶段，发现车门系统出现故障的情况较频繁，特别在8月接待市委和媒体考擦的时候，意外地出现下档销松脱故障。为提高车门系统的运行可靠度，尽最大程度降低车门系统在正线运营期间发生故障的概率，车辆部检修分部提出了车门多次开关门测试，目的是在预验收阶段对车门系统模拟运营期间高强度的工况，提前尽可能地暴露车门系统故障隐患，及时整改处理，提高车门系统的可靠性能，保障DG2号线的顺利运营。

此外，港铁、广州地铁、深圳地铁在运营开通前也会对车门系统进行多次频繁的开关门功能测试。如港铁的工艺标准是1500次，广州地铁的工艺标准是1000次。DG2号线的暂定工艺标准是800次。

而800次的开关门作业属于高强度作业，如果安排人工手动按钮测试，根据现有的作业安排标准，每场作业需要8小时6人次轮班作业（具体工作量还需要核算），人力成本高，作业量大，劳动强度高。为解决此问题，需要一套自动发出控制开关门指令的工装设备，代替人工。所以检修分部提出了设计一套车门自动开关测试台，以满足现场作业需求。

三、  项目基本内容

3.1 总体功能设计

车门自动开关测试台主要用以实现多次频繁的自动开关门操作，在此基础上根据检修人员的操作需求，需要增加辅助的功能以方便检修人员的操作，如：允许用户根据现场列车的调试需要调节开关门测试次数，实时查看作业进度和提醒控制装置的工作状态。根据不同的调试作业需求（车门800次开关测试、全车夹紧力测量、单门多次开关测试），需要设置几种不同的工作模式。总结如下表1、表2。

表1 车门自动开关测试台功能设计

功能	说明
整车开关门	集中控制单侧或双侧开关门
独立开关门	独立控制单个门
作业进度显示	实时显示开关门操作次数
作业次数设置	根据需要设置开关门操作次数
指示灯	实时显示工装运行、结束、故障等工作状态
开关按钮	允许激活或暂停作业按钮

表2 车门自动开关测试台工作模式设计

工作模式	说明
集控开关功能测试模式	测试全列车开关门功能
本控开关功能测试模式	测试单独车门开关门功能
配合夹紧力测量工作模式	根据夹紧力测量工艺配合操作开关门

3.2 工装与车门系统的接口方案

在考虑工装与车门系统的接口方案设计时，需要方便调试技术人员安装和操作，且尽可能减少对列车现有设备的变动，减少对其它系统的作业干涉。 根据该原则和车门系统的电路布线（DG2号线电客车布线图DOR-1和DOR-3），选择在司机室右侧电器柜的端子排和继电器端子处接线。在端子排处以插拔式接口接线，简便快捷，无需拆卸箱体盖板，容易恢复设备原状态。接线电路原理图如下图1、图2。

 

图1 开门接线电路原理

 

图2关门接线电路原理

 

3.3 工装的硬件设计

车门自动开关测试台是基于89C51单片机控制技术开发的。单片机是该工装装置的控制核心，通过输入输出端口（IO口）连接外围设备，如：继电器、七段数码管、拨码开关、LED等，实现控制目标对象的功能。根据工装装置的设计功能，需要控制电客车双侧车门开关动作，实时显示开关门作业次数进度，手动设置开关门作业次数，实时提示装置工作状态等功能，共需要25个IO口，需要满足定时器的支持。根据这两项关键功能需求指标，选择型号“89C52RC”单片机。该单片机的正常工作电压为DC 5V，功耗极低，具有32个IO口，支持定时器功能，满足工装装置的开发功能需求。另外，该单片机支持C语言，支持串口ISP，方便程序开发和功能调试，极大简化了开发流程，提高开发效率。

根据车门自动开关测试台的功能，除了单片机控制芯片，还需要选择外围支持性元器件已满足功能开发，元器件选择见表3。另外，元器件的选型见附件1。

表3 元器件选择

需求项目	外围设备
控制器	单片机
控制回路	四路继电器
显示	四位七段数码管
作业次数输入	8位拨码器
激活开关及模式选择开关	独立按键
状态提示	独立LED

由表3可以看到，单片机的外围设备有：继电器、七段数码管、拨码器、独立按钮、LED。这些外围设备通过单片机的IO端口连接，总体结构图如下图3。工装的由直流5V电源直接供电至单片机的电源端口，用户可以预先通过拨码开关设置本次开关门作业次数，通过独立按键选择作业模式（整车开关门测试模式、独立车门开关门测试模式、配合车门夹紧力测量模式），通过LED的闪烁状态观察工装的运行状态，通过七段数码管了解作业的进度；另外继电器连接车门系统的电路，由单片机输出的高低电平控制其断开与闭合，从而控制车门的开关。

 

图3 总体结构图

3.4 工装的软件设计

该程序的实现使用的是C语言，软件开发平台是Keil uVision。根据工装的功能和元器件，软件需要处理的对象有：管理继电器按预设周期的得失电、管理拨码开关获取作业次数设置、管理四位七段数码管显示作业进度、管理单个LED灯显示工装工作状态、管理单个按钮作为软件激活开关和工作模式选择器。软件总体流程设计如下。

图4 开关门软件流程图

3.5 工装的制作与包装

工装的制作方面，由于开发资金和时间上的限制，在现阶段第一版本的工装采用了组装法制作，在淘宝采购经济的零部件模块，减少开发时间成本和物料成本。组装的零部件清单如下。

表4 组装零部件清单

序号	零部件	图样
1	89C51单片机最小系统板及下载器
2	8路继电器模块
3	220V AC转5VDC 开关电源
4	拨码开关
5	按钮
6	LED
7	色环电阻
8	杜邦线及铜芯线
9	工控盒
10	4位七段数码管
11	手提工控箱

由于在采购模块化零部件上的限制，目前组装好的工装较简单，体积较大，包装也较简陋，功能上也有一定限制。后期可以考虑集成化设计PCB电路板，使用贴片式的元器件，减少体积，提高装置的可靠性。

 

 

——附件1——

l  开关电源选型说明：

项目	说明
型号	S-30W-5
输入电压	AC 200-240V  50HZ
输出电压	DC 5V
额定功率	30W
反接保护	支持
尺寸	59*86*39mm

开关电源的作用是将现有的高压交流电转换为低压直流电，为设备提供适配的电压和功率输出。考虑电客车现有的方便插座电源的电源供给是“AC 220V”，对象设备所需要的电源是“DC 5V”，故选择型号“S-30W-5”的开关电源。此开关电源体积小巧、性能稳定、功率较高，且具有正负极反接保护性设计，在使用功能上满足设计需求。

l  单片机选型说明：

项目	说明
型号	89C52RC
封装	40针双列直插（DIP）
工作电压	DC 5V
工作温度范围	-40～+85℃
通用IO口	32个
定时器	支持
在系统可编程（ISP）	支持串口下载程序
正常模式功耗	4mW～7mW
可开发性	支持C语言，简单易开发
实用性	经济、零件易采购

单片机的作用是该工装装置的控制核心，通过输入输出端口（IO口）连接外围设备，如：继电器、七段数码管、拨码开关、LED等，实现控制目标对象的功能。

根据工装装置的设计功能，需要控制电客车双侧车门开关动作，实时显示开关门作业次数进度，手动设置开关门作业次数，实时提示装置工作状态等功能，共需要25个IO口，需要满足定时器的支持。根据这两项关键功能需求指标，选择型号“89C52RC”单片机。该单片机的正常工作电压为DC 5V，功耗极低，具有32个IO口，支持定时器功能，满足工装装置的开发功能需求。另外，该单片机支持C语言，支持串口ISP，方便采购，极大简化了开发流程，提高开发效率。

l  继电器选型说明：

项目	说明
型号	SRD-05VDC-SL-C SONGLE®
控制电压	DC 5V
触点容量	DC 30V/10A
尺寸	15*18*15mm

继电器是用以控制电客车双侧车门开关门控制回路的导通或断开，而继电器本身是连接单片机IO口，受到单片机输出的高低电平控制闭合或断开，故选择控制电为DC 5V控制的继电器。该型号继电器体积轻巧，方便使用，常用于工况较理想的工控环境、智能家居、汽车电子控制等领域，其触点直流电流容量高达10A，功率容量高达300W，可满足大部分应用工况。而电客车的开关门控制回路的控制电压是直流110V，功率是XXXW，综合衡量满足设计要求。另外，由于此处对于触点的动作响应时间要求低，故该因素不作考虑。