MSP430單片機在公交車門安全系統中的應用研究

周 振

（攀枝花學院 工程技術學院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著國民經濟和中國汽車行業的高速發展，中國的汽車保有量已居世界前列。也造成了城市交通的擁擠，交通管理部門基于環境保護和能源節約的角度，大力提倡城市出行使用公交車作為主要交通工具。各地均大力發展公交汽車系統，采取了增加公交線路，改善公交車輛檔次及狀況等措施。但是，公交系統也存在著很多的問題，其中之一就是車門的快速有效的關閉和防夾安全問題，在很多城市中都發生過公交車門夾傷乘客的現象。公交車門的安全快捷的關閉及防夾安全問題提上了各城市公交公司及交通管理部門的日程。本文中，提出一種基于自適應控制的車門速度調節及安全防夾系統的簡易模型以有效控制車門的關閉及開啟運行狀態和安全防夾性能。

1 調速控制系統

1.1 控制核心選擇

MSP430F2131是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，處理器通過16位RISC系統，16位 CPU集成寄存器和常量發生器來獲得最大代碼效率，處理器功耗非常低，其低供電電壓范圍在1.8V 3.6V之間，在超低電流消耗模式下，可使用電池供電；最多可實現 8路12位 A/D轉換，I/O端口48個，UART 2個，內置 16位定時器2個，7路 PWM輸出等，因此片上外圍模塊非常豐富；有3種時鐘模塊：ACLK 、SMCLK和 MCLK，LFXT1可提供32768Hz的時鐘給外圍設備，LFXT2可提供8MHz 的時鐘供單片機運行使用，DCO 為單片機內部提供，并具有鎖相環，為系統提供一個內部時鐘源，當 XTALT2無法提供時，依靠DCO運行，整個時鐘可以通過DCOCTL BCSCTL1 BCSCTL2和 SR 等控制寄存器中相應的位來選擇和控制，以滿足使用的要求；有7 種源操作數，4 種目的操作數，其尋址方式非常豐富，而且只需要簡單的27條指令，而且存儲器可完成多種運算，片內寄存器數量多，查表處理方法高效，因此可以較容易的編寫出好的程序；該系列單片機支持在線仿真和編程，其編譯器功能強大，所以有高效方便的開發方式，加之具有FLASH存儲器，可利用單片機的 JTAG 接口或片內 BOOT ROM，在一臺 PC 及一個JTAG 控制器的幫助下實現程序的下載，迅速完成程序的在線調試，及時修改片內寄存器和內存的內容，大大提高了效率； MSP430系列單片機采用熔絲保密功能和 256位保密字相結合以充分保證安全，幾乎沒有解密的可能。又由于MSP430系列具有運行環境溫度范圍寬（-40 +85℃）、軟硬件的相兼容范圍非常廣等特點，因此目前被認為是自動控制高速化、低功耗化發展的的必然趨勢。因此本系統選擇MSP430F2131作為控制核心，其引腳功能和管腳排列如圖1所示。

1.2 驅動方式選擇

現在客車自動門多采用氣動開啟及關閉，存在著瞬態反應較慢、速度調節困難等缺點，本文中為了實現調速系統與防夾系統的互相適應，采用電機驅動的動力方式，無刷電動機在快速性、可控性、體積重量、經濟性等方面具有明顯的優勢。無刷電動機作為高性能調速電機的應用范圍越來越廣泛。也為本文中公交車門的改進提供了廣泛的產品基礎。

圖1 MSP430F2131引腳功能和管腳排列圖

1.3 控制方法

在公交汽車車門設計中，必須首先考慮的是車門的長期穩定可靠運行的需要。公交客車車門開閉頻繁，工作環境較差，潤滑等保障系統設置困難。而且同一輛客車的車門，也會隨著使用時間的增加，產生老化和磨損。其物理性能會發生變化。這種復雜多邊的特性和復雜的工作環境，不能使用精確的數學模型給予描述，因之借用自適應自動控制方法，使控制系統穩定可靠的工作。公交車門自動控制調速具有一定程度不確定性，也就是描述車門運動及運行環境的數學模型不是完全確定的。從系統內部來講，描述車門運動的數學模型的結構和參數，設計者事先并不一定能準確知道。而外界環境對車門速度控制系統的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產生的不確定因素進入系統。因之采用自適應系統，可以收集整理運行過程中的相關數據，達到更為良好的控制狀態，保證車門持續可靠的運行。

1.4 速度控制策略

為了獲得比較平穩的加減速特性，減少機械沖擊和增加過載狀況（夾到物體）下制動的靈敏度，在電機加減速時采用多段控制，加減速行程均為3段或以上加速方式。第一個階段，在車門獲得開啟或關閉信號時，加速度由零開始加大，加速過程為加速度遞增加速狀態。第二個階段，在車門運動速度達到一定程度時，采用勻加速狀態，加速度保持不變。第三個階段，加速過程為遞減加速運行狀態。在這3個階段中，第一階段和第三階段車門速度變化為曲線變化方式，第二階段為直線變化方式。然后進入減速運行方式，同樣的三個階段，直到車門達到關閉或開啟極限。

圖2 速度時間瞬態圖

在開始控制時由于沒有車門的運動信號進行比較，所以直接對車門速度進行控制。因此稱為“前饋”。前饋控制屬于開環控制，前饋控制器輸出到“前向通道”的信號（作用在控制系統的信號）稱為前饋信號。

由于車門系統的擾動最終要使系統偏離所要求的控制值，檢測到系統的擾動時系統并未發生偏離，這時候若能給系統的控制器加入一個前饋信號“提前”進行控制，就會有效地避免控制系統過大地偏離期望值。因此，在自動控制系統中通常說前饋控制具有改善系統的動態性能的作用。但是，由于前饋控制信號是在系統還沒有偏離期望值時就提供的一種控制，因此其控制精度較差。因此它的靜態精度較低。本系統中前饋控制與反饋控制配合使用。將前饋控制裝置和反饋控制裝置的參數設置為可變量，由自適應系統通過參考數學模型和實際系統的差異值來進行調整，保證二者差異趨向于最小。

2 安全防夾設計

現在中國的公交車輛很少設置有安全防夾系統，很多城市是通過制度或者條令來保障乘客安全，比如廣州市曾經頒布過關于公交車輛車門關閉后至車輛開動之間的規定，要求公交車輛必須在車門關閉后至少3秒才能行進。

這些安全規定及可視化措施有很大的用處，但由于乘客擁擠及公交車輛運行情況復雜的特點，還沒能有效防護乘車人員的上下車安全。

所以，關于公交客車車門安全防夾技術的研究就提上了日程。國家專利局確定了多項客車車門防夾技術的專利，均是利用電子壓力傳感技術來完成安全防夾的任務，通過軟管（申請號：200520073898）或設置于門軸上的凸輪（申請號：200520073784）來感受壓力，在壓力到一定程度（基準值為300KN左右）的情況下，自動打開，避免對乘客的損傷。這種單純的壓力感應式的車門防夾技術解決了車門夾傷人員的問題。但是仍然存在著夾住乘客衣物等較薄物體而產生拖帶的隱患。本文中使用紅外線探測輔以剛性物體整體承載式壓力傳感器的安全防護設計。

2.1 紅外線探測

紅外線三維探測光幕系統，由分別安裝在車門左、右兩個立柱上的發射器、接收器組成，發射器、接收器通過連接電纜與控制盒相連組成紅外線平行光幕，光幕產生的探測信號通過連接電纜集中在控制盒內由運算核心處理。可以在車門入口區域建立一個平面的覆蓋整個車門空間的探測范圍。有效的檢測范圍內存在的物體，迅速的反饋給控制核心，控制核心可通過控制電路使車門關閉動作停止或反轉，從而大大減少了門碰撞乘客的幾率。

2.2 剛桿式壓力感受裝置

在汽車車門防夾安全技術中，主要解決的問題是防止人員身體及攜帶物品被夾住。在這個問題中，只關心是否有物體被車門夾住，而不關心在車門的什么部位，以及被夾物品的各種特性等等問題。所以不考慮物品的被夾部位，可以將壓力感受部位設置成為一剛性的長桿，上下連接壓力傳感器并裝于車門對接口處，外面可包橡膠軟皮等物品以減少夾到人員身體時造成的傷害。當有物品被加住的時候，剛桿整體受力，壓迫上下的壓力傳感器。這樣的情況下上下的壓力傳感器數值不一樣，可選數值較大的一方作為評判基準，通過單片機與標準數值對比，輸出給車門電機控制系統，使其控制車門開啟，避免夾傷乘客。

經過雙重探測的車門防夾系統可以有效的保證車門開啟及關閉時的安全，但是也要考慮到在某些情況下，由于車門防夾系統的存在所造成的車門誤打開的情況。因之應設置防夾系統的作用時間，只有在車門受控制開始打開及關閉的時間段防夾系統運作。在車門完全關閉以后，即車門伸展至關閉狀態后，防夾系統為休眠狀態，避免發生誤打開車門的情況。

圖3 剛桿壓力系統結構圖

3 系統實現

本文中，調速控制與防夾控制共用一個系統控制核心，以MSP430單片機為核心，無刷直流電動機為驅動機的調速系統方案。系統的加減速控制采用曲線控制方式，提高了系統性能，增強了系統的適應性，并將自適應控制應用于系統，使系統可以很好地滿足公交車門所面臨的各種復雜工況。整個控制系統由計算控制電路、視覺及聽覺警告電路、驅動和保護電路、開關執行機構及開關狀態反饋電路組成。控制電路根據設定參數和外部輸入的信號，完成計算及邏輯控制任務；視覺及聽覺警告電路在車門過載（夾到物體）時以聲音或燈光閃爍等形式向駕駛員提請注意，以采取相應保護措施。驅動和保護電路完成電機與車門的驅動，并在過載（夾到物體）時反向驅動車門運動，確保系統的安全可靠；開關執行機構包含步進電機及門軸等結構，完成車門開啟、關閉、調速及反轉等功能。開關狀態反饋電路作用在于限制車門防夾系統的作用時間，避免在車門關閉好以后，由于外界影響而使控制核心產生誤判斷而打開車門。同時兼顧了緊急狀態下，車門必須能在緊急疏散鈕的作用下打開，這也要求車門系統應具備備用電源，可供車門開啟2次以上。在備用電源不起作用時，應能以普通人的力量強行向兩邊打開車門。

4 結束語

本文對公交客車車門的調速和防夾系統進行探討及系統設計。主要完成的功能是更好的控制車門開啟及關閉的速度及防止乘客夾傷及物品被車門夾住拖帶造成的嚴重后果。提出了一種車門控制及驅動以及車門防夾的二合一設計方案。可以比較方便的對現有公交車輛進行改進。該系統工作穩定、可靠，能滿足安全要求。

[1] 謝新民, 丁鋒. 自適應控制系統[M]. 清華大學出版社,2002.

[2] 魏連榮, 朱益江. 交直流調速系統[M]. 北京師范大學出版社, 2008.