一種全自動三輥閘機芯設計

丁旺，徐駿善

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

閘機作為通道管理設備，主要功能在于對乘客所持票據進行有效性檢驗并控制乘客進出站[1]，廣泛應用于軌道交通檢票系統、景區檢票系統，小區、辦公門禁系統。其最基本最核心的功能是實現一次只通過一人，方便行人安全快速地通過閘機通道。本文旨在對傳統三輥閘機芯進行改進，使其在運用時無需人為推動閘桿即可通過，同時增強機芯對行人狀態的適應性。設計目標為實現機芯全自動工作，即行人刷卡后，機芯自動旋轉，行人只需跟隨即可通過閘機。此外對于行人推動閘桿快速通過、拉住閘桿等情況給予解決方案，確保行人在通道中的安全。

1 機芯結構總體方案設計

1.1 全自動三輥閘機芯簡述

全自動三輥閘機芯配有一部電機，機芯的所有運動均由此電機提供，配合位置檢測傳感器以及限位裝置，實現對行人的有效管理，整個過程不需要行人推動閘桿即可完成通行。閘機內部組成如圖1所示。

圖1 閘機內部組成

1.2 全自動三輥閘機芯功能需求分析

全自動三輥閘機芯作為閘機的核心工作裝置，應具備以下功能：單向通行反向禁止；閘桿自動起落；授權后閘桿自動旋轉，無需行人推持；正常情況下機芯鎖止，防止行人強行通過；減少金屬撞擊，降低機芯工作產生的噪聲。

通過調查發現目前三輥閘機有2個突出問題未能很好地解決：1) 機芯的定速工作模式直接影響到通過率的提高，無法滿足部分行人快速通過；2) 行人由于某種突發事件停留在通道，而此時機芯仍在轉動，勢必會對行人造成一定的傷害。本設計將從機械結構方面予以解決。

1.3 全自動三輥閘機芯結構功能劃分

鑒于以上對于全自動三輥閘機芯的功能需求分析，結構上可以分為以下幾部分：動力裝置、傳動裝置、限位裝置、落桿裝置、閘桿安裝裝置以及結構支撐裝置[2]。

動力裝置：設計中，根據行人通過閘機所需時間、閘桿旋轉角度，以及閘桿與主軸的轉動慣量計算可得整機所需功率為45 W。據此確定電機參數為24 V直流減速電機，額定功率為60 W，額定轉速30 r/min。

傳動裝置：機械傳動主要包括齒輪傳動、鏈輪傳動、皮帶傳動、以及蝸輪蝸桿傳動[3]，基于設計中的功能要求，選擇5M型圓弧齒同步帶傳動，既保證了良好的傳動比，同時降低了傳動過程中產生的噪聲，使整個傳動過程更加平穩。

限位裝置：是實現閘機一次通行一人的關鍵裝置，即每次收到授權信號之后，限位裝置解除鎖定，閘桿旋轉120°之后，重新鎖止完成一次放行，設計采用限位輪以及位置檢測傳感器實現，通過檢測限位輪上的立柱來確定閘桿旋轉狀態。

落桿裝置：緊急落桿是一項不可缺少的功能之一。在緊急情況下，必須能夠做到讓行人快速通過閘機以減少對行人的傷害。設計中的落桿機構具有自動復位功能，徹底擺脫了傳統機芯手動上桿的麻煩。

1.4 全自動三輥閘機芯結構設計

基于上述功能實現并結合實際加工工藝條件，設計出如圖2所示的機芯方案。

對目前三輥閘機兩個突出問題的解決方案為：1) 將限扭裝置安裝在電機與小帶輪之間，安裝時將其轉矩設為一定值，當電機帶動閘桿旋轉時，若行人停在中間，超過限扭值則斷開傳動，從而保護行人安全。設計中轉矩值設定在15～20N·m。2) 在主軸與大皮帶輪之間裝一個單向軸承，因其具有單向可超越性，行人在通行過程中若想快速通過通道的時候，只要推動閘桿即可快速通過，從而提高閘機的通過率。

1—限位安裝板；2—左限位電磁鐵；3—右限位電磁鐵；4—電機； 5—電機座板；6—安裝主板；7—落桿機構；8—限位傳感器； 9—限位傳感器支架；10—限位輪；11—左限位卡子；12—左限位卡子 支撐；13—立柱；14—右限位卡子支撐；15—右限位卡子；16—小軸承； 17—主軸；18—限扭裝置；19—小皮帶輪；20—同步帶； 21—大軸承；22—大皮帶輪；23—單向軸承圖2 機芯結構圖

2 機芯控制系統方案設計

2.1 機芯動作流程分析

機芯工作流程(圖3)：當機芯控制板收到如刷卡信號的開啟命令之后，控制左端限位電磁鐵動作，打開左限位，電機帶動閘桿旋轉15°，提示行人可以通行，此時電機進入等待狀態，若檢測到行人正常進入閘機通道，則控制板控制電機按設定的速度繼續旋轉到120°，關閉左側限位開關，此時行人通過閘機，機芯雙向鎖死。若行人刷卡后在設定時間內(假設8s)未進入閘機，則判定為此次通行結束，電機工作帶動閘桿旋轉進入下一個工作位置，雙向鎖死。在通行過程中行人若想快速通過閘機，只需輕輕推動閘桿，即可快速通過閘機。如因緊急情況，行人在閘機中間逗留，也不會發生客傷事件。

圖3 機芯動作流程圖

2.2 機芯控制電路設計

控制系統采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片基于Cortex-M3具有256K的FLASH,48K的SRAM，最高工作頻率72 MHz[4]。

控制系統主要包括：傳感器采集電路、電機控制電路、電源電路、電磁鐵與限位開關電路(圖4)。

圖4 控制系統總體框圖

1) 傳感器采集電路

為了獲得行人在通道里的通行狀態，一般采用傳感器陣列的方式進行獲取狀態，根據成年人平均身體特征在閘機通道兩側布置傳感器，通過通行算法識別出行人的通行狀態[5]。控制方案中采用4對紅外光源型透過式光電開關。

該傳感器分為投光器和受光器，二者配合使用，其工作特性為，當受光器與投光器之間無阻擋時信號輸出高電平，反之為低電平。因信號可能會產生意外的高壓，因此對傳感器信號進行有效的隔離對保證單片機系統的安全尤其重要。系統采用光電耦合器實現信號隔離。

2) 電機控制電路

設計采用的電機為24V有刷直流減速電機，其控制相對簡單，只需實現電機的啟停以及PWM波控制電機轉速即可。利用STM32內置的PWM發生器進行設置并通過外部電機驅動模塊實現對電機的控制，余下只需實現對電機的啟停控制即可。由于單片機IO驅動能力有限，若想驅動電機必須增強IO的驅動能力，方案中采用三極管與繼電器配合的方式實現。

3) 電源電路

電源模塊電路如圖5所示，電路中的干擾有很大一部分來自電源輸入端，因此處理好電源電路至關重要。本系統中采用LM2576S-5.0[6]先將24 V電源轉換成5 V，再利用AMS1117-33將5 V轉換為3.3 V為單片機供電。LM2576S-5.0、AMS1117-33具有熱損耗小，轉換效率高且可以較好地抑制高頻干擾；電源輸入端CZ1、CZ為磁珠，可濾掉高頻和尖峰干擾，R43為壓敏電阻、B1為安規電容，二者作用是保護電路吸收尖峰高電壓脈沖[7]。D18、D19為穩壓二極管用以防止電源反接對電路的影響。CE1為大容量電解電容用以去除低頻信號，輸出端使用LC進行濾波進一步降低電壓紋波和噪聲[8]。

圖5 電源模塊電路

2.3 硬件抗干擾設計

為了實現穩定可靠的控制系統，主要采用以下幾種抗干擾措施。

1) 有效的隔離措施：常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離等[9]，本系統中對傳感器信號均采用了光耦隔離，對于外設驅動電路則采用了繼電器隔離。

2) 良好的接地處理：在PCB布線時地線的線徑應大于主線徑，采用敷銅處理且連接到地線。

3) 合理的布線：PCB布線時嚴格按照布線規則，盡量使用45°折線，減少高頻信號干擾，高速線路采用短線和直線，信號線不要形成電流環路[10]。

3 測試與調試

全自動三輥閘機芯完成后，對其功能和性能進行了大量測試，主要進行以下4方面測試。

1) 通過率檢測

測試條件1：通行時間設置為3s，行人緊跟隨機芯動作通行。

測試結果：通行速度在 20～25人/min。

測試條件2：通行時間設置為3s，行人推動閘桿快速通行。

測試結果：通行率>30人/min。

2) 安全性檢測

測試條件：行人在通道內停留。

測試結果：限扭裝置工作，切斷傳動，有效地保護行人在通道中的安全。

3) 超時未進閘機檢測

測試條件：授權后，8s內未進入閘機通道。

測試結果：機芯自動關閉閘門的動作。

4) 自動落桿檢測

測試條件：觸發緊急落桿按鈕。

測試結果：閘桿自動下落，并且在下一工作流程自動復位。

上述測試結果表明，設計中的機芯能夠很好地滿足和實現既定的功能，有效地改善了現有機械式和半自動式三輥閘的缺點，更加擴大了三輥閘的應用范圍。

4 結語

全自動三輥閘機芯的設計主要包括了機械結構和硬件電路的設計。機械設計方面特別論述了單向軸承和限扭裝置在本設計中的作用，硬件電路方面對該控制系統中的主要控制電路進行描述，并進行了機芯的測試調試工作。結果表明本設計中的全自動三輥閘機芯很好地繼承了傳統三輥閘機芯一桿一人，有效防止逃票，同時又具備了自動閘機方便易操作，有效保護行人的安全，對三輥閘是非常有效的改進。

參考文獻:

[1] 寧斐，滑蓉，周子社. 鐵路客運專線自動檢票機關鍵技術研究[J]. 鐵路計算機應用，2009,18(8)：18-21.

[2] 申香梅，廖東玲. 深圳地鐵自動售檢票系統方案[J]. 地鐵與輕軌，2001(1)：7-10.

[3] 濮良貴. 機械設計[M]. (第九版)北京：高等教育出版社，2013.

[4] http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/59/b9/ba/7f/11/af/43/d5/CD00171190. pdf/files/CD00171190. pdf/jcr: content/translations/en.CD00171190.pdf.

[5] 李建省，張美鳳. 地鐵閘機控制系統中人體識別技術的研究與應用[J]. 電氣傳動自動化，2008,30(1)：22-24.

[6] 周志敏，周紀海，紀愛華. 單片開關電源[M]. 北京：電子工業出版社，2007:34-37.

[7] 趙同賀. 新型開關電源典型電路設計與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[8] 黃繼昌，仝慶居，敲蘇文. 電源專用集成電路及其應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2006：113-115.

[9] 王幸之，王雷，王閃. 單片機應用系統抗干擾技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[10] 劉文濤. 單片機應用開發實例[M]. 北京：清華大學出版社，2005.