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(tǒng)、景區(qū)檢票系統(tǒng)，小區(qū)、辦公門禁系統(tǒng)。其最基本最核心的功能是實現(xiàn)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(tǒng)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(tài)的適應性。設計目標為實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)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(wěn)。

限位裝置：是實現(xiàn)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(xiàn)，通過檢測限位輪上的立柱來確定閘桿旋轉狀態(tài)。

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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tài)，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(xù)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)，一般采用傳感器陣列的方式進行獲取狀態(tài)，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(tài)[5]?？刂品桨钢胁捎?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(tǒng)的安全尤其重要。系統(tǒng)采用光電耦合器實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)生器進行設置并通過外部電機驅動模塊實現(xiàn)對電機的控制，余下只需實現(xiàn)對電機的啟?？刂萍纯伞Ｓ捎趩纹瑱CIO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(xiàn)。

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(tǒng)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(guī)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(wěn)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(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(guī)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(huán)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(fā)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(xiàn)既定的功能，有效地改善了現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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.

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[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(tǒng)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.

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[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(yè)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(tǒng)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(fā)實例[M]. 北京：清華大學出版社，2005.