MSP430单片机在公交车门安全系统中的应用研究

周 振

（攀枝花学院 工程技术学院，攀枝花 617000）

0 引言

随着国民经济和中国汽车行业的高速发展，中国的汽车保有量已居世界前列。也造成了城市交通的拥挤，交通管理部门基于环境保护和能源节约的角度，大力提倡城市出行使用公交车作为主要交通工具。各地均大力发展公交汽车系统，采取了增加公交线路，改善公交车辆档次及状况等措施。但是，公交系统也存在着很多的问题，其中之一就是车门的快速有效的关闭和防夹安全问题，在很多城市中都发生过公交车门夹伤乘客的现象。公交车门的安全快捷的关闭及防夹安全问题提上了各城市公交公司及交通管理部门的日程。本文中，提出一种基于自适应控制的车门速度调节及安全防夹系统的简易模型以有效控制车门的关闭及开启运行状态和安全防夹性能。

1 调速控制系统

1.1 控制核心选择

MSP430F2131是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，处理器通过16位RISC系统，16位 CPU集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率，处理器功耗非常低，其低供电电压范围在1.8V 3.6V之间，在超低电流消耗模式下，可使用电池供电；最多可实现 8路12位 A/D转换，I/O端口48个，UART 2个，内置 16位定时器2个，7路 PWM输出等，因此片上外围模块非常丰富；有3种时钟模块：ACLK 、SMCLK和 MCLK，LFXT1可提供32768Hz的时钟给外围设备，LFXT2可提供8MHz 的时钟供单片机运行使用，DCO 为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当 XTALT2无法提供时，依靠DCO运行，整个时钟可以通过DCOCTL BCSCTL1 BCSCTL2和 SR 等控制寄存器中相应的位来选择和控制，以满足使用的要求；有7 种源操作数，4 种目的操作数，其寻址方式非常丰富，而且只需要简单的27条指令，而且存储器可完成多种运算，片内寄存器数量多，查表处理方法高效，因此可以较容易的编写出好的程序；该系列单片机支持在线仿真和编程，其编译器功能强大，所以有高效方便的开发方式，加之具有FLASH存储器，可利用单片机的 JTAG 接口或片内 BOOT ROM，在一台 PC 及一个JTAG 控制器的帮助下实现程序的下载，迅速完成程序的在线调试，及时修改片内寄存器和内存的内容，大大提高了效率； MSP430系列单片机采用熔丝保密功能和 256位保密字相结合以充分保证安全，几乎没有解密的可能。又由于MSP430系列具有运行环境温度范围宽（-40 +85℃）、软硬件的相兼容范围非常广等特点，因此目前被认为是自动控制高速化、低功耗化发展的的必然趋势。因此本系统选择MSP430F2131作为控制核心，其引脚功能和管脚排列如图1所示。

1.2 驱动方式选择

现在客车自动门多采用气动开启及关闭，存在着瞬态反应较慢、速度调节困难等缺点，本文中为了实现调速系统与防夹系统的互相适应，采用电机驱动的动力方式，无刷电动机在快速性、可控性、体积重量、经济性等方面具有明显的优势。无刷电动机作为高性能调速电机的应用范围越来越广泛。也为本文中公交车门的改进提供了广泛的产品基础。

图1 MSP430F2131引脚功能和管脚排列图

1.3 控制方法

在公交汽车车门设计中，必须首先考虑的是车门的长期稳定可靠运行的需要。公交客车车门开闭频繁，工作环境较差，润滑等保障系统设置困难。而且同一辆客车的车门，也会随着使用时间的增加，产生老化和磨损。其物理性能会发生变化。这种复杂多边的特性和复杂的工作环境，不能使用精确的数学模型给予描述，因之借用自适应自动控制方法，使控制系统稳定可靠的工作。公交车门自动控制调速具有一定程度不确定性，也就是描述车门运动及运行环境的数学模型不是完全确定的。从系统内部来讲，描述车门运动的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。而外界环境对车门速度控制系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。因之采用自适应系统，可以收集整理运行过程中的相关数据，达到更为良好的控制状态，保证车门持续可靠的运行。

1.4 速度控制策略

为了获得比较平稳的加减速特性，减少机械冲击和增加过载状况（夹到物体）下制动的灵敏度，在电机加减速时采用多段控制，加减速行程均为3段或以上加速方式。第一个阶段，在车门获得开启或关闭信号时，加速度由零开始加大，加速过程为加速度递增加速状态。第二个阶段，在车门运动速度达到一定程度时，采用匀加速状态，加速度保持不变。第三个阶段，加速过程为递减加速运行状态。在这3个阶段中，第一阶段和第三阶段车门速度变化为曲线变化方式，第二阶段为直线变化方式。然后进入减速运行方式，同样的三个阶段，直到车门达到关闭或开启极限。

图2 速度时间瞬态图

在开始控制时由于没有车门的运动信号进行比较，所以直接对车门速度进行控制。因此称为“前馈”。前馈控制属于开环控制，前馈控制器输出到“前向通道”的信号（作用在控制系统的信号）称为前馈信号。

由于车门系统的扰动最终要使系统偏离所要求的控制值，检测到系统的扰动时系统并未发生偏离，这时候若能给系统的控制器加入一个前馈信号“提前”进行控制，就会有效地避免控制系统过大地偏离期望值。因此，在自动控制系统中通常说前馈控制具有改善系统的动态性能的作用。但是，由于前馈控制信号是在系统还没有偏离期望值时就提供的一种控制，因此其控制精度较差。因此它的静态精度较低。本系统中前馈控制与反馈控制配合使用。将前馈控制装置和反馈控制装置的参数设置为可变量，由自适应系统通过参考数学模型和实际系统的差异值来进行调整，保证二者差异趋向于最小。

2 安全防夹设计

现在中国的公交车辆很少设置有安全防夹系统，很多城市是通过制度或者条令来保障乘客安全，比如广州市曾经颁布过关于公交车辆车门关闭后至车辆开动之间的规定，要求公交车辆必须在车门关闭后至少3秒才能行进。

这些安全规定及可视化措施有很大的用处，但由于乘客拥挤及公交车辆运行情况复杂的特点，还没能有效防护乘车人员的上下车安全。

所以，关于公交客车车门安全防夹技术的研究就提上了日程。国家专利局确定了多项客车车门防夹技术的专利，均是利用电子压力传感技术来完成安全防夹的任务，通过软管（申请号：200520073898）或设置于门轴上的凸轮（申请号：200520073784）来感受压力，在压力到一定程度（基准值为300KN左右）的情况下，自动打开，避免对乘客的损伤。这种单纯的压力感应式的车门防夹技术解决了车门夹伤人员的问题。但是仍然存在着夹住乘客衣物等较薄物体而产生拖带的隐患。本文中使用红外线探测辅以刚性物体整体承载式压力传感器的安全防护设计。

2.1 红外线探测

红外线三维探测光幕系统，由分别安装在车门左、右两个立柱上的发射器、接收器组成，发射器、接收器通过连接电缆与控制盒相连组成红外线平行光幕，光幕产生的探测信号通过连接电缆集中在控制盒内由运算核心处理。可以在车门入口区域建立一个平面的覆盖整个车门空间的探测范围。有效的检测范围内存在的物体，迅速的反馈给控制核心，控制核心可通过控制电路使车门关闭动作停止或反转，从而大大减少了门碰撞乘客的几率。

2.2 刚杆式压力感受装置

在汽车车门防夹安全技术中，主要解决的问题是防止人员身体及携带物品被夹住。在这个问题中，只关心是否有物体被车门夹住，而不关心在车门的什么部位，以及被夹物品的各种特性等等问题。所以不考虑物品的被夹部位，可以将压力感受部位设置成为一刚性的长杆，上下连接压力传感器并装于车门对接口处，外面可包橡胶软皮等物品以减少夹到人员身体时造成的伤害。当有物品被加住的时候，刚杆整体受力，压迫上下的压力传感器。这样的情况下上下的压力传感器数值不一样，可选数值较大的一方作为评判基准，通过单片机与标准数值对比，输出给车门电机控制系统，使其控制车门开启，避免夹伤乘客。

经过双重探测的车门防夹系统可以有效的保证车门开启及关闭时的安全，但是也要考虑到在某些情况下，由于车门防夹系统的存在所造成的车门误打开的情况。因之应设置防夹系统的作用时间，只有在车门受控制开始打开及关闭的时间段防夹系统运作。在车门完全关闭以后，即车门伸展至关闭状态后，防夹系统为休眠状态，避免发生误打开车门的情况。

图3 刚杆压力系统结构图

3 系统实现

本文中，调速控制与防夹控制共用一个系统控制核心，以MSP430单片机为核心，无刷直流电动机为驱动机的调速系统方案。系统的加减速控制采用曲线控制方式，提高了系统性能，增强了系统的适应性，并将自适应控制应用于系统，使系统可以很好地满足公交车门所面临的各种复杂工况。整个控制系统由计算控制电路、视觉及听觉警告电路、驱动和保护电路、开关执行机构及开关状态反馈电路组成。控制电路根据设定参数和外部输入的信号，完成计算及逻辑控制任务；视觉及听觉警告电路在车门过载（夹到物体）时以声音或灯光闪烁等形式向驾驶员提请注意，以采取相应保护措施。驱动和保护电路完成电机与车门的驱动，并在过载（夹到物体）时反向驱动车门运动，确保系统的安全可靠；开关执行机构包含步进电机及门轴等结构，完成车门开启、关闭、调速及反转等功能。开关状态反馈电路作用在于限制车门防夹系统的作用时间，避免在车门关闭好以后，由于外界影响而使控制核心产生误判断而打开车门。同时兼顾了紧急状态下，车门必须能在紧急疏散钮的作用下打开，这也要求车门系统应具备备用电源，可供车门开启2次以上。在备用电源不起作用时，应能以普通人的力量强行向两边打开车门。

4 结束语

本文对公交客车车门的调速和防夹系统进行探讨及系统设计。主要完成的功能是更好的控制车门开启及关闭的速度及防止乘客夹伤及物品被车门夹住拖带造成的严重后果。提出了一种车门控制及驱动以及车门防夹的二合一设计方案。可以比较方便的对现有公交车辆进行改进。该系统工作稳定、可靠，能满足安全要求。

[1] 谢新民, 丁锋. 自适应控制系统[M]. 清华大学出版社,2002.

[2] 魏连荣, 朱益江. 交直流调速系统[M]. 北京师范大学出版社, 2008.