一种全自动三辊闸机芯设计

丁旺，徐骏善

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

闸机作为通道管理设备，主要功能在于对乘客所持票据进行有效性检验并控制乘客进出站[1]，广泛应用于轨道交通检票系统、景区检票系统，小区、办公门禁系统。其最基本最核心的功能是实现一次只通过一人，方便行人安全快速地通过闸机通道。本文旨在对传统三辊闸机芯进行改进，使其在运用时无需人为推动闸杆即可通过，同时增强机芯对行人状态的适应性。设计目标为实现机芯全自动工作，即行人刷卡后，机芯自动旋转，行人只需跟随即可通过闸机。此外对于行人推动闸杆快速通过、拉住闸杆等情况给予解决方案，确保行人在通道中的安全。

1 机芯结构总体方案设计

1.1 全自动三辊闸机芯简述

全自动三辊闸机芯配有一部电机，机芯的所有运动均由此电机提供，配合位置检测传感器以及限位装置，实现对行人的有效管理，整个过程不需要行人推动闸杆即可完成通行。闸机内部组成如图1所示。

图1 闸机内部组成

1.2 全自动三辊闸机芯功能需求分析

全自动三辊闸机芯作为闸机的核心工作装置，应具备以下功能：单向通行反向禁止；闸杆自动起落；授权后闸杆自动旋转，无需行人推持；正常情况下机芯锁止，防止行人强行通过；减少金属撞击，降低机芯工作产生的噪声。

通过调查发现目前三辊闸机有2个突出问题未能很好地解决：1) 机芯的定速工作模式直接影响到通过率的提高，无法满足部分行人快速通过；2) 行人由于某种突发事件停留在通道，而此时机芯仍在转动，势必会对行人造成一定的伤害。本设计将从机械结构方面予以解决。

1.3 全自动三辊闸机芯结构功能划分

鉴于以上对于全自动三辊闸机芯的功能需求分析，结构上可以分为以下几部分：动力装置、传动装置、限位装置、落杆装置、闸杆安装装置以及结构支撑装置[2]。

动力装置：设计中，根据行人通过闸机所需时间、闸杆旋转角度，以及闸杆与主轴的转动惯量计算可得整机所需功率为45 W。据此确定电机参数为24 V直流减速电机，额定功率为60 W，额定转速30 r/min。

传动装置：机械传动主要包括齿轮传动、链轮传动、皮带传动、以及蜗轮蜗杆传动[3]，基于设计中的功能要求，选择5M型圆弧齿同步带传动，既保证了良好的传动比，同时降低了传动过程中产生的噪声，使整个传动过程更加平稳。

限位装置：是实现闸机一次通行一人的关键装置，即每次收到授权信号之后，限位装置解除锁定，闸杆旋转120°之后，重新锁止完成一次放行，设计采用限位轮以及位置检测传感器实现，通过检测限位轮上的立柱来确定闸杆旋转状态。

落杆装置：紧急落杆是一项不可缺少的功能之一。在紧急情况下，必须能够做到让行人快速通过闸机以减少对行人的伤害。设计中的落杆机构具有自动复位功能，彻底摆脱了传统机芯手动上杆的麻烦。

1.4 全自动三辊闸机芯结构设计

基于上述功能实现并结合实际加工工艺条件，设计出如图2所示的机芯方案。

对目前三辊闸机两个突出问题的解决方案为：1) 将限扭装置安装在电机与小带轮之间，安装时将其转矩设为一定值，当电机带动闸杆旋转时，若行人停在中间，超过限扭值则断开传动，从而保护行人安全。设计中转矩值设定在15～20N·m。2) 在主轴与大皮带轮之间装一个单向轴承，因其具有单向可超越性，行人在通行过程中若想快速通过通道的时候，只要推动闸杆即可快速通过，从而提高闸机的通过率。

1—限位安装板；2—左限位电磁铁；3—右限位电磁铁；4—电机； 5—电机座板；6—安装主板；7—落杆机构；8—限位传感器； 9—限位传感器支架；10—限位轮；11—左限位卡子；12—左限位卡子 支撑；13—立柱；14—右限位卡子支撑；15—右限位卡子；16—小轴承； 17—主轴；18—限扭装置；19—小皮带轮；20—同步带； 21—大轴承；22—大皮带轮；23—单向轴承图2 机芯结构图

2 机芯控制系统方案设计

2.1 机芯动作流程分析

机芯工作流程(图3)：当机芯控制板收到如刷卡信号的开启命令之后，控制左端限位电磁铁动作，打开左限位，电机带动闸杆旋转15°，提示行人可以通行，此时电机进入等待状态，若检测到行人正常进入闸机通道，则控制板控制电机按设定的速度继续旋转到120°，关闭左侧限位开关，此时行人通过闸机，机芯双向锁死。若行人刷卡后在设定时间内(假设8s)未进入闸机，则判定为此次通行结束，电机工作带动闸杆旋转进入下一个工作位置，双向锁死。在通行过程中行人若想快速通过闸机，只需轻轻推动闸杆，即可快速通过闸机。如因紧急情况，行人在闸机中间逗留，也不会发生客伤事件。

图3 机芯动作流程图

2.2 机芯控制电路设计

控制系统采用STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片基于Cortex-M3具有256K的FLASH,48K的SRAM，最高工作频率72 MHz[4]。

控制系统主要包括：传感器采集电路、电机控制电路、电源电路、电磁铁与限位开关电路(图4)。

图4 控制系统总体框图

1) 传感器采集电路

为了获得行人在通道里的通行状态，一般采用传感器阵列的方式进行获取状态，根据成年人平均身体特征在闸机通道两侧布置传感器，通过通行算法识别出行人的通行状态[5]。控制方案中采用4对红外光源型透过式光电开关。

该传感器分为投光器和受光器，二者配合使用，其工作特性为，当受光器与投光器之间无阻挡时信号输出高电平，反之为低电平。因信号可能会产生意外的高压，因此对传感器信号进行有效的隔离对保证单片机系统的安全尤其重要。系统采用光电耦合器实现信号隔离。

2) 电机控制电路

设计采用的电机为24V有刷直流减速电机，其控制相对简单，只需实现电机的启停以及PWM波控制电机转速即可。利用STM32内置的PWM发生器进行设置并通过外部电机驱动模块实现对电机的控制，余下只需实现对电机的启停控制即可。由于单片机IO驱动能力有限，若想驱动电机必须增强IO的驱动能力，方案中采用三极管与继电器配合的方式实现。

3) 电源电路

电源模块电路如图5所示，电路中的干扰有很大一部分来自电源输入端，因此处理好电源电路至关重要。本系统中采用LM2576S-5.0[6]先将24 V电源转换成5 V，再利用AMS1117-33将5 V转换为3.3 V为单片机供电。LM2576S-5.0、AMS1117-33具有热损耗小，转换效率高且可以较好地抑制高频干扰；电源输入端CZ1、CZ为磁珠，可滤掉高频和尖峰干扰，R43为压敏电阻、B1为安规电容，二者作用是保护电路吸收尖峰高电压脉冲[7]。D18、D19为稳压二极管用以防止电源反接对电路的影响。CE1为大容量电解电容用以去除低频信号，输出端使用LC进行滤波进一步降低电压纹波和噪声[8]。

图5 电源模块电路

2.3 硬件抗干扰设计

为了实现稳定可靠的控制系统，主要采用以下几种抗干扰措施。

1) 有效的隔离措施：常用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等[9]，本系统中对传感器信号均采用了光耦隔离，对于外设驱动电路则采用了继电器隔离。

2) 良好的接地处理：在PCB布线时地线的线径应大于主线径，采用敷铜处理且连接到地线。

3) 合理的布线：PCB布线时严格按照布线规则，尽量使用45°折线，减少高频信号干扰，高速线路采用短线和直线，信号线不要形成电流环路[10]。

3 测试与调试

全自动三辊闸机芯完成后，对其功能和性能进行了大量测试，主要进行以下4方面测试。

1) 通过率检测

测试条件1：通行时间设置为3s，行人紧跟随机芯动作通行。

测试结果：通行速度在 20～25人/min。

测试条件2：通行时间设置为3s，行人推动闸杆快速通行。

测试结果：通行率>30人/min。

2) 安全性检测

测试条件：行人在通道内停留。

测试结果：限扭装置工作，切断传动，有效地保护行人在通道中的安全。

3) 超时未进闸机检测

测试条件：授权后，8s内未进入闸机通道。

测试结果：机芯自动关闭闸门的动作。

4) 自动落杆检测

测试条件：触发紧急落杆按钮。

测试结果：闸杆自动下落，并且在下一工作流程自动复位。

上述测试结果表明，设计中的机芯能够很好地满足和实现既定的功能，有效地改善了现有机械式和半自动式三辊闸的缺点，更加扩大了三辊闸的应用范围。

4 结语

全自动三辊闸机芯的设计主要包括了机械结构和硬件电路的设计。机械设计方面特别论述了单向轴承和限扭装置在本设计中的作用，硬件电路方面对该控制系统中的主要控制电路进行描述，并进行了机芯的测试调试工作。结果表明本设计中的全自动三辊闸机芯很好地继承了传统三辊闸机芯一杆一人，有效防止逃票，同时又具备了自动闸机方便易操作，有效保护行人的安全，对三辊闸是非常有效的改进。

参考文献:

[1] 宁斐，滑蓉，周子社. 铁路客运专线自动检票机关键技术研究[J]. 铁路计算机应用，2009,18(8)：18-21.

[2] 申香梅，廖东玲. 深圳地铁自动售检票系统方案[J]. 地铁与轻轨，2001(1)：7-10.

[3] 濮良贵. 机械设计[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，张美凤. 地铁闸机控制系统中人体识别技术的研究与应用[J]. 电气传动自动化，2008,30(1)：22-24.

[6] 周志敏，周纪海，纪爱华. 单片开关电源[M]. 北京：电子工业出版社，2007:34-37.

[7] 赵同贺. 新型开关电源典型电路设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[8] 黄继昌，仝庆居，敲苏文. 电源专用集成电路及其应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2006：113-115.

[9] 王幸之，王雷，王闪. 单片机应用系统抗干扰技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[10] 刘文涛. 单片机应用开发实例[M]. 北京：清华大学出版社，2005.