火车道口报警系统毕业设计论文(编辑修改稿)

火车道口报警系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

统所用的 AT89C51 单片机价格较低 ， 好操作 ， 易掌握 ， 学习使用都很方便。 以 AT89C51 为主的系统都很稳定 ， 对于火车道口这种突发状况多 ， 天气情况多变的地方很适合。 B. PLC 系统 ： PLC 机有许多优点 ， 如可靠性高 ， 抗干扰能力强等 ， 但价格昂贵 ， 对于我国火车道口数量极多的情况不是很合适 ， 且其输入程序为梯形图 ， PLC 在执行梯形图时 ， 用解释程序将他翻译成汇编语言然后执行 ， 与 直接执行汇编语言编写的用户程序相比 ， 执行的时间更长。 C. Atmega128L 与 MC55 系统 ： 该系统有单片机 Atmega128L 和 MC55 接口电路为主要组成部分。 这部分的内容并没有接触过 ， 而且也比较繁琐 ， 所用的器件较多 ， 这样造成的干扰也会更多。 基于上述情况 ， 最终选择选用单片机系统。 传感器的选择 A. 凸出极磁电轨道传感器 ： 此传感器为永磁体材料 ， 外壳为坚硬铸钢 ， 无源 ， 其磁心的磁能积足够大 ， 火车车轮经过时 ， 通过切割磁力线能够产生强大的脉冲信号 ， 只需要定时打扫金属屑 ， 不需要特别的养护 ， 就能长期工作 ， 符 合工作环境对传感器的要求。 B. MLY—9200 振动传感器 ： 该传感器可以对 1km以内行进中的火车能够检测到 ， 适合铁轨的中低振动频率范围内 ， 有较低的输出阻抗 ， 较好的信噪比 ， 使用方便 ， 灵活性较好 ， 但可能存在偏差 ， 动态范围有限。 综上选择凸出极磁电轨道传感器作为本系统所用传感器。 单片机的选择 在单片机的选择上 ， 并没有太多的选择 ， 那 是因为 单片机 AT89C5 AT89C52 以及AT89S51 的基本功能都差不多 ， 若是做这个系统的话 ， 基本都可以 ， 只是 C52 的内存比C51 的较大 ， 还多了看门狗和定时 器 /计数器功能。 S51 则可以说是 C51 的升级版在写入方式 ， 电源范围 ， 工作频率等方面都有改进 ， 基于本系统用单片机 AT89C51 就可以做的很好 ，所以还是选用了 c51 为主要器件。 太原科技大学毕业论文（设计） 7 系统抗干扰设计 系统抗干扰性及可靠性设计原则 近几年来 ， 单片机系统对工业自动化 、 生产过程控制 、 智能化仪器仪表等领域造成的干扰后果主要表现在以下几个方面 ：  数据采集误差加大  控制状态失灵  数据受干扰发生变化  程序运行失灵 针对这些内部和外部因素的干扰 ， 采取有效的软硬件措施加以解决 ， 是可靠性设计的基本任务。 导致系统不 能稳定运行的内部因素主要有三个 ： 元器件本身的性能与可靠性。 系统的结构设计是否合理。 安装与调试。 外部原因是指系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致运行不可靠的因素 ， 主要包括 ： 外部电器条件 ， 如电源电压的稳定性 、 强电场和磁场的影响 ； 外部空间条件 ， 如温度 、 湿度 、 空气清洁度等 ； 外部机械条件 ， 如振动 、 冲击等 ； 恶劣的自然现象影响 ， 如雷电等。 因此在系统设计中 ， 元器件的选择是根本解决办法 ， 合理的安装调试是基础设置 ， 系统的设计是有效的手段 ， 外部环境是保证。 这是本 系统在抗干扰性以及可靠性设计方面遵循的基本原则。 系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施 干扰形成必须具备三个主要因素 ， 即 ： 干扰源 、 耦合通道 、 对于干扰敏感的接受电路 ，如下图所示 ： 太原科技大学毕业论文（设计） 8 图 干扰流程示意图 本系统受到的主要干扰来自电网供电 ， 空间电磁波 ， 信号传输通道和雷电。  较恶劣的供电条件及抗干扰措施 由于车站现场运行的各种电器设备众多 ， 特别是感性负载的启停 ， 可使电网电压产生大幅度的涨落（浪涌）和较大幅度的高频振荡电压 ， 而各种大功率开关的通断 ， 电机的启停 ， 又会形成很强的尖峰干扰 ， 极易造成单片机应用系统得误动作 、 数据丢失甚至死机。 系统针对供电条件的干扰所采取的抗干扰措施主要有 ： 1. 在电源引入线上加带有屏蔽罩的电源滤波器（低通滤波器） ， 它一方面抑制分布在火线上的干扰 ， 另一方面也可解决宽频带瞬变状态下的干扰。 其设计力图仅允许 50HZ交流电通过 ， 对高频干扰电压有较好的衰减作用。 2. 在电源引入线的线间和每线对地间加装 430V 压敏电阻 ， 可有效抑制较高幅度的振荡电压和尖峰脉冲。  较强的空间电磁波干扰以及抗干扰措施 空间电磁波的干扰无处不在 ， 车站附近可以认为是电磁波重污染区。 这里密 集了各种无线通信和广播电视信号 ， 内然机车和电力机车上的各种大功率电机电器和车站的各种设备产生的电磁干扰。 系统抗电磁干扰的能力又称为电磁兼容性 ， 目前 ， 各种军用 、 民用电子设备对电磁兼容性的要求越来越高。 电磁兼容性设计主要包括电路设计 、 接地和屏蔽设计。 电路设计包括带宽控制 、 去耦 、 滤波和隔离。 1. 带宽控制主要是选用高抗干扰能力的逻辑芯片。 CMOS 一般比 TTL 好 ， 功耗小 ， 所以优先选用 CMOS 芯片。 尽量选用比较低的时钟频率 ， 本单片机系统选用 6MHZ。 对输入的开关量要进行限幅 、 RC 滤波 、 整形。 2. 去耦措施是对共模耦合采取 分开回路的设计 ， 对互阻耦合 ， 采取使空间导体彼此远离 ，尺寸尽量减小 ， 就近接地和加粗地线。 3. 滤波措施是对进入电路内部的连接电缆 ， 都加滤波环节 ， 以抑制其传导干扰 ， 同时在内部电路的信号输入部分也加有滤波电容。 4. 隔离措施是用光电耦合器把内部电路与外部接口隔离开 ， 将各单元电路也尽可能隔离太原科技大学毕业论文（设计） 9 开。 各信号通道间尽量采用电气隔离 、 空间隔离的措施 ， 减少干扰传输 ， 减少传输距离 ，开关通断瞬间产生的尖峰干扰就近采用 RC 滤波进行吸收。 人们己经研究了许多抑制电源干扰的措施 ， 在实际应用系统中 ， 可以选择适合自己所设计的电源系 统的抗干扰手段。  电源变压器的初次级屏蔽。  利用初级平衡式绕制法绕制电源变压器。  采用防雷电变压器。  减少电源变压器的泄漏磁通。  采用噪声隔离变压器。  采用电源滤波器。  采用性能好的稳压电源。 通过以上抗干扰措施从而减小外部环境对系统的干扰 ， 提高系统的抗干扰性能。 这章主要是介绍系统整体的设计 ， 以下是对每部分的详细介绍。 太原科技大学毕业论文（设计） 10 第 3 章 系统硬件设计 传感器的选用 传感器的选择 本系统选择凸出极磁电式轨道传感器。 因 为本系统对传感器的要求十分苛刻 ， 由于工作位置靠近站台和道 路 ， 夏天有雨水浸泡 ， 冬天遭冰雪覆盖 ， 还有沙土垃圾掩埋 ， 人为破坏等原因 ， 站内道口传感器的工作条件比区间道口恶劣的多。 所以对传感器有测试范围宽并尽可能无源 ； 坚固耐用无维修或极少维修 ； 较高的灵敏度和输出范围等要求。 经过综合比较 ， 本课题最终决定选择凸出极磁电式轨道传感器。 该类传感器为永磁体材料 ， 磁极为凸出极结构 ， 中央设凸出极铁芯 ， 引出端子为密封结构装置 ， 外壳为优质铸钢制造 ， 无源 ， 其磁心的磁能积足够大 ， 火车车轮通过时切割磁力线可以产生足够高的脉冲信号。 其效果是５公里／小时低速或 “蛇形运动 ”时不丢轴 ， 防雷性能 好 ， 灵敏度高 ， 雨雪天能可靠输出信号 ， 可以满足标准工作间隙的调整要求 ， 能适用于各种不同的钢轨类型 ，较理想地适应铁路信号自动控制装置的配套需要。 可以长期稳定的工作 ， 而且除了定期清扫铁屑外 ， 无需维修 ， 能够适应现场恶劣的工作环境。 其工作原理为 ： 根据法拉第电磁感应定律 ： dtdNE  将感生出电信号 ， 且磁通变化率决定感应 电信号的幅值。 1. 相关技术特性 ：  感生信号电压 (E)与工作间隙 H 呈指数变化关系。 即工作间隙 H 减小 ， 感应 信号电压 (E)呈 指数上升 ； 工作间隙 H 增大 ， 感应 信号电压 (E)呈指数下降。  工作间隙 (钢轨顶部平面与传感器工作面间的垂直距离 )一定的条件下 ， 感 应 信号电压 (E)与车轮通过传感器的速度 (V)呈线性关系。  传感器信号敏感度测试 ： 太原科技大学毕业论文（设计） 11 对传感器进行模拟车轮实验 ， 研究其脉冲强度与车轮运动速度的关系 ， 可以证明该型传感器能产生足够的脉冲信号发回主机。 传感器的安装及使用 传感器的安装要考虑以下因素 ： ① 机车轮沿高度为 28 毫米 ， 车辆轮沿高度为 25 毫米 ； ② 车辆踏面最大允许限度为 9 毫米 ， 到此限的车轮踏面不 允许继续使用。 所以为了确保传感器安装不侵入限界 ， 即保证安全使用又使传感器的信息源尽可能地提高其效能 ， 系统设计时确定传感器面到铁轨面的高度为 37 毫米 ， 在无机车行走的线路 ， 只溜放车辆的条件下 ， 此高度可以调整到 34 毫米。 为了能用单片机系统计算出火车的速度 ， 在触发端设计两只传感器并排连接 ， 两只传感器的距离固定 (本系统设两只传感器之间的距离为 S)， 这样可以依据脉冲发生间隔时间通过单片机系统编制的软件算出火车的行驶速度。 其测速原理如图 所示。 为使测算的速度准确 ， 本系统设检测车轮通过两个传感器所用 的时间为 T， 火车 图 测速原理 的行驶速度为 V， 则 V=ST。 定时常数 K=100s 时 ， 利用传感器 I 的信号启动 89C51 的计数器 T0， 同时利用传感器 II 的信号关闭计数器 T0 记数 ， 当计数值为 x 时 ， 则对应的时间 T为 ： KxT。 飞轮 V S 钢轨 道口 H H 计数器 0T 传感器Ⅰ 传感器Ⅱ 停止计数 开始计数 太原科技大学毕业论文（设计） 12 当火车到达道口后系统不再需要继续发出预警信号 ， 为此 ， 设置复原端传感器 ， 只需给系统一个脉冲信号告知 ， 火车已经到达道口 ， 马上停止告警。 所以 ， 复原端传感器 采用一只磁电式传感器就可以达到设计要求。 信号处理电路的设计 信号处理电路的设计原则为 ： 传感器输出的信号是包括故障信息和车 轮 信息的复合模拟信号。 这样的信号必须经过必要的处理 ， 将不同的有用信息转换为标准的开关量 ， 才能供数字式控制系统使用。 根据传感器信号和控制系统的需要 ， 本系统的信号处理电路必须要完成下列功能 ： 1. 将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号 2. 分离出复合信号中包含的故障信息 3. 对车轮信号中的颤动信号进行滤波 4. 对传感器及线路传输的干扰信号进行处理 5. 为设备维护方便 ， 设置处理电路自检装置以及信号显示电路 ； 隔离内 、 外地系统信号处理电路包括 4 个相互独立的纵向通道 ， 每个通道处理 8 路传感器的信号 ， 共可处理 32 路信号传感器信号 ， 前两个通道的 16 路传感器的信号构成 int0中断 ， 后两个通道的 16 路传感器的信号构成 int1 中断。 每个信号通道由信号输入级 、 整形级 、 光电隔离级 、 锁存选通级和中断控制逻辑形成电路组成。 图 是其中一路传感器输出信号处理电路设计图 ： 图 信号处理电路 太原科技大学毕业论文（设计） 13 如图 ，传感器 CG1 采集列车通过信号，输出脉冲信号， YM1 是压敏电阻，其电阻值随着电压的改变而改变，是为了保护传感器受到过电 压的损伤。 R1 是限流电阻， Rp1 是分压电阻， C1 是滤波电容，两个二极管也是为了防止过电压，这些都是为了保护电路及元件的。 脉冲信号通过 74HC245 后 放大 信号功率。 TLP5214 是光电耦合器，是为了减少电压干扰，脉冲信号通过光电耦合器后分成两路，一路 输入与非门 74HC30，四片 74HC30输出的信号再输入或非门 74HC02，一路输入数据锁存器 74HC373，而后他们输出的两路信号再进入 74HC123，最后输出完整的脉冲信号。 器件简介  TLP5214 是可控制的光耦合器件 ， 电路之间的信号输出 ， 使之 前端与负载完全隔离 ，目的在于安全性 ， 减小电压的干扰 ， 减化电路的设计。  74HC245 总线收发器 ， 典型的 CMOS 型三态缓冲门电路。 用于信号功率放大。  74HC373D 是 8 位的高速数据锁存器 ， COMS 材料的 ， 常用作单片机 ISP 下载器数据数据锁存缓冲。 工作电压在 到 5V 之间。  74HC30 是 8 输入单与非门。  74HC02 是 二输入四或非门  74HC123 是双路可再触发单稳多谐振荡器 ， 可通过多达 3 种方式实现输出脉宽控制。 74HC123 的 nA 和 nB 输入带施密。