基于单片机的铁路道口报警研究与设计

基于单片机的铁路道口报警研究与设计内容摘要：

传感器的选择以及安装使用方法 传感器选择的依据 本系统对传感器的要求很苛刻，站内道口传感器的工作条件比区间道口恶劣的多。 其工作位置靠近站台和道路，夏天雨水浸泡，冬天冰雪覆盖，沙土垃圾掩埋，人为破坏等。 所以对传感器提出了要有较高的灵敏度和输出范围；坚固耐用无维修或极少维修；测试范围宽并尽可能无源等要求。 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，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。 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： 感生电信号，可知磁通变化率 、决定感生电信号的幅值。 相关技术特性：（ 1）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，感生信号电压（ E）与轮对通过传感器的速度 （ V）呈线形关系。 如图 31 所示： 图 31 感生电压与车轮速度的关系 感生信号电压（ E）与工作间 隙 H 呈指数变化关系，如图 32 所示： 图 32 感生信号电压与工作间隙的关系 H 减小与感生信号电压（ E）呈指数上升关系。 H 增大与感生信号电压（ E）呈指数下降关系。 第三章 系统硬件设计 7 传感器的安装使用方法 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［ 4， 5］。 ：由于单片机系统需要由触发信号计算出火车速度，所以将触发端设计为两只传感器连排，其距离尺寸固定，这样根据脉冲发生间隔时间就可以由软件计算出火车接近速度。 其测速原理如图 34 所示： 图 33 测速原理 为了测速，本系统检测车轮通过两个传感器所用的时间 t，则列车的速度其中 S 为两传感器 的间距。 利用传感器 1 的信号启动 89C51 的计数器T0，再用传感器 2 的信号停止记数，则记数值 X 就对应于时间 t. t=K x 式中的定时常数 K=100μs. 触发端传感器安装方式如图 34 所示： 图 34 触发传感器实物照片 ：复原端传感器是指当火车到达道口后系统不再需要继续发淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 出告警信号，这时需要该传感器给系统一个脉冲信号告诉系统火车已经运动到道口了，可以停止告警。 所以复原端传感器选用一只磁电式传感器就可以了。 其安装方式如下图所示： 图 35 复位传感器实物照片 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论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 ⑥ 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。 其中一路的信号处理电路如图 36 所示： 第三章 系统硬件设计 9 图 36 信号处理电路 信号输入级 对信号输入级的要求，一是检测信号的瞬时变化，二是连续检测信号电平的变化，所以采用图示电路。 其中 C1 为滤波电容， YM1 为压敏元 件，可以防止雷电以及车电高电压窜入。 R1 为限流电阻， D D2 为单向整流限幅二极管，防止输入过压，且完成传感器输入信号的尖脉冲波形到方波脉冲的转换。 RP1 为 22kΩ 分压电阻。 图中 A 点电压即静态输入电压 VI 为： 当传感器 CG 断线时， VI 变为 V+为 5V，从而为断线检测打下硬件基础。 在系统工作时，不断检测所有 4 块 373 的输入端，若连续检得 10 秒钟低电平，即为断线。 信号整形级 信号整形级选用得是 74HC245 芯片， 74HC245 的 DIR 端接电源后，使方向为 AB，第 19 管脚接地，使其始终选通。 光电隔离级 在实际的信号处理电路中，不可避免的存在各种的干扰信号，为了保证信号传输的准确性，决定在信号处理电路中增加光电隔离级，即采用隔离技术来增强抗干扰能力。 在硬件上常用光电耦合器来实现电 光 电的隔离，这样就可以有效的阻止干扰信号的传递。 本系统采用的是光电耦合器是 TLP5214，这是一种完全对称特性的光电模拟信号隔离器。 该光电隔离器的特点是：其内部结构为 4 个光电耦合器，它们的物理特性完全一直、重复性好、并且 4 个光电耦合器的 4 个电源实现了完 全隔离，有良好的线形度，地面的干扰完全消除。 这样该光电耦合器在电淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 路中就将选中的模拟信号的输入级、输出级完全隔离开来，阻止了相互之间的电联系，从而消除了输入级、输出级之间的干扰。 锁存选通级 由于传感器的信号宽度为几毫秒～一百多毫秒，向 CPU 申请中断的可能是 32 路传感器中的任一个或是几个，因此， CPU 接到中断申请后应该查询究竟是谁先发出的中断申请。 本系统采用 74HC373（八路数据锁存器）、 74HC30（八输入与非门）、 74HC02（二输入四或非门）组成了锁存电路，并且进而通过 74HC123（双可再触发的单稳多谐振荡器）变成宽度为 T 的中断信号。 由上图可见，在产生 int0 中断信号的同时，经过两级门电路的传输时间延迟后，也使 373 锁存器锁存。 锁存器的输出接入数据总线， CPU 通过 138 译码依次选通各锁存器，从 P0 口读入数据进行查询，此数据就表明了各传感器的状态。 中断信号太宽不行，太窄有可能来不及响应。 其宽度选取如下： T=RC= 12kΩ4700pf=56μs 系统主电路的设计 设计原则首先是可靠，其次是简单，具有可以满足系统工作需要的计算速度，而且要考虑系统的综合经济成 本。 因此，我们选用技术成熟而且可以稳定工作的AT89C51 作为系统主电路的核心。 利用该芯片设计的电路，基层设备使用单位的技术人员经过短时间的培训基本都能掌握系统硬件电路的基本工作原理，而且电路上的元件均采用拔插式，这样的设计保证了他们可以自行的处理一些小的故障或在设计人员的远程指导下更换芯片，保证了系统故障的及时有效排除，为运输生产提供了有效保障。 AT89C51 性能介绍 AT89C51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机，片内带有一个 4K 字节的 Flash 可编程可擦除只读存储器 (PEROM)，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器 (NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容。 片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。 因此 AT89C51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。 AT89C51 的主要性能有 : 与 MCS51 微控制器产品兼容。 4KB 可改编程序 Flash 存储器。 (可经受 1, 000 次的写入 /擦除周期 )； 全静态工作 :OHZ24MHZ。 三级存储器保密。 128X8 字节内部 RAM。 32 条可编程 I/0 线。 第三章 系统硬件设计 11 2 个 16 位定时器 /计数器。 6 个中断源。 可编程串行通道。 片内时钟振荡器。 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内 RAM 中的内容。 单片机电路设计如图 37 所示： 图 37 单片机电路 信号输入与输出 信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入和打印机应答信号等，都通过 P0口，功能输出通过 P1，而打印、显示的输出数据仍然通过 P0 口， P3 用作控制线。 P0 口共驱动 9 个芯片，除 8279 和 6264 其余均为 HC 电路，所以驱动能力可以保证。 用 74HC138 对 ～ 进行全译码，选通不同的芯片，简化结构，选通地址表如表 31 所示： 表 31 74HC138 选通地址表 74HC138 输出 选通 地址 Y0=0 6264 0~1FFFH Y1=0 8279 2020~3FFFH Y2=0 空闲 Y3=0 信号 3731 6000~7FFFH Y4=0 信号 3732 8000~9FFFH Y5=0 信号 3733 A000~BFFFH Y6=0 信号 3734 C000~DFFFH Y7=0 看门狗电路 D000~FFFH 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 传感器信号的输入采用 CPU 外中断 0 和外中断 1 的方式， CPU 接到中断申请后依次从 4 片 373 锁存器中读入数据，以此来判断是哪个传感器发出的信号。 键盘输入采用查询 8279 的方式，而显示的数据由 CPU 一次送给 8279。 打印的数据采用握手送出方式，若用 UP—40 则快的多。 语音电路的设计 语音电路是针对室外语音广播而设计的。 其核心为 microchip 公司生产的PIC16C71 单 片机，语音芯片为 ISD（ Information Storage Device）公司生产的 ISD1420 芯片。 PIC16C71 单片机介绍 PIC16C71 单片机是 microchip 生产的一种高性能、低价位、采用 COMS 工艺制造、全静态设计的一种 8 位单片机。 其内含 1K14 程序存储器、 36 个数据存储器、 4 路 8 位 A/D、 13 个 I/O 口、有 4 种中断源。 它的汇编语言精炼，易学易用的精简指令集（ RISC 结构）使用方便、功能强、且有 C 语言和模糊逻辑开发系统的支持 （ MP—C； FUZZY TECHMP）以及仿真软件 MPSIM 的支持。 与同类单片机相比，其程序存储器可节省一半，指令速度可提高 5 倍左右。 其内置的看门狗定时器提高了单片机的可靠性，同时，单片机设置的保密位，防止了用户程序代码的泄露或被人非法拷贝 . 其引脚图如图 38 所示： 图 38 PLC16C71 管脚图 ISD1420 芯片介绍 ISD1400 系列语音芯片是 ISD（ Information Storage Device）公司生产的。 它包括时钟振荡器、 128K 可编程电擦除只读存储 器（ EEPROM）、低噪前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。 ISD1400 系列语音芯片采用直接存储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术，高保真、录音数据永久保存、省电、适用于同单片机接口。 ISD1420 是 第三章 系统硬件设计 13 ISD1400 系列中语音时长为 20S 的语音芯片。 ISD1400 系列语音芯片具有下列特点： （ 1） .采用直接模拟量存储技术（ DAST），重显优质原音。 （ 2）零功率信息存储，无需备用电池，存储的信息可保留 10 年以上。 （ 3）易于使用，无需编程， 可随意改变录音内。