毕业设计（论文）基于单片机的火车道口安全报警的研究与设计.doc

基于单片机的火车道口安全报警的研究与设计电子信息工程专业 摘 要道口是铁路安全运输问题的重点和薄弱点。本课题针对我国铁路平交道口的现状，利用单片机技术开发了平交道口来车自动报警系统，采用了可靠性高、价位低、普及程度高、利于基层技术人员掌握学习的89C51作为控制芯片，利用了轨道传感器采集回来的车轮信息，准确地将来车信息通知道口值守人员及过往行人，大大减少了事故发生的隐患。针对系统工作环境的恶劣和工作的特殊性，在系统硬件设计过程中，重点突出了系统运行的可靠性、设备的坚固程度，在软件的编制上也采取了有力的抗干扰措施，因此，本系统的研究与设计具有重要的社会意义以及推广价值。关键词 运输安全；铁路平交道口；单片机目 录1 绪论11.1 问题的提出11.2 国内外研究现状及研究的目的好意义11.3设计任务和要求12 微机自动报警系统概述22.1 系统组成部分22.2系统主要组成部分23 系统硬件设计23.1传感器的选用23.1.1传感器的选择23.1.2传感器检测道口状况的方法。33.2信号处理电路的设计33.2.1信号输入43.2.2信号整形43.2.3光电隔离43.3系统主电路的设计53.3.1 AT89C51性能介绍53.3.2系统主电路53.4语音报警功能的设计63.4.1 ISD1420芯片介绍63.4.2语音报警电路73.5道口栏木驱动控制电路设计83.5.1芯片L298N的介绍。83.5.2驱动控制电路图及工作原理83.7 硬件抗干扰设计103.7.1系统抗干扰性及可靠性设计原则103.7.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施114 软件设计124.1系统软件总体设计124.2交通灯控制软件设计134.3语音广播软件设计144.4道口栏木软件设计154.5软件抗干扰措施157结论与展望16参考文献17附录 语音板电路原理图18致谢191 绪论1.1 问题的提出铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干，对于国家社会经济的正常运行和发展具有举足轻重的作用和全局性的作用。铁路运输的运输能力大、能够负担大量客货运输的任务、速度快、受气候条件限制小、可全天候运营、运输成本低等优点。因此，我国正大力发展铁路行业的建设事业。平交道口是铁路和公路的平面交叉，随着铁路行车速度、密度的不断提高和公路车辆的急速增多，平交道口的安全问题，已经变的非常突出。为改善铁路平交道口尤其是站内道口的安全状况，有必要设计一种具有高可靠性的道口报警设备，在列车接近道口前告警，提示道口职守人员及行人、车辆注意，以确保列车安全通过，减少以至杜绝道口交通事故的发生1.2 国内外研究现状及研究的目的好意义现在我国站内道口来车管理大多还是处于靠电话通知和道口工眺望的状态，遇到天气状况不好，或是电话线路不畅的时候，就存在了事故的隐患。铁道部对此尚无在全国推广的定型产品，均为各铁路局自己开发的设备，而且利用率也不是太高。在铁路网比较发达的欧洲，道口密度大，事故风险也相对比较高。其中，英国的安全工作做的比较好，这主要得益于英国政府增加警力，强行控制道口违章行为。同时，英国西屋铁路系统公司在别国成功技术的基础上，研制了一种新型的平交道口预测器。该设备符合道口报警设备的一般设计原理，但是其价格昂贵，同时英国铁路轨道电路与我国轨道电路有诸多不同之处，所以无法将其移用至我国铁路道口中。铁路道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，它是推动和促进铁路跨越式发展目标能否顺利实现的一个重要方面。道口自动报警系统提高了道口来车报警的可靠性和准确性，可以有效的降低误报、错报事件的出现几率，从而有效的避免道口交通事故的发生。所以，立足我国铁路现状，开发实用的站内道口自动报警设备仍是当务之急。1.3设计任务和要求系统总体采用AT89C51单片机为平交道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧的车轮传感器组成检测点，感应到的车轮信息通过标准信号电缆传送到道口房的主机内，由单片机控制道口交通灯的转换和语音报警功能的开关，并控制道口栏目升降从而达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的目的。本系统列车接近报警系统的主要功能设计如下：（1）列车接近道口语音报警功能。当列车接近道口时，系统自动播报“司机、行人请注意，火车就要开过来了，请不要抢行和翻越栏杆”。2）交通灯切换功能。当列车接近道口，传感器采集到列车接近信息，系统立即控制交通灯的红色信号灯亮，绿色信号暗，以提示行人、车辆禁止通行。（3）道口栏木升降功能。（4）系统复原功能。2 微机自动报警系统概述2.1 系统组成部分根据上述方案设计了道口自动报警系统。系统组成框图如图1所示：图1系统组成框图2.2系统主要组成部分系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及系统功能实现模块四部分组成。（1）传感器系统：根据系统需求，数据采集元件选用的是凸出极磁电式轨道传感器。由传感器采集来车信息送信号处理电路。（2）信号处理系统：信号处理系统将传感器输出的模拟量转换为开关量，并分离出信号中的故障信号，是系统的重要组成部分。（3）单片机系统：单片机系统是整个系统的中央处理系统，他通过硬件与软件的结合来控制各个部分的工作，实现系统的各项功能。（4）功能实现模块：功能实现模块包括3个功能：道口交通灯转换控制功能、语音报警功能和道口栏木升降功能。3 系统硬件设计3.1传感器的选用3.1.1传感器的选择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。该传感器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。根据需要本系统应用了两个凸出极磁电式轨道传感器。3.1.2传感器检测道口状况的方法。图2是该铁路和公路平交道口的平面位置示意图。在P1和P2点设置了两个传感器元件，用于检测是否有火车通过道口。P1和P2这两点距离较远，因此一列火车不会同时压在两个压敏传感器上。A和B是两个栅门，当火车由东向西或由西向东通过P1P2段，且当火车的任何部分位于P1P2之间时，栅门A和B应同时关闭，道口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭，公路禁止通行；否则栅门A和B同时打开，道口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭，公路允许通行。传感器的功能是当火车经过时，产生逻辑电平1，否则产生逻辑电平0。设位于P1和P2两点的传感器所输出的信号分别为I1和I2，栅门A和B的开闭由图2所示的电路控制。控制电路的输入是传感器所发出的信号I1和I2，输出信号Z用来控制栅门A和B，当Z=1时，栅门关闭；Z=0时栅门打开。图2铁路和公路平交道口的平面位置示意图3.2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：将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号分离出复合信号中包含的故障信息对车轮信号中的颤动信号进行滤波对传感器及线路传输的干扰信号进行处理1信号处理电路包括1纵向通道，处理2路传感器的信号，其中一路传感器的信号构成int0中断，另一路传感器的信号构成int1中断。信号处理电路由信号输入级、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。信号处理电路如图4所示： 图4信号处理电路3.2.1信号输入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，D1、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22k分压电阻。3.2.2信号整形信号整形级选用得是74HC245芯片，74HC245的DIR端接电源后，使方向为A到B，第19管脚接地，使其始终选通。3.2.3光电隔离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TLP521-4，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。3.3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89C51作为系统主电路的核心。3.3.1 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MCS-51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MCS-51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:OHZ-24MHZ;·三级存储器保密;·128X8字节内部RAM;·32条可编程I/0线;·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。3.3.2系统主电路本系统道口交通灯只有红绿两个。模拟交通灯使用发光二极管，可直接接单片机引脚,其中红灯接P1.0和P1.1；绿灯接P1.2和P1.3,再用软件来进行控制红绿灯的切换。单片机电路设计如图5所示利用74HC373锁存器软件控制红绿灯。图3-2单片机电路3.4语音报警功能的设计 语音报警功能是本系统的第二个主要功能。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。3.4.1 ISD1420芯片介绍ISD1420芯片特点：SD1420芯片采用直接模拟存储技术，且录放音质极好，并有一定的混响效果；它的外围元件简单，仅需简单的阻、容元件即可组成简单的录、放电路；但电源供电，典型电压+5V。待机时低功耗，放音电流15mA；放音时间20s,可扩充级联；可持续放音，也可分段录放，最小分段：20s/160段=0.125s/段，可分段160段；录、放次数达10万次；断电信息存储，无需后备电池，信息可存储100年；不需要专用的编程器及语音开发器；高优先级录音，低电平或负边沿放音。ISD1420芯片引脚介绍ISD1420芯片封装有DIP硬封装和COB软封装两种形式，均为28引脚A0A7地址或操作模式控制端VSSD数字地VSSA模拟地SP+、SP音频信号输出端，可以驱动816欧扬声器VCCA模拟电源VCCD数字电源MIC话筒输入端，可用驻级体话筒，通过电容耦合MICREF话筒输入考端，若不用应悬空AGC自动增益控制端，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真ANAIN、ANAOUT两端间接电容，该端用于模拟信号的直接输入、输出XCLK外部时钟或接地（一般用户接地即可）REC录、放音控制，低电平为录音PLAYL电平放音控制（低电平有效），放音时应该保持低电平PLAYE边沿放音控制，下降沿开始放音（此时REC=0）RECLED录音指示，接发光二极管，录音时亮，放音结束闪烁3.4.2语音报警电路该部分电路中包含了为语音系统供电的电源部分电路设计。电源部分采用二极管整流电路，接在电源变压器的次级输出端，用四个二极管组成桥式整流电路。它们的后级为滤波电容，交流电整流后，要求将交流成分滤的越干净越好，所以滤波电容选用大容量的电解电容。语音报警电路如图6所示。图6语音报警电路3.5道口栏木驱动控制电路设计道口栏木是保证行人安全的重要措施，本系统道口栏木驱动选用了SBS公司生产的L298N芯片。3.5.1芯片L298N的介绍。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。图7是L298N芯片的引脚图。 图7 L298N芯片的引脚图3.5.2驱动控制电路图及工作原理单片机输出口P3.0、P3.1为L298N提供脉冲信号，L298N正常工作时，输入信号INT1和INT2来控制步进电动机的正转和反转及停止，通过单片机输出脉冲频率控制步进电动机转速即栏木升降的快慢。表1为L298N芯片功能表。 L298N芯片功能表图8 驱动控制电路图3.6电源电路设计一个系统要想正常稳定的工作，必须要有一套稳定可靠的电源系统做保障系统电源板直接引入220V交流电源，经过变压、整流处理后分别为主机和传感器供电。电源电路设计如图3-15所示：图中后部分电路为蓄电池电路，如停电，则用蓄电池为主机供电，当电池电压低于一定值后，自动断电。图9电源电路3.7 硬件抗干扰设计3.7.1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：1、 数据采集误差加大2、 控制状态失灵3、 数据受干扰发生变化4、 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：1、元器件本身的性能与可靠性；2、系统的结构设计是否合理；3、安装与调试。外部因素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：1、外部电器条件，如电源电压的稳定性、强电场和磁场的影响；2、外部空间条件，如温度、湿度、空气清洁度等；3、外部机械条件，如振动、冲击等；4、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，合理的安装调试是基础，系统的设计是手段，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。3.7.2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：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。1、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。2、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。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。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。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。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开。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。至此，整个系统的硬件设计部分介绍完毕，实验表明本设计的硬件系统设计较为合理，工作稳定，能完成预定的各种功能要求，具有较高的可靠性。4 软件设计硬件电路确定以后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。软件采用汇编语言进行程序设计。4.1系统软件总体设计系统软件总体上分三大部分：初始化及设备自检和断线检测、键盘管理、列车接近检测报警等。系统总体程序框图如图4-1所示：图4-1软件总体框图 在图4-1中，程序开始时，首先初始化，判断来车方向是否为从左到右，若不是，重新判断，是往下执行，语音报警提示，红灯亮，下栏杆，当栏杆完全放下后，电机停止，然后判断火车是否离开，离开则绿灯亮，栏杆升起，完全升起后，重复开始，进入到下一次循环。如果来车方向是从右到左，也如前所述，开始声光报警并下放栏杆，然后判断火车是否离开，完成后，重新开始循环。4.2交通灯控制软件设计交通控制部分是系统主要功能是通过道口红绿灯控制行人的通过的报警系统。交通控制软件系统采用针对的PIC单片机的汇编语言编写。系统流程如图4-8所示： 图4-8交通灯控制流程 在图中首先初始化，在检测是否有列车通过，若无列车通过，则重新检测；若系统检测到有列车通过道口，则红灯亮，绿灯暗，然后检测列车是否完全通过，若没有完全通过重新检测，若列车已完全通过道口则程序结束。 4.3语音广播软件设计语音广播部分软件系统采用针对的PIC单片机的汇编语言编写，在本系统中由于单片机是将“司机、行人请注意，火车就要开过来了，请不要抢行和翻越栏杆”或“还有火车开过来，请不要抢行和翻越栏杆”两句话，所以软件流程比较简单。如图4-8所示图4-8广播流程 4.4道口栏木软件设计道口栏木软件流中断响应后，执行电机控制指令，再生成电机控制逻辑，生成的电机控制逻辑驱动电机正转或者反转，然后中断完成，把中断标志清零，最后返回到主程序。若果不执行电机控制，则直接终止中断，返回到主程序。4.5软件抗干扰措施虽然本单片机系统在硬件抗干扰方面已经采取了很多措施，从理论到实际也确实可行，但是对于一个系统的整体抗干扰能力来说，还是不够，必须在软件编制上尽可能采取强有力的抗干扰措施。系统采用数字滤波即延时重复读取开关量输入值的措施来提高系统的抗干扰性能。传感器脉冲信号在传入时往往会迭加上干扰脉冲，所以除了硬件抗干扰电路外，软件采样时，必须让脉冲信号延时读取，且只有重复读取值8次相同时才认为读入值有效，该抗干扰程序流程如图5-3所示。图5-3软件抗干扰流程总之,系统在采取了以上措施后,经过实际的试验和应用,取得了较好的效果，达到了设计要求。7结论与展望本课题对铁路站内道口自动报警系统进行了研究与设计，针对目前道口报警主要靠电话通知和人工瞭望的状态，设计了可以实时采集来车信息并通知道口值守人员及过往行人的报警系统，并最终达到了预期的设计目标，主要工作有：1、选取了凸出极磁电式传感器，并在该传感器的基础上设计出了来车信息采集及测速的方法，为系统功能的准确性、实时性打下了基础。2、设计了单片机系统，使系统可以准确处理传感器采集的信息并产生声光、语音报警信息，达成了最终的报警功能。3、系统各大模块的软件设计。参考文献1李显军.道口报警系统的设计与实现J北京:铁路技术创新。2004，3：562李玲桂.国外平交道口的安全措施J北京：铁道知识，2005、2，22233TB10007-99s.铁路信号设计规范4张伯敏.铁路车站接发列车安全性系统分析J上海铁道大学学报，1999、4，33355张迎新.单片微型计算机原理、应用、及接口技术M国防工业出版社，1993，221-2306陈章龙.实用单片机大全M黑龙江技术出版社，1989，277-3117李双全，李凯昕.一种用于单片机间的串行通讯方法J黑龙江工程学院学报，2003，17，37398金秋生.氧化锌压敏电阻的过电压保护J安全用电2004、12，35379杨华舒，楮福涛.单片计算机系统抗干扰的软件设计途径J电子技术应用，2001、3，2022附录 语音板电路原理图致谢