基于单片机的铁路道口报警系统的研究与设计毕业论文.docx
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基于单片机的铁路道口报警系统的研究与设计毕业论文
摘要
安全问题是制约铁路发展的重要因素之一，尤其是在对列车运行速度要求日益提高的今天，安全问题更是显得尤为重要。
平交道口是铁路安全运输问题的重点和薄弱点，因此如何提高铁路平交道口的安全性也就成为了一个极具重要性的课题。
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，为列车的安全高速运行提供了可靠的保障。
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、设备的坚固程度和对雷电等自然灾害的防护能力，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，铁路道口，AT89C51，传感器，抗干扰
Abstract
Thetrafficsafetyisoneoftheimportantelementsfortherailtrafficdevelopment,thesedayspeoplewantmoreandmorefasttrainingrunningspeed,thetrafficsafetyisbecomingmoreimportant.Levelroadcrossingisemphasisandweakpoint.Sohowtodevelopthesecurityofthelevelroadcrossingisaveryimportantproblem.
Thisarticlediscussesthepresentsituationofourraillevelroadcrossing,usesingle-chipmicrocomputersystemtodesignthecomingvehicleautomaticwarningsystemforlevelroadcrossing.Thecorechipis89C51whichhashighreliability,lowpriceandgooduniversality.Mosttechnicianscanmasteriteasily.Thesystemgetsthecomingvehiclesmessage,andgivesnoticetothecrossingkeeperandthepeople.Soitcanreducethehiddendangersandprovidetheinsurancefortherailtraffic.
Becauseofthebadrunningenvironmentandworkingimportant,sowethinkmuchofthesystemrunningreliability,firmnessofdeviceandlightning-proofability.Somemeasuresalsoaretakeninthesoftware.Sotheresearchanddesignofthissystemisverynecessary.
KeywordsTrafficSafety,Rail-wayCrossing,AT89C51,sensor,resistdisturb
1绪论
1.1问题的提出
铁道平交道口的安全，是直接关系到行人人身安全和列车运行安全的关键。
由于火车的速度高、铁轨的弯道多及地形复杂，再加上我国是一个人口众多的国家，所以往往会出现一些意想不到的情况。
当火车司机看到平交道口有意外时，刹车已经来不及了，其结果就会出现重大的伤亡事故。
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。
成为铁路安全运营的薄弱环节。
平交道口有区间和站内之分，以及有人看守和无人看守之分。
随着科学技术的进步，有人看守的区间道口在设备上逐步得到加强，事故明显减少。
然而站内道口由于多是地处人口稠密、经济活动频繁的市镇地区，公路交通车辆日益增多，平交改立交费用昂贵，技术困难。
而且，很多的站内道口附近的铁路行车作业非常复杂，正线、专用线、调车线等四通八达，通向道口的线路很多，与车站信号联锁困难，所有的这些因素都制约了平交道口改为立交道口的进程，这就决定了平交站内道口在今后相当长的一个时期内仍将继续存在，服务于运输生产[1]。
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研究的意义
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。
现代化的交通运输主要包括铁路、水路、公路、航空和管道五种方式。
它们各自有其不同的技术特征和使用范围。
与其他的运输方式相比较，铁路运输具有运输能力大、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。
铁路道口是铁路和公路，也是铁路和社会的一个交合处，涉及社会的方方面面，道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，关系到和谐社会的构建，关系到铁路在社会中的形象的确立，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。
如果道口都由人来看守，则有的道口一天通过几十列火车，而横向通过道口的人流和车流较多，这样势必会造成道口看守人员疲劳而出事故；有的道口则一天也没有几列车或人员、车辆较少，而造成看守人员的浪费。
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、错报事件的出现机率，从而有效的避免道口交通事故的发生。
而且，道口安全问题说到底还是人的问题，只要及时准确的将来车情况通知道口工和行人，并且道口工采取放杆禁止通行、立岗接车，行人自动停止等待列车通过，这样就可以避免事故的发生，而且由于我国铁路的实际条件和经济状况考虑，国外铁路的一些设备和措施在我国也不是效果很好，所以立足我国铁路实际情况，开发适合的道口报警设备具有重大意义。
1.3国内外研究现状
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，英国安全工作做的比较好，近年来其道口事故发生率和每个道口平均死亡人数均比其他各国低。
这主要得益于英国政府增加警力，强行控制道口违章行为。
在驾校增设关于平交道口的安全教育，开展平交道口危险性的宣传活动。
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（英文名称缩写LCP）。
其工作过程是在道口装一个LCP单元，两边轨道的端点处各装一个无源转辙器。
当列车经过前转辙器时，轨道电路的阻抗和电压会线形减少，呈现下斜图形，反映列车接近轨道口的位置，LCP根据图形斜率计算列的速度，确定列车经过道口的时间，从而产生报警，当列车经过后转辙器以后，报警结束。
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[2,3]。
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。
1.4设计目的和要求
系统总体采用AT89C51单片机为道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧的成对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，根据单片机计算出的速度、检测点与道口的距离，以及道口附近铁路线的分布情况，对列车是否通过道口做出智能判断。
如果列车将要通过道口，则要提前40-90秒给出声光报警信号，以通知道口工。
如果列车从车站的另一咽喉进站正在减速准备停车时，则不予报警，继续进行监视。
当列车通过道口时，由道口另一侧单个的传感器接受到列车通过的信息，并将信号传回到主机，主机将结束报警状态，此时道口将重新开放。
以达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的目的。
本系统的列车接近报警功能及操作程序基本符合国标“铁路站内道口信号设备技术条件”，主要功能设计如下：
1、自检功能
开机后系统进入自检，对所有传感器的状态（是否断线）、显示器、打印机、各表示灯及音响等测试检查。
该系统最易发生的故障是传感器的损坏、断线和丢失，而传感器是该系统的关键部位，因此系统在工作中要不间断的检查传感器的状态，一有故障，系统要立即报警显示故障部位。
2、数字钟功能
系统自检结束后立即自动进入工作状态，此时时钟要显示正确的时间，同时也可以随时输入正确的时间，列车接近道口、通过道口和道口工确认时间均以此时钟为准。
并且走时准确的时钟也是系统状态良好的最显著直观的标志。
3、列车接近道口声光报警功能
这是系统的主要功能。
当任意一方向的列车接近道口时，十六位数码显示管的上八位显示时钟，下八位显示包括列车接近股道、接近速度和到达道口所需要的时间等的列车接近信息。
当任两方向列车同时或先后接近道口时，上下八位显示器各显示一个方向的列车信息。
当同时或先后有三个以上方向上的列车接近道口时，上下八位显示器均可采用轮流显示列车接近的信息。
同时，道口房内有蜂鸣器报警，以提示道口工注意。
室外语音喇叭也用语音信号提示行人注意，不要在此时穿越道口。
4、人机对话和数据存储查询功能
通过键盘命令可实现人机对话，单键操作简单易学。
人机命令有六种：
（1）时钟输入，
（2）确认，（3）自检，（4）删除，（5）查询，（6）打印。
信息存储容量为100条最近的信息，可根据需要查询其中的任一条。
5、复原功能
当列车通过道口时，设备自动复原，声光报警停止，显示器恢复显示时间。
当调车接近道口但未到道口即停止或折返时，设备延时5分钟自动复原。
2自动报警系统构架及技术指标
2.1系统组成部分
系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及语音报警四部门组成，系统组成框图如图2.1所示：
图2.1系统组成原理图
2.2系统工作的平面示意图
系统主机安装在铁路道口值班房内，传感器安装在距离道口适宜距离的铁轨上，传感器信号由信号电缆传回主机，有主机进行处理，并将来车信息通知道口值守人员。
系统平面工作示意如图2.2所示：
图2.2系统工作平面示意图
2.3系统主要技术指标
系统主要技术指标如下：
·整机功耗（不打印时）≤10W
·传感器寿命≥8年
·系统寿命≥8年
·速度检测范围1～120Km/h
·测速精度优于2%
·记时精度优于2%
·检测点容量18组
·列车信息存储容量100条
·传感器工作温度－40～＋70℃
·系统工作温度－10～＋70℃
3系统硬件设计
3.1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[4,5]。
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。
3.1.1AT89C51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：
·片内时钟振荡器；
·可编程串行通道；
·与MCS-51微控制器产品兼容；
·全静态工作：
0HZ-24MHZ；
·空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内RAM中的内容；
·4KB可改编程序Flash存储器；（可经受1,000次的写入/擦除周期）；
·128×8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；
·三级存储器保密。
单片机电路设计如图3.1所示：
图3.1单片机电路
3.1.2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外其余均为HC电路，所以驱动能力可以保证。
用74HC138对P2.5-P2.7进行全译码，选通不同的芯片，简化结构，选通地址表如表3.1所示：
表3.174HC138选通地址表
74HC138输出
选通
地址
Y0=0
6264
0～1FFFH
Y1=0
8279
2000～3FFFH
Y2=0
空闲
Y3=0
信号373-1
6000～7FFFH
Y4=0
信号373-2
8000～9FFFH
Y5=0
信号373-3
A000～BFFFH
Y6=0
信号373-4
C000～DFFFH
Y7=0
看门狗电路
D000～FFFH
传感器信号的输入采用CPU外部中断0和外部中断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
3.2传感器的选择以及安装使用方法
3.2.1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。
1、根据法拉第电磁感应定律：
E=-Ndθ/dt感生电信号，可知磁通变化率决定感生电信号的幅值。
2、相关技术特性：
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3.2所示：
图3.2感生电压与车轮速度的关系
3.2.2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[6,7,8]。
a、触发端传感器：
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3.3所示：
图3.3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v=s/t，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=Kx式中的定时常数K=100μs。
b、复原端传感器：
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。
3.3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[9,10]。
其中一路的信号处理电路如图3.4所示：
图3.4信号处理电路
3.3.1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，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22kΩ分压电阻。
图中A点电压即静态输入电压VI如式3.1所示：
（3.1）
当传感器CG断线时，V1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。
3.3.2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A到B，第19管脚接地，使其始终选通。
3.3.3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到光再到电的隔离，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[11,12,13]。
3.3.4锁存选通级
由于传感器的信号宽度为几毫秒到一百多毫秒，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。
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P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。
其宽度选取如式3.2：
T=RC=12kΩ×4700pf=56μs（3.2）
3.4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（InformationStorageDevice）公司生产的ISD1420芯片。
3.4.1PIC16C71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1K×14程序存储器、36个数据存储器、4路8位A/D13、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；FUZZYTECH-MP）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[14,15,16]。
其引脚图如图3.5所示：
图3.5PIC16C71管脚图
3.4.2ISD1420芯片介绍
ISD1400系列语音芯片是ISD（InformationStorageDevice）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（E2PROM）、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，可随意改变录音内容，录放次数达10万次以上；
4、具有自动省电功能，录音和回放后即刻进入等待模式，仅需0.5μA维持电流；
5、可分段存储多段信息；
6、自带时钟源；
7、高抗干扰性能；
8、单+5V标准电源供电；
9、可直接驱动8-16Ω喇叭工作，输出不失真功率大于50mW，也可作激励信号单端输出，外接功率放大器，输出功率为额定输出功率的1/4，约为12mW左右；
10、采用总线技术，适于同单片机接口。
ISD1420录音时间为20S，它最多可录160个语音段，语音段最短时间可达到0.125S[17]。
其管脚排列如图3.6所示：
图3.6ISD1420管脚图
主要管脚介绍如下：
A0～A7——地址或操作模式控制端，当A6和A7不全为高电平时，A0～A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片段，A6和A7全为高电平时，A0～A5用于选择操作模式。
MIC——话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，片上自动增益控制（AGC）电路控制预放大器的增益在15～24dB之间。
耦合电容值和该端内阻（10kΩ）决定语音信号通频带下限频率。
ANAIN——模拟信号输入端，对于话筒输入，ANAIN引脚应通过外部电容与ANA
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