wjy毕业设计基于单片机的铁路道口报警系统设计.docx
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wjy毕业设计基于单片机的铁路道口报警系统设计
基于单片机的铁路道口报警系统设计
毕业设计总说明
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AT89C51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。
系统主要由四部分组成，传感器部分采集信号，以及键盘及LED点阵显示电路进行状态显示及输入，还有单片机系统。
1）本系统采用磁电式传感器，火车车轮通过时切割磁力线可以产生变化的电压信号形成脉冲信号，再通过输入级、整形级、光电隔离级、锁存选通级和中断控制逻辑传送给主机。
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。
因为火车由传感器到达道口的速度基本不变，传感器安装好后距离便可设置固定，这样可以计算出火车到达道口的时间。
根据不同传感器发出的信号主机可知道来车方向。
当火车通过复原传感器后，系统停止报警。
2）键盘及显示部分采用4×4键盘和16×128LED点阵显示器，对火车来车方向，速度，到达时间进行显示。
键盘命令可实现人机对话，操作简单易学。
人机命令有五种：
（1）时钟输入，
（2）距离设置，（3）密码输入并核对，（4）自检，（5）删除，（6）确认，（7）查询历史记录。
4）单片机使用AT89C51，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），而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
单片机信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入信号等，都通过P0口，功能输出通过Pl，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。
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。
采用模块化结构，前两部分的程序各道口通用，第三部分程序量比较大，而且由于各道口的现场线路不尽相同，检测点的数量和检测点的位置也不同，所以该部分程序不能通用，需要根据实际情况做个别调整。
初始化及设备自检和断线检测：
系统在初始化后进入自检，自检的重要内容之一是对所有传感器的状态进行检测。
而且在系统工作后，也需要不断的检测传感器的状态，以防止在火车通过时发生传感器故障，所以在程序设计时将开机自检和工作巡检合并。
列车接近检测处理部分：
根据铁路站内道口技术条件规定，站内道口列车接近报警时间应为40-90秒，不能晚报、早报，误报、更不能漏报，晚报、早报、误报会使设备的置信度下降，同样也可能引起事故。
因此，一方面需要良好的硬件设计，另一方面对列车接近检测提出很高的要求。
由于存在多方向同时或先后有车接近道口的可能性，所以软件应能对多达5个方向（接车、发车、调车1、调车2、专用线）同时进行检测报警，各种数据、标志全部分方向设置和存放。
关键词运输安全，铁路道口，AT89C51，传感器，抗干扰
Induction
Keywords
1绪论
1.1研究的意义
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j又达，通向道口的线路很多，与车站信号联系困难，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。
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。
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，也是铁跻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；有的道口则一大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。
1.2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各的一般设计原理，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。
所以，立足我国铁路现状，开发实用的站内道口自动报警设各仍是当务之急。
1.3设计主要内容
系统采用AT89C51单片机作为系统的核心，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信号电缆传送到道口房。
如果列车即将通过道口，则提前40-90秒给出报警信号，关闭路口栅栏门，显示屏显示车速、列车方向、列车到达时间等；当列车通过后离开道口时，由道口另一侧的传感器检测列车信息，并将信号传回，检测到列车完全离开道口后结束报警状态，此时栅栏门开，道口重新开放。
本系统的主要功能设计如下：
1、自检功能
系统开机后或处于检修期可进入自检状态，对所有传感器的状态（是否断线）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，因此系统在工作前要检查传感器的状态，一旦发现故障，系统要立即报警并显示故障部位。
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，道口红绿灯由绿变黄再变红，栅栏门关，同时显示屏由安全提示变为列车通过道口的一系列显示。
4、车速、方向、到达时间、安全提示等显示功能。
系统用一低档单片机AT89C4051专门控制16×128LED点阵，列车未开来时，显示屏先后显示“铁路道口请慢行”（人形动态显示）、“司机、行人请注意安全”（滚动显示）；档列车开来时，显示屏先后显示“火车来了禁止通行”、“火车**S后到达”、“火车自*向*运行”、“列车时速***KM”、“不要抢行翻越栏杆”；列车离开后，恢复到未开来的状态。
6、历史记录
系统会自动记录10条最新列车通过信息，每条信息包括列车通过总时间和列车速度，可查询。
7、人机对话和数据存储查询功能
键盘及显示部分采用4×4键盘实现人机对话，操作简单易学。
人机命令有五种：
（1）时钟输入，
（2）距离设置，（3）密码输入并核对，（4）自检，（5）删除，（6）确认，（7）查询历史记录。
2总体设计方案
2.1系统组成部分
系统主要由传感器、键盘、LED点阵显示屏、单片机系统组成，系统组成框图
如图2.1所示：
图2.1系统组成原理图
2.2系统工作示意图
系统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系统工作平而示意图
3系统硬件设计
3.1系统控制芯片选择
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AT89C5l作为系统控制的核心。
由于LED点阵的控制占用CPU资源很多，而且点阵的规模可能根据需要扩展到更大，所以为使反应速度更快，本系统用另一片低档单片机AT89C405l专门作为LED点阵的控制，两片控制芯片之间互相通信，共同完成系统任务。
另外，用两片单片机还有的好处是在提高系统效率的同时增加了RAM和ROM的大小，随着系统功能的增强和任务增多，程序的不断增加需要扩展存储区，有了两片单片机，可以把任务分开，既扩大了存储区又增加了反应速度。
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。
1）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1000次的写入擦除周期）;
·128只8字节内部RAM;
·32条可编程I/O线；
·2个16位定时器计数器；
·6个中断源；
·三级存储器保密。
图3.1AT89C51管脚图
2）管脚说明：
①VCC：
供电电压。
②GND：
接地端．
③P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向盯0口，每脚可吸收STTL门电流。
当Pl口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据／地址的低八位。
在FLASH编程时，PO口作原码输入口，当FLASH校验时，PO输出原码，此时P0外部必须被拉高。
④Pl口：
Pl口是一个内部提供上拉电阻的8位双向阳口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
Pl口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，Pl口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收．
⑤P2口：
P2口为一个内部具有上拉电阻的8位双向U0口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写，“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且可以作为输入。
当作为输入口时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这也是由于内部上拉的缘故．P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其中特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
⑥P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并作输入口使用。
作为输入口时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这也是由于上拉的缘故。
P3口又可作为AT89C51的一些特殊功能口，
如下表所示：
表3.1P3口功能表
口
管脚
被选功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输入口
P3.2
/INT0
外部中断0
P3.3
/INT1
外部中断1
P3.4
T0
计时器0外部输入
P3.5
T1
计时器1外部输入
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通
P3.7
/RD
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
①RST：
复位输入。
当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
②ALEPROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平，用于锁存地址的低位字节。
在FL气SH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在S服SEH地址上置0。
③PSEN：
外部程序存储器的选通信号．在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
④/EA/VPP：
当压A保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/E
A将内部锁定为RESET：
当压A端保持高电平时，在此期间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（VPP）。
⑤XTALI：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
⑥XTALZ：
来自反向振荡器的输出．
3）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出．该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有时输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2AT89C4051性能介绍
AT89C4051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
89C4051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。
主要性能：
.和MCS-51产品兼容；
.4KB可重编程FLASH存储器（1000次）；
.2.7-6V电压范围；
.全静态工作：
0Hz-24MHz
.2级程序存储器保密锁定
.128*8位内部RAM
.15条可编程I/O线
.两个16位定时器/计数器
.6个中断源
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3.3所示：
图3.3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。
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3.4所示：
图3.4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=100us。
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成整形为脉冲信号；
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intl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3.5所示：
图3.5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，Dl、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。
外。
Rp1为22k分压电阻。
图中A点电压即静态输入电压V1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74HC245芯片。
74HC245内含八组具有三态输出的双向总线收发器，是典型的TTL型三态缓冲门电路。
由于单片机等CPU的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。
74HC系列的逻辑功能、引出端排列与74LS系列相一致。
其工作速度与74LS亦相似．HC系列的所有输入和输出均有内部保护线路，以减小由于静电感应而损坏器件的可能性，74HC系列具有高抗噪声度和驱动负载的能力。
HC高电平规定为0.7倍电源电压，低电平规定为0.3倍电源电压。
LS规定高电平为2.0V，低电平为0.8V。
HC上拉下拉能力相同，LS上拉弱而下拉强：
74HC系列具有CMOS的低功耗和相当于74LS高速度的性能，属于一种高速低功耗产品；扇出能力上看，74LS系列为20，而74HC系列在直流时则高达1000以上。
74HC245管脚如图2.3所示：
图3.674HC245管脚图
引出端符号：
A.............................
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